p型“SE+PERC”雙面太陽電池背面工藝對光伏組件PID效應的影響研究

收稿日期：2023-07-11

通信作者：王貴梅（1985—），女，學士、工程師，主要從事晶體硅太陽電池方面的研究。wanggm@jasolar.com

DOI： 10.19911/j.1003-0417.tyn20230711.02 文章編號：1003-0417（2024）04-80-07

摘 要：基于p型“SE+PERC”雙面太陽電池的背面工藝，針對背表面拋光狀態、背面氧化鋁薄膜厚度、背面膜層結構、背面氮化硅薄膜折射率幾個因素對光伏組件電勢誘導衰減（PID）效應的影響進行了研究。研究結果表明：1）背表面拋光狀態越光滑，對應制備的光伏組件在PID測試后的輸出功率損失率越小；2）背面氧化鋁薄膜厚度為10 nm及以上時對應制備的光伏組件在PID測試后的輸出功率損失率差異不大；3）背面膜層結構對PID效應存在影響，合理設計背面膜層結構可以有效抑制光伏組件PID效應；4）背面氮化硅薄膜折射率大于等于2.10時，對應制備的光伏組件在PID測試后的輸出功率損失率降至2.00%以內且可以穩定保持在較低水平。研究結果可為p型“SE+PERC”雙面太陽電池背面工藝優化提供指導方向。

關鍵詞：p型晶體硅；SE+PERC；雙面太陽電池；電勢誘導衰減；背面工藝；拋光；氧化鋁薄膜；折射率

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0" 引言

p型選擇性發射極與鈍化發射極及背面接觸相結合（即“SE+PERC”）的太陽電池技術是目前主流的晶體硅太陽電池技術之一，該技術可以很好地解決在降本增效趨勢下全鋁背場太陽電池技術面臨的一系列技術問題，例如，硅片厚度變薄后，全鋁背場技術會使太陽電池翹曲度增大、長波光子吸收下降、背面復合速率加快等[1]。p-n結的形成是晶體硅太陽電池技術的核心，而擴散時摻雜濃度的高低對太陽電池光電轉換效率的影響是雙重的。較高的摻雜濃度可以減小硅片和電極之間的接觸電阻，從而降低太陽電池的串聯電阻，但是較高的摻雜濃度會導致俄歇復合較大，降低硅片的少子壽命，從而影響太陽電池的短路電流和光電轉換效率。SE技術在太陽電池金屬柵線的位置進行重摻雜、在電極以外的區域進行淺摻雜，可以降低太陽電池的串聯電阻，提高其填充因子；還可以減少載流子復合，提高表面鈍化效果，增強太陽電池的短波響應，提高太陽電池的短路電流和開路電壓[2]。由于具有光電轉換效率較高的優勢，目前p型“SE+PERC”雙面太陽電池已成為主流太陽電池廠商的主要技術路線。

電勢誘導衰減（PID）效應是指在高熱高濕（85" ℃/85%濕度）的環境條件下，當光伏組件被施加很高的負電壓（-1000 V）時，其輸出功率會隨時間推移而顯著降低；同時，在電致發光（EL）圖像中可以觀察到發生PID效應的太陽電池變暗[3]。當前已經有大量針對原料硅片位錯缺陷密度、硅片微觀隱裂長度、擴散工藝、正面鈍化薄膜工藝、聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物（EVA）膠膜等因素對PID效應影響的研究[4]。PID效應主要以兩種機制為主，分別為極化導致的電位誘導衰減（PID-P）效應和漏電通道導致的電位誘導衰減（PID-S）效應。其中：PID-P效應以太陽電池的短路電流和開路電壓的衰減為主，電荷聚集或帶電離子穿過半導體材料表面，影響半導體材料表面的活性區；PID-P效應是可逆的，一般可以通過光照或者施加反向電壓使輸出功率恢復。PID-S效應以太陽電池填充因子的衰減為主，離子遷移會發生在活性層內，使p-n結的性能衰減并造成分流，其一般不可逆。PID-P效應發生在太陽電池背面的概率較高[5]。

對由“SE+PERC”雙面太陽電池制備的雙玻光伏組件而言，針對該太陽電池背面工藝對PID測試結果影響的研究相對較少。根據PID-P效應產生機理，本文基于p型“SE+PERC”雙面太陽電池的背面工藝，通過實驗對此類太陽電池的背表面拋光狀態、背面氧化鋁（Al2O3）薄膜厚度、背面膜層結構、背面氮化硅（SixNy）薄膜折射率幾個因素對光伏組件PID測試結果的影響展開分析驗證。

