二合一管式PECVD背鈍化工藝優化研究

張福慶 王貴梅 孫曉凱 張玉松 張若凡

（晶澳太陽能有限公司，河北邢臺 055550）

0.引言

近年來，在P型晶硅太陽電池市場，SE-PERC電池仍占據主流，以其可增加電池的光電轉化率，提升組件功率。SE-PERC電池利用良好的表面鈍化技術，降低晶硅表面態密度和表面少子復合速率[1]，在效率提升方面備受青睞。同時，背面的鈍化增益也尤為重要。

隨著太陽電池技術的發展,良好的表面鈍化成為制備高效電池必不可少的條件。表面鈍化通過飽和半導體表面處的懸掛鍵，降低界面態密度，同時鈍化膜的存在避免了雜質在表面層的引入形成復合中心，降低復合速率。目前晶硅太陽電池常用的背表明鈍化技術有背面氧化硅鈍化、背面氧化鋁鈍化和背面氮化硅鈍化等，背面鈍化主要通過降低硅基底表面缺陷、形成良好的場鈍化、提升長波段光的利用率等增強晶硅表面的鈍化效果，有效提高少子壽命[2]。

本文選擇在SE-PERC電池工藝上，通過二合一管式PECVD背鈍化設備進行背面鈍化鍍膜工藝優化，提升電池光電轉換效率，為SE-PERC太陽電池光電轉換效率的優化提供工藝方案。

1.試驗

1.1 電池結構示意圖

本文基于SE-PERC晶硅太陽電池進行試驗，電池基本結構示意圖，如圖1所示。

圖1 雙面PERC太陽電池基本結構示意圖

1.2 試驗材料及儀器

試驗樣品采用太陽能級摻稼P型為158.75mm×158.75mm方形R∠晶硅片，電阻率為0.8Ω·cm～1.1Ω·cm，厚度為（160±3）μm。

試驗中使用捷佳偉創二合一管式PECVD設備（PD450）進行背面鈍化膜制備，利用激光橢偏儀（SE-400）進行氧化鋁、氮氧化硅、氮化硅等薄膜的厚度及折射率測試，使用美國Sition的WCT-120測試成品片模擬開壓。

1.3 試驗設計

試驗共設計5個條件，對不同的背鈍化工藝進行比較分析，詳見表1所述。

表1 不同背鈍化工藝條件

按照如圖2所示試驗流程進行，試驗樣片在背鈍化工藝前，所經機臺及工藝參數一致，樣片在經過退火熱氧化工序后，表面已經形成一層SiO2鈍化薄膜[4]，可視為各個條件在背鈍化前均無差異。

圖2 太陽電池制備試驗工藝流程

2.試驗結果及分析

2.1 電性能測試

按照圖2電池制備流程圖，將各試驗條件電池片經各工序下傳至檢測工序，進行電池片電性能測試。采用在線Halm測試系統進行I-V測試，光譜波長為300nm～1200nm。測試機臺校準使用光衰10h后電池片，以單片校準片重復測試的方式，測試5次，測試效率波動達到±0.03%以內，視為合格。

測試試驗所以電池片的電性能，統計各試驗條件其各項電性能平均值，如表2所示。表中：Eta為平均光電轉換效率；Uoc為平均開路電壓；Isc為平均短路電流；FF為平均填充因子；Rs為平均串聯電阻；Rsh為平均并聯電阻；IRev2位平均漏電。

表2 不同試驗條件電池片電性能數據

由以上數據可知，條件1試驗電池片光電轉換效率最低，在試驗背景下表明對應背鈍化工藝的鈍化效果最差，條件4、條件5試驗電池片的光電轉換效率基本持平，且轉換效率最高，表明其背鈍化工藝的鈍化效果最好。

不同背鈍化工藝試驗條件電性能數據顯示，隨著背鈍化工藝的變化，背鈍化效果進一步提升，條件5電池片的轉換效率最高，表明在氧化鋁+氮化硅常規背鈍化工藝的基礎上，增加預淀積工藝、氮氧化硅工藝[5]、氧化硅工藝，并按條件5列膜層分布，可進一步提升電池片光電轉換率0.25%。同時可發現，隨著預淀積工藝、氮氧化硅工藝的逐步添加，試驗電池片的光電轉換效率也在逐步提升。

2.2 模擬開壓測試

使用WCT-120測試各條件電池片的準中性區基區和發射級區中復合產生的飽和暗電流密度（Jo1）、空間電荷區中的復合產生的飽和暗電流密度（Jo2）、理想填充因子（pFF）以及模擬開壓（Voc）。使用成品電池片測試更能直觀的反映出電池片整體的鈍化效果，測試結果如表3所示。

表3 不同試驗條件電池片WCT-120測試數據

由表3中可見，因各試驗條件使用同一切片硅棒，經同一工序，故Jo2與pFF差異基本一致。條件5中對應的Voc最高，Jo1最低；結合各試驗條件電性能分析，條件5中對應的開路電壓最高。其他幾個條件SunsVoc測試結果顯示，Voc偏低、Jo1偏高，而Jo2和pFF基本持平，表明其鈍化效果差主要受表面鈍化影響。

由此可知，條件5的氧化鋁+預淀積+氮氧化硅+氧化硅+氮化硅背鈍化工藝，對硅片具有更好的鈍化效果，可以提高太陽電池的開路電壓，提升太陽電池的少子壽命[6]。

2.3 量子效應EQE測試

電池片的量子效率為太陽能電池的電荷載流子數目與照射在太陽能電池表面一定能量的光子數目的比率，在不考慮電池片表面對光的反射時稱為電池片的外部量子效率External Quantum Efficiency，簡稱 EQE[7]。

將上述5個試驗條件的成品電池片進行EQE測試，主要分析不同背鈍化工藝下電池片EQE的變化。以條件5為基準條件，分別與其他條件進行兩兩對比，并進行分析，結果如圖3所示，圖中EQE為電池片外量子效率，λ為波長。

圖3 不同試驗條件下太陽電池EQE情況對比

由以上各試驗條件成品片EQE測試結果可知，太陽電池的量子效應由于正表面的復合作用，會影響光子的利用率。入射光通過正膜投射、折射方式進入硅基體，在PN結位置進行光電轉換，部分長波段的光會達到背面，在背膜位置產生復合[8]，背鈍化效果直接影響背面復合速率和少子壽命，所以試驗各條件在該波段出現差異。此差異源于不同試驗條件下的鈍化效果不同，需要通過優化背鈍化膜層工藝，來減少背面復合速率，提升電池片量子效應。

結合表2電性能數據分析，EQE長波段趨勢與電性Uoc趨勢一致，條件5電池片測試EQE，長波段量子效應最優，對應少子壽命最高；條件1電池片測試EQE，長波段量子效應最差，對應少子壽命最低。

試驗表明，在使用二合一管P做SE-PERC太陽電池背鈍化工藝時，使用氧化鋁+預淀積+氮氧化硅+氧化硅+氮化硅背鈍化工藝，可獲得最優電池片光電轉換效率。

3.結論

為提升晶硅SE-PERC電池光電轉換效率，使用二合一管P做背鈍化工藝產線，其背鈍化工藝宜采用氧化鋁+預淀積+氮氧化硅+氧化硅+氮化硅多層疊膜背鈍化工藝，可對電池片光電轉換效率產生增益效果。

實際在晶硅SE-PERC電池的具體生產制程中，還會有其他很多因素會影響電池片光電轉換效率，二合一管式PECVD背鈍化工藝較為復雜，且發展空間大，此文為SE-PERC電池二合一管P背鈍化工藝選擇提供參考。