“PERC+SE”單晶硅太陽電池氧化工藝研究

劉 苗，張建軍，張 永，許志衛，李 景

(晶澳太陽能有限公司，邢臺 055550)

0 引言

提升太陽電池的光電轉換效率是光伏領域的重要研究方向。目前，太陽電池的PERC技術均已升級為“PERC+”技術，即“PERC+選擇性發射極(SE)”技術，采用該技術的“PERC+SE”單晶硅太陽電池的制備流程如圖1所示。

圖1 “PERC+SE”單晶硅太陽電池的制備流程示意圖Fig. 1 Preparation process of“PERC+SE”mono-Si solar cell

對于SE激光摻雜，光伏行業內通常是采用532 nm納秒脈沖激光器在銀柵線位置對擴散后的硅片進行重摻雜，從而降低銀柵線與硅片的接觸電阻，避免出現非柵線區域低濃度摻雜，以及提升開路電壓和短路電流的同時降低填充因子的問題。“PERC+”技術的推廣使單晶硅太陽電池的光電轉換效率提升了0.2%～0.4%，但“PERC+SE”單晶硅太陽電池在采用SE激光摻雜工序的過程中，激光會熔融磷硅玻璃層，在高溫下使磷向硅片推進、擴散，同時將部分區域的磷硅玻璃層完全破壞，尤其是金字塔塔尖區域的磷硅玻璃層很薄，因此更容易被破壞，從而露出太陽電池底部的硅基。

SE激光摻雜工序之后，在不影響硅片正面的前提下，利用酸拋或堿拋光工藝去除硅片四周的p-n結，以防止硅片正面與背面導通，并通過對硅片背面進行拋光增加其長波響應，提升入射光的利用率。在酸拋或堿拋光環節，如果生產線使用常規的采用HF/HNO3刻蝕液的鏈式濕法刻蝕設備，由于硅片在刻蝕槽內是以“水上漂”的方式運行，同時有水膜保護，則裸露處的硅片不容易接觸到刻蝕液，避免了出現SE激光摻雜區域裸露硅被腐蝕的問題。而在采用槽式機的堿拋光工藝中硅片完全浸沒在刻蝕液中，強堿溶液會刻蝕整個硅片，再加上SE激光摻雜區域因絨面發生變化，過腐蝕現象在該區域更容易發生。為了解決此問題，需要在SE激光摻雜后，即在氧化環節，在硅片正面制備一層SiO2膜作為掩膜，從而保護硅片正面，防止在堿拋光過程中SE激光摻雜位置發生過腐蝕現象。對于SiO2膜的制備，行業內目前主要有2種技術方案：一種是采用管式擴散爐高溫快速制備SiO2膜；另一種是采用鏈式氧化爐，以略低于管式擴散爐的溫度快速制備SiO2膜。本文從制備的SiO2膜厚度，氧化前、后和堿拋光后的方塊電阻變化，以及制得的“PERC+SE”單晶硅太陽電池的電性能3方面對比了這2種設備的優劣，以期對生產線設備的選型提供一定參考。

1 試驗準備

1.1 試驗原材料

試驗原材料采用從同一根硅棒上由金剛線切割的p型單晶硅片，尺寸為158.75 mm×158.75 mm，電阻率為0.4～1.1 Ω·cm，厚度為165～175 μm。

1.2 試驗儀器

采用納秒激光器進行SE激光摻雜，采用四探針方阻測試儀測試硅片的方塊電阻，采用EMPro-PV橢偏儀測試SiO2膜厚度，采用Halm高精度I-V測量系統測試成品太陽電池的電性能。

1.3 試驗設計

試驗樣品分為2組，每組800片，均按照圖1所示的“PERC+SE”單晶硅太陽電池制備流程，采用相同機臺、相同配方完成至SE激光摻雜環節，然后樣品1采用管式擴散爐制備SiO2膜，樣品2采用鏈式氧化爐制備SiO2膜，并對制備的2種SiO2膜的厚度，以及氧化環節前后和堿拋光環節后的方塊電阻進行測試；最后將2種制備了SiO2膜的硅片完成“PERC+SE”單晶硅太陽電池的制備，并收集2種太陽電池的電性能數據。

氧化環節2種設備的氧化工藝參數對比如表1所示。其中，管式擴散爐[1]和鏈式氧化爐的結構示意圖如圖2所示。

表1 氧化環節2種設備的氧化工藝參數對比Table 1 Comparison of oxidation process parameters of two types of equipment in oxidation process

圖2 2種設備的結構示意圖Fig. 2 Schematic diagram of structure of two types of equipments

2 試驗結果與分析

2.1 SiO2膜厚度測試結果與分析

高溫時SiO2膜的生長機理是：初期O原子吸附在硅片表面的活性中心，吸附態的O原子與Si原子發生界面化學反應，生成SiO2，成為結晶核心；隨著SiO2膜層生成過程的繼續，SiO2向自由能低的方向生長，先以枝狀晶的方式在二維方向生長，當枝狀晶前沿彼此連接時，SiO2在二維方向的增長減緩，產生側向應力，隨著其厚度不斷增長，枝狀晶層次變得模糊，最后形成致密的SiO2膜[2]。2種設備制備的SiO2膜厚度如表2所示。