1" 實驗

1.1" 實驗流程

本文實驗采用的p型“SE+PERC”雙面太陽電池（本文實驗中描述的“太陽電池”均為此類太陽電池）的生產工藝主要工序為：

1） 制絨：通過腐蝕去除硅片表面損傷層，并在硅片表面進行制絨，以形成絨面結構達到陷光效果，減少反射損失。

2） 擴散：通過熱擴散方法在硅片上形成摻磷的擴散層，制備p-n結。

3） SE激光摻雜：實現在金屬化區域重摻雜、非金屬化區域淺摻雜，從而降低太陽電池的串聯電阻，提升其填充因子和短路電流。

4） 去除硅片背面及周邊p-n結+去除磷硅玻璃（PSG）：在此環節去除硅片背面及周邊的p-n結，并去除含磷的氧化硅層。

5） 退火氧化：通過退火氧化修復激光損傷并生成二氧化硅鈍化層，提升硅片的少子壽命。

6）背面鍍膜：采用管式PECVD二合一技術實現背面氧化鋁薄膜和氮化硅薄膜的制備。氧化鋁薄膜帶負電荷，可以很好地鈍化p型晶體硅太陽電池的表面；氮化硅薄膜做為減反射和鈍化層覆蓋在氧化鋁薄膜表面，制備氮化硅薄膜時的高溫過程使氧化鋁薄膜的鈍化性能得到提升，同時也可以擴展絲網印刷時太陽電池的工藝窗口[6]。

7）正面鍍膜：采用管式PECVD技術鍍膜，起到減反射和鈍化的作用。

8）背面激光開槽：激光能量穿透氮化硅薄膜與氧化鋁薄膜，以便印刷燒結環節后柵線與硅片能夠實現良好的歐姆接觸。

實驗用太陽電池的生產工藝流程如圖1所示。

圖1" 實驗用太陽電池的生產工藝流程圖

Fig. 1" Flowchart of production process of

solar cells in the experiment

本文實驗主要是改變“去除硅片背面及周邊p-n結+去除PSG”和“背面鍍膜”這兩個背面工藝的工藝條件，以觀察PID測試后光伏組件輸出功率損失的變化情況。

1.2" 實驗測試儀器

實驗所用的主要測試儀器包括：背面氧化鋁薄膜的厚度，以及氮化硅薄膜的厚度和折射率均采用系科光電科技（上海）有限公司生產的光譜橢圓偏振儀COSE進行測試；背面減重數據采用福迪威西特傳感工業控制（天津）有限公司生產的型號為FL3445的電子天平進行測量；背面微觀結構采用奧林巴斯株式會社生產的型號為OLS5000-SAF的顯微鏡進行測試。

1.3" 實驗材料

實驗所用硅片為p型太陽能級摻鎵襯底的單晶硅片，硅片厚度為165 μm，尺寸為182.1 mm×182.1 mm，電阻率為0.4～1.0 Ω·cm。

本文所有實驗中，保證每次實驗只變更1個太陽電池生產工藝條件，其余工藝條件均保持一致；每個變更工藝條件的硅片量均為800片，且每個實驗條件對應制備成光伏組件（本文實驗描述的“光伏組件”均為“p型‘SE+PERC’雙面雙玻光伏組件”）樣品。

2" 結果與討論

2.1" 背表面拋光狀態

實驗用太陽電池采用雙面制絨工藝，太陽電池表面的金字塔結構會使其存在較高的復合速率，同時存在懸掛鍵；擴散工藝會造成太陽電池側面四周及背面存在磷摻雜；另外，背面的鈍化膜容易在光滑的表面沉積。基于以上幾點，需在硅片背表面進行拋光處理。

本實驗采用相同濃度的堿性拋光液，通過控制拋光時間，得到不同的堿性拋光刻蝕量和硅片背表面拋光狀態[7]，從而制備得到不同背表面拋光減重后的太陽電池樣品。實驗硅片的背表面拋光減重量分別控制為0.15、0.18、0.21、0.24 g，其中最小減重量和最大減重量對應的太陽電池（此時為半成品狀態）背表面拋光狀態的微觀結構如圖2所示。

