“SE+PERC”單晶硅太陽(yáng)電池激光摻雜區(qū)域的漏電現(xiàn)象研究

劉 苗，王 松，何 燦，陳素素，武曉燕

(晶澳太陽(yáng)能有限公司，邢臺(tái)055550)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，能源消耗與日俱增，環(huán)保問(wèn)題日益嚴(yán)峻。太陽(yáng)能作為一種綠色、無(wú)污染的可再生能源，是人類未來(lái)能源消耗的重要來(lái)源之一，具有廣闊的發(fā)展前景。近年來(lái)，單晶硅太陽(yáng)電池工藝技術(shù)不斷推陳出新，太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率、制備成本均取得了一系列突破，尤其是選擇性發(fā)射極(SE)技術(shù)與鈍化發(fā)射極背接觸(PERC)技術(shù)相結(jié)合(即“SE+PERC”)的單晶硅太陽(yáng)電池技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步提升了單晶硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。“SE+PERC”單晶硅太陽(yáng)電池采用激光摻雜工藝，是利用激光對(duì)硅片表面按照既定圖形進(jìn)行掃描，實(shí)現(xiàn)發(fā)射極的選擇性重?fù)剑越档吞?yáng)電池的接觸電阻，提升填充因子；而在非激光摻雜區(qū)域，通過(guò)高方阻實(shí)現(xiàn)開(kāi)路電壓和短路電流的提升，從而提升太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率[1]。

伴隨“SE+PERC”單晶硅太陽(yáng)電池SE技術(shù)應(yīng)用于太陽(yáng)電池正面后帶來(lái)的光電轉(zhuǎn)換效率提升，針對(duì)此類太陽(yáng)電池背面工藝的應(yīng)用研究也接踵而至，其中，堿拋光工藝取代酸拋光工藝，成為行業(yè)內(nèi)主流工藝。堿拋光工藝不僅可以解決廢液中含氮、含氟問(wèn)題，而且可以解決酸拋光工藝廢水需要特殊處理，處理工序復(fù)雜、成本高的問(wèn)題；同時(shí)堿拋光具有低減重、高反射率、背面刻蝕效果的均勻性優(yōu)于酸拋光等優(yōu)勢(shì)，提升了“SE+PERC”單晶硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。“SE+PERC”單晶硅太陽(yáng)電池的制備工藝流程如圖1所示。

本文針對(duì)“SE+PERC”單晶硅太陽(yáng)電池制備過(guò)程中激光摻雜區(qū)域出現(xiàn)的漏電現(xiàn)象，分析了漏電原因，并給出了采用SE激光摻雜工藝及堿拋光工藝時(shí)的優(yōu)化建議。

圖1 “SE+PERC”單晶硅太陽(yáng)電池的制備工藝流程圖Fig. 1 Process flow chart for preparation of “SE+PERC”mono-Si solar cells

1 太陽(yáng)電池柵線位置漏電異常現(xiàn)象

在“SE+PERC”單晶硅太陽(yáng)電池制備過(guò)程中，當(dāng)激光摻雜區(qū)域出現(xiàn)損傷時(shí)，在其上印刷柵線后，柵線區(qū)域會(huì)存在漏電異常現(xiàn)象，導(dǎo)致成品“SE+PERC”單晶硅太陽(yáng)電池中出現(xiàn)反向漏電流大、并聯(lián)電阻小的異常太陽(yáng)電池。對(duì)正常太陽(yáng)電池和異常太陽(yáng)電池的電性能進(jìn)行測(cè)試，并以正常太陽(yáng)電池的電性能數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，得到異常太陽(yáng)電池的電性能數(shù)據(jù)變化情況，具體如表1所示。

表1 以正常太陽(yáng)電池的電性能數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，異常太陽(yáng)電池的電性能數(shù)據(jù)變化情況Table 1 Based on the electrical performance data of normal solar cells，change of electrical performance data of abnormal solar cells

從表1中可以看出：相較于正常太陽(yáng)電池，異常太陽(yáng)電池的反向漏電流高0.85 A、并聯(lián)電阻低253 Ω。這2個(gè)參數(shù)值均與正常太陽(yáng)電池的差別較大。

采用熱成像儀對(duì)3片異常“SE+PERC”單晶硅太陽(yáng)電池進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 3片異常的“SE+PERC”單晶硅太陽(yáng)電池的 熱成像圖像Fig. 2 Thermal imaging images of three abnormal “SE+PERC”mono-Si solar cells

從圖2可以看出：3片異常太陽(yáng)電池均是柵線位置發(fā)紅嚴(yán)重，發(fā)紅區(qū)域的位置基本固定，但發(fā)紅面積不固定。3片異常太陽(yáng)電池的熱成像測(cè)試結(jié)果與因印刷漿料污染而形成的異常太陽(yáng)電池的熱成像測(cè)試結(jié)果略有不同，后者通電后會(huì)立刻發(fā)紅[2]，這是因?yàn)橛∷{料會(huì)使p-n結(jié)局部短路，而3片異常太陽(yáng)電池在進(jìn)行熱成像測(cè)試時(shí)發(fā)紅位置是緩慢變紅，初步懷疑是因?yàn)闁啪€區(qū)域漏電異常位置p-n結(jié)局部破壞導(dǎo)致其導(dǎo)通性差，使該區(qū)域的反向漏電流逐漸累積，熱量逐漸升高，熱成像圖像逐漸變紅。