表2 不同設備制備的SiO2膜厚度Table 2 SiO2 film thickness prepared by different equipments

制備SiO2膜過程中，鏈式氧化爐與管式擴散爐的主要區別在于氧化時間，兩者均是初期在高溫條件下在硅片表面快速形成一層SiO2膜，膜層達到一定厚度后，Si-O反應不再由化學反應控制，而逐漸過渡到由Si原子和O原子的擴散控制。從表2中可以看出：鏈式氧化爐制備的SiO2膜的厚度均值為1.67 nm，比管式擴散爐制備的SiO2膜厚度均值低，SiO2膜的均勻性也較差，這可能與氧化時間有關。但延長氧化時間會影響設備的產能，增加太陽電池的非硅成本，因此在生產過程中需兩者兼顧。本文在不增加氧化時間的基礎上對比現有SiO2膜厚度對SE激光摻雜工序后硅片的保護效果。

2.2 方塊電阻的變化

SE激光摻雜工序后硅片正面可以分為2個區域，一個是重摻區域，該區域為SE激光摻雜工藝的工作位置，激光線寬度一般為100～120 μm，在印刷工序會通過定位點的定位將金屬柵線完全覆蓋住；另一個是輕摻區域，即硅片上除重摻區域以外的區域，均為低濃度摻雜的區域。在經過SE激光摻雜處理后，重摻區域的金字塔塔尖會被消掉，從而裸露出硅基，并在堿拋光過程中被強堿溶液腐蝕。因此，行業內一般會在SE激光摻雜后在硅片正面制備一層SiO2膜，作為掩膜，從而保護硅片正面[3]。

選取SE激光摻雜工藝后相同機臺上相鄰的10片硅片作為測試片，均分為2組，分別測試其方塊電阻；將這2組硅片分別由鏈式氧化爐和管式擴散爐鍍制SiO2膜，并測試氧化環節后2組硅片的方塊電阻；在堿拋光環節后再次測試2組硅片的方塊電阻。具體結果如圖3所示。需要說明的是：各個環節2組硅片得到的方塊電阻均取平均值。

從圖3中可以看出：在輕摻區域，相較于氧化后，堿拋光后采用鏈式氧化爐制備的SiO2膜的硅片的方塊電阻升高了12 Ω/□，而采用管式擴散爐制備的SiO2膜的硅片的方塊電阻的升幅為10 Ω/□，這說明鏈式氧化爐制備的SiO2膜對硅片輕摻雜區域的保護效果略弱于管式擴散爐制備的SiO2膜，該結論與前文測試SiO2膜厚度后得到的結論一致；但SiO2膜厚度對太陽電池電性能的影響不大，這是因為輕摻區域有擴散沉積的磷硅玻璃層的保護。而在重摻區域，從各環節的方塊電阻變化來看，鏈式氧化爐制備的SiO2膜的保護效果弱于管式擴散爐制備的SiO2膜，不過方塊電阻差值為2.2 Ω/□。由于目前印刷細柵的銀漿的腐蝕性、歐姆接觸性能較好，方塊電阻只要低于90 Ω/□就不會損失很大的串聯電阻，但后續開發新銀漿料需要注意2種設備制備的SiO2膜對重摻雜區域的保護程度不同的問題。

圖3 硅片不同摻雜區域的方塊電阻變化Fig. 3 Variation of sheet resistance in doped regions of silicon wafers

2.3 電性能測試

將分別涂有2種設備制備的SiO2膜的硅片制備成2種“PERC+SE”單晶硅太陽電池，并進行電性能測試，以涂有管式擴散爐設備制備的SiO2膜的太陽電池的電性能數據為基準，得到另一種太陽電池的電性能變化情況，具體如表3所示。

表3 2種“PERC+SE”單晶硅太陽電池的電性能數據對比Table 3 Comparison of electrical performance data of two types of“PERC+SE”mono-Si solar cells

從表3中可以看出：相較于采用管式擴散爐設備制備的SiO2膜的“PERC+SE”單晶硅太陽電池，采用鏈式氧化爐制備的SiO2膜的“PERC+SE”單晶硅太陽電池的光電轉換效率提升了0.01%，但二者在開路電壓、短路電流、串聯電阻等方面的差異并不大，結果符合預期。

3 結論

本文對鏈式氧化爐和管式擴散爐設備制備的SiO2膜對SE激光摻雜后的重摻區域的保護效果進行了研究，結果發現：2種設備制備的掩膜對重摻區域的保護效果略有差異，但對太陽電池光電轉換效率的影響較小。由于管式擴散爐的氧化溫度略高、氧化時間較長，從堿拋光前后重摻區域的方塊電阻差值及2種設備制備的SiO2膜厚度的測試結果發現：管式擴散爐制備的SiO2膜相對致密，但在現有條件下該情況對太陽電池光電轉換效率的影響不大。出于產業化考慮，鏈式氧化爐在產能、占地空間、能耗等方面優勢明顯，未來可作為“PERC+SE”單晶硅太陽電池工藝路線制備掩膜(SiO2膜)的一種備選設備。