從圖2可以看出：最大減重量對應的太陽電池背表面拋光狀態更加光滑，其背表面亮度與減重量為0.15 g時太陽電池背表面亮度相比有整體提升。經過測量，最小減重量0.15 g對應的拋光

a. 減重量為0.15 g時

b. 減重量為0.24 g時

圖2" 實驗最小減重量和最大減重量對應的太陽電池背表面拋光狀態的微觀結構

Fig. 2" Microstructure of polishing state of solar cell back surface corresponding to minimum and maximum weight reduction in the experiment

后太陽電池背表面反射率為38.5%，最大減重量0.24 g對應的太陽電池拋光后背表面反射率為40.8%。

將不同硅片背表面拋光減重后的太陽電池樣品分別制備成光伏組件樣品，然后對光伏組件樣品進行PID測試，測試結果如圖3所示。其中，光伏組件輸出功率損失率Plos的計算式為：

Plos=（1–）·100%" " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

式中：PPID為PID測試后光伏組件的輸出功率；P為PID測試前光伏組件的輸出功率。

圖3" 不同硅片背表面拋光減重量對應制備的

光伏組件PID測試結果

Fig. 3" PID test results of PV modules prepared under different polishing weight reduction on the back surfaces of silicon wafers

從圖3可以看出：隨著硅片背表面拋光減重量增大，PID測試后光伏組件輸出功率損失率呈現降低趨勢。分析原因在于大減重量情況下，硅片表面更加平整，減少了作為復合中心的懸掛鍵，可以抑制帶電離子在硅基體內的復合，從而減弱了PID效應。

在實際生產過程中，考慮到晶體硅太陽電池行業薄片化降本的發展趨勢，硅片背表面拋光減重量過多會導致碎片率上升，并且還會延長堿性拋光時間，造成產能下降，因此需要確定適當的減重量窗口，以取得PID可靠性和太陽電池產能、碎片率、光電轉換效率之間的平衡。

2.2" 背面氧化鋁薄膜厚度

半導體行業已經對氧化鋁薄膜進行了大量研究，發現Si/Al2O3體系薄膜表面固定電荷為負電荷，很適合用來鈍化p型硅片表面，可以加強對少數載流子（即電子）的排斥，形成場鈍化[8]。

本實驗通過調節背面氧化鋁薄膜的沉積時間，制備出背面氧化鋁薄膜厚度分別為7、10、13、16 nm的太陽電池樣品，并對應制備成光伏組件樣品，然后對光伏組件樣品進行PID測試，測試結果如圖4所示。

圖4" 不同背面氧化鋁薄膜厚度對應制備的

光伏組件PID測試結果

Fig. 4" PID test results of PV modules prepared under different thicknesses of Al2O3 thin films on the back

從圖4可以看出：PID測試后，背面氧化鋁薄膜厚度為7 nm時制備的光伏組件的輸出功率損失率最大，背面氧化鋁薄膜厚度為10 nm及以上時制備的光伏組件的輸出功率損失率差異不大，表明在一定范圍內增加背面氧化鋁薄膜厚度，可以抑制PID效應，但是繼續增加背面氧化鋁薄膜厚度，并不會進一步改善PID效應。分析造成這種結果的原因，在于氧化鋁薄膜厚度對化學鈍化和場鈍化的影響規律，即在一定范圍內增加背面氧化鋁薄膜厚度，使太陽電池表面復合速率下降，而繼續增加背面氧化鋁薄膜厚度，太陽電池表面復合速率不再下降，表明固定負電荷隨著背面氧化鋁薄膜厚度增加而逐漸趨于飽和[9]；而背面氧化鋁薄膜厚度從7 nm增加到10 nm，處于表面負電荷增加的區間，從而提高了氧化鋁薄膜的化學鈍化和場鈍化作用，因此可以抑制PID效應。

在實際生產過程中，需要綜合考慮太陽電池的光電轉換效率、產品良率、生產成本等因素后，確定合適的背面氧化鋁薄膜厚度范圍。

2.3" 背面膜層結構

本實驗中，太陽電池背面采用兩種膜層結構（分別為背面膜層結構A和背面膜層結構B），但應保證疊層膜的膜厚和折射率水平一致。背面膜層結構A從內到外依次為p-Si/Al2O3/SiOxNy/SixNy/SiO2，其中：SiOxNy薄膜作為Al2O3薄膜和SixNy薄膜的緩沖層起到減少膜層接觸面缺陷態密度的作用；SiO2薄膜放在最外層，通過控制其厚度起到改善薄膜應力從而減少太陽電池翹曲度的作用。背面膜層結構B從內到外依次為p-Si/Al2O3/SiO2/SixNy，其中：SiO2薄膜作為Al2O3薄膜和SixNy薄膜的緩沖層起到減少膜層接觸面缺陷態密度的作用。兩種背面膜層結構如表1所示。