2 太陽(yáng)電池柵線異常位置的微觀測(cè)試

利用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)“SE+PERC”單晶硅太陽(yáng)電池柵線異常位置進(jìn)行微觀掃描，掃描結(jié)果如圖3所示。

圖3“SE+PERC”單晶硅太陽(yáng)電池柵線異常位置的 二維和三維微觀形貌Fig. 3 2D and 3D microscopic morphology of abnormal grid line position of“SE+PERC”mono-Si solar cell

從圖3可以看出：異常位置的金字塔腐蝕嚴(yán)重，特別是塔尖位置，甚至出現(xiàn)了下凹的現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)腐蝕區(qū)域的成分進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)無(wú)其他異常元素，排除了印刷漿料引起的腐蝕。由于異常位置表面含有N、Si及O元素，因此可以判定異常位置是太陽(yáng)電池正面鍍SiN膜之前就已經(jīng)被腐蝕，根據(jù)“SE+PERC”單晶硅太陽(yáng)電池的制備流程，此異常位置是由堿拋光工藝造成的。而堿拋光工藝之前太陽(yáng)電池正面有氧化層保護(hù)，造成此類腐蝕的原因是氧化層保護(hù)性差或無(wú)氧化層保護(hù)。

SEM掃描過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，此類金字塔腐蝕并非連續(xù)性腐蝕，而是區(qū)域性腐蝕，腐蝕區(qū)域的間距均勻，均分布在SE激光摻雜后的細(xì)柵線覆蓋區(qū)域，因此懷疑是激光摻雜造成的損傷所致。為驗(yàn)證上述推測(cè)，根據(jù)“SE+PERC”單晶硅太陽(yáng)電池制備流程，分別對(duì)SE激光摻雜工藝和堿拋光工藝后太陽(yáng)電池異常位置進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 堿拋光及SE激光后太陽(yáng)電池異常位置的微觀形貌Fig. 4 Micromorphology of abnormal position of solar cells after alkali polishing and SE laser

從圖4可以看出：堿拋光工藝后太陽(yáng)電池異常位置表面出現(xiàn)了金字塔腐蝕的情況，而SE激光摻雜工藝后太陽(yáng)電池異常位置表面有局部損傷現(xiàn)象。

對(duì)堿拋光后太陽(yáng)電池異常位置和正常位置的金字塔腐蝕深度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

圖5 堿拋光后太陽(yáng)電池異常位置和正常位置的 金字塔腐蝕深度Fig. 5 Pyramid corrosion depth of abnormal and normal positions of solar cells after alkali polishing

從圖5可以看出：堿拋光后異常位置的金字塔腐蝕深度較正常位置的深，表面p-n結(jié)已被腐蝕形成漏電位置；而正常位置的金字塔絨面正常，無(wú)腐蝕現(xiàn)象。

根據(jù)上文中的測(cè)試結(jié)果推測(cè)金字塔塔尖嚴(yán)重?fù)p傷可能是因激光器使用過(guò)程中對(duì)太陽(yáng)電池局部的功率過(guò)大導(dǎo)致激光后產(chǎn)生損傷，損傷位置在鍍氧化膜時(shí)，膜層生長(zhǎng)疏松，堿拋光工藝之后，損傷位置的金字塔塔尖被堿液腐蝕所致。為了驗(yàn)證此推測(cè)，將SE激光摻雜后的異常“SE+PERC”單晶硅太陽(yáng)電池接著進(jìn)行堿拋光，然后測(cè)試太陽(yáng)電池的異常位置，測(cè)試結(jié)果與之前推測(cè)相符。因此可判定為激光光斑不均勻，激光光斑中心區(qū)域損傷過(guò)大導(dǎo)致金字塔塔尖損傷，堿拋光后，損傷位置的金字塔塔尖受堿液腐蝕造成嚴(yán)重漏電情況。

3 SE激光摻雜區(qū)域漏電原因分析及優(yōu)化建議

3.1導(dǎo)致SE激光摻雜區(qū)域漏電的原因

導(dǎo)致SE激光摻雜區(qū)域漏電的原因，包括以下幾種[3]：

1)激光光斑能量不均勻。激光光斑為矩形光斑，激光線為單一光斑相切緊密排列而成，矩形光斑出現(xiàn)中心能量聚集而邊緣分散的情況，導(dǎo)致光斑中心的PSG層損傷嚴(yán)重，金字塔塔尖的硅基質(zhì)被較多暴露，經(jīng)過(guò)鏈氧生長(zhǎng)的氧化層也無(wú)法進(jìn)行有效保護(hù)，堿拋過(guò)程光斑損傷嚴(yán)重位置被腐蝕，該位置p-n結(jié)局部被破壞，無(wú)法有效導(dǎo)通，形成漏電。因此需要調(diào)整激光光斑均勻性。

2)氧化層過(guò)薄。目前的堿拋光工藝流程中，氧化環(huán)節(jié)主要采用3種方式：第1種是采用管式氧化，即采用類似于擴(kuò)散爐體的爐體進(jìn)行氧化，這種方式生長(zhǎng)的氧化層較為均勻，一般不會(huì)出現(xiàn)局部氧化層過(guò)薄的情況；第2種是采用鏈?zhǔn)綗嵫趸脻L輪帶片的方式，在高溫高氧的環(huán)境下通過(guò)采用氧氣噴淋管形成氧化層，若噴淋管堵塞則會(huì)導(dǎo)致局部氧化層過(guò)薄；第3種是采用臭氧氧化，臭氧氧化得到的氧化層相較于前2種方式得到的較薄，若噴淋管堵塞則會(huì)出現(xiàn)局部氧化層過(guò)薄的情況。在SE激光摻雜后的氧化過(guò)程，局部氧化層較薄時(shí)，其保護(hù)作用較差。在堿拋光槽內(nèi)氧化層會(huì)被腐蝕，對(duì)于正常區(qū)域而言，仍會(huì)有PSG層的保護(hù)，而SE激光摻雜區(qū)域的PSG層受到損傷后，該區(qū)域的金字塔塔尖最先被腐蝕，導(dǎo)致過(guò)拋，形成漏電。因此，需要解決氧化環(huán)節(jié)的噴淋管堵塞問(wèn)題，提升氧化層的保護(hù)作用。

3)堿拋光溶液濃度失衡。導(dǎo)致溶液濃度失衡的主要原因一是堿拋光添加劑補(bǔ)量不足，導(dǎo)致溶液濃度過(guò)低，相對(duì)而言堿濃度偏高；二是氫氧化鈉補(bǔ)藥量過(guò)多導(dǎo)致堿濃度過(guò)高、添加劑濃度低。此種溶液狀態(tài)下的腐蝕速率較快，添加劑對(duì)硅片正面的抑制保護(hù)作用大幅削弱，導(dǎo)致SE激光摻雜區(qū)域過(guò)拋，形成漏電[4]。

4)堿拋光槽反應(yīng)超時(shí)。由于下料不及時(shí)或機(jī)械手異常等原因?qū)е聣A拋光槽反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使SE激光摻雜區(qū)域最先被腐蝕，造成過(guò)拋，形成漏電位置。因此需要嚴(yán)格控制堿拋光反應(yīng)時(shí)間。

5)堿拋光添加劑物料異常。添加劑可抑制硅片正面的氧化硅與氫氧化鈉反應(yīng)，添加劑抑制作用弱或添加劑組分失效均會(huì)導(dǎo)致激光區(qū)域過(guò)拋，形成漏電位置。

3.2 優(yōu)化建議

針對(duì)合理采用SE激光摻雜工藝及堿拋光工藝給出如下建議：1)SE激光摻雜時(shí)，激光光斑的均勻性很重要，在引入激光時(shí)需要特別注意；2)采用鏈?zhǔn)綗嵫鮾?yōu)化鍍氧化膜時(shí)，盡管產(chǎn)能及產(chǎn)線匹配性更好，但是在生產(chǎn)中要特別關(guān)注噴淋管堵塞問(wèn)題；3)需要嚴(yán)格把控堿拋光的堿溶液濃度、反應(yīng)時(shí)間及添加劑的使用，防止出現(xiàn)漏電嚴(yán)重等異常現(xiàn)象。區(qū)域保護(hù)效果，該區(qū)域?qū)儆谡杵Ｗo(hù)薄弱部位，疊加堿拋光強(qiáng)腐蝕作用后，堿溶液極易沿著塔尖裸露硅進(jìn)行反應(yīng)，導(dǎo)致激光重?fù)轿恢胮-n結(jié)被局部腐蝕，電流無(wú)法導(dǎo)通，漏電嚴(yán)重，形成異常太陽(yáng)電池。

4 結(jié)論

本文對(duì)“SE+PERC”單晶硅太陽(yáng)電池制備過(guò)程中SE激光摻雜區(qū)域出現(xiàn)的漏電現(xiàn)象進(jìn)行了研究，并分析了漏電原因。研究結(jié)果表明：采用SE激光摻雜工藝搭配堿拋光工藝的“SE+PERC”單晶硅太陽(yáng)電池易出現(xiàn)漏電情況的原因是：激光重?fù)诫s區(qū)域經(jīng)過(guò)激光掃描后，硅片表面存在損傷，PSG層遭到破壞，尤其是在金字塔絨面塔尖位置容易裸露出硅基體，對(duì)激光摻雜區(qū)域較正常淺擴(kuò)