表1" 兩種背面膜層結構

Table 1" Two kinds of film structures on the back

膜層（從內到外） 背面膜層結構A 背面膜層結構B

硅基體 p-Si p-Si

第1層 Al2O3 Al2O3

第2層 SiOxNy SiO2

第3層 SixNy SixNy

第4層 SiO2

二氧化硅薄膜在半導體領域被廣為應用，其制備方法通常可以分為高溫熱氧化法、PECVD沉積法、室溫濕法氧化法3種。通常情況下，不使用SiH4/O2混合氣體制備二氧化硅薄膜，這是因為氧等離子體的反應活性很強，在氣相狀態時氧等離子體就會和SiH2發生反應產生SiOx顆粒污染物，導致制備的二氧化硅薄膜的質量變差，例如，顆粒污染物落在二氧化硅薄膜上產生針孔。使用SiH4/N2O混合氣體可以生成更均勻的二氧化硅薄膜，盡管在制備的二氧化硅薄膜中含有少量的氫原子和氮原子，但該薄膜的成分分析值接近二氧化硅的化學計量比，其化學反應式[10]為：

SiH4（g）+2N2O（g）→SiO2（s）+2N2（g）+2H2（g）

（2）

PECVD沉積法沉積氮氧化硅薄膜時，采用的反應氣源為氨氣（NH3）、硅烷（SiH4）、笑氣（N2O），氮氧化硅薄膜可以增加光的利用率，進而改善晶體硅太陽電池的光電轉換效率[11]。

制備氮化硅薄膜時，采用的反應氣源為SiH4/NH3混合氣體。

由于不同膜層的固定電荷密度不同，且不同膜層界面之間的界面態密度不同，因此不同膜層搭配的鈍化效果存在差異性。本實驗采用不同背面膜層結構對應制備得到光伏組件樣品，然后對光伏組件樣品進行PID測試，測試結果如圖5所示。

圖5" 不同背面膜層結構對應制備的光伏組件PID測試結果

Fig. 5" PID test results of PV modules prepared with different film structures on the back

從圖5可以看出：PID測試后，采用背面膜層結構B對應制備的光伏組件的輸出功率損失率比采用背面膜層結構A對應制備的光伏組件的輸出功率損失率小，可能是受益于二氧化硅薄膜和氧化鋁薄膜之間較小的界面態密度，抑制了帶電離子遷移時的復合，從而抑制了PID效應。因此，合理設計太陽電池背面膜層結構可以有效抑制光伏組件的PID效應。

2.4" 背面氮化硅薄膜折射率

本實驗在硅片采用背面膜層結構B的基礎上，其他實驗條件固定不變，通過改變反應氣源氣量比和沉積時間得到不同折射率的背面氮化硅薄膜；氮化硅薄膜的厚度保持一致，均為80 nm。實驗的背面氮化硅薄膜折射率分別為2.00、2.05、2.10、2.15、2.20、2.25，對應制備成光伏組件樣品，然后對光伏組件樣品進行PID測試，測試結果如圖6所示。

圖6" 不同背面氮化硅薄膜折射率對應制備的

光伏組件PID測試結果

Fig. 6" PID test results of PV modules prepared with different refractive indices of SixNy thin films on the back

從圖6可以看出：PID測試后，硅片背面氮化硅薄膜折射率小于等于2.05對應制備的光伏組件的輸出功率損失率在3.00%以上，硅片背面氮化硅薄膜折射率大于等于2.10對應制備的光伏組件的輸出功率損失率降至2.00%以內且可以穩定保持在較低水平，說明繼續增加背面氮化硅薄膜折射率，光伏組件輸出功率損失率的變化不大。分析原因在于：氮化硅薄膜的折射率與其鈍化特性、電學特性、光學特性直接相關，當折射率提高時，氮化硅薄膜中的硅含量隨之升高，有效少子壽命顯著升高；當折射率達到2.1～2.2時，少子壽命達到飽和，之后即使繼續提高氮化硅薄膜的折射率，少子壽命也不再提高[12]。

在實際生產控制中，可以將硅片背面氮化硅薄膜折射率的管控下限設定為2.10。

3" 結論

本文基于p型“SE+PERC”雙面太陽電池背面工藝，研究了背表面拋光狀態、背面氧化鋁薄膜厚度、背面膜層結構、背面氮化硅薄膜折射率幾個因素對光伏組件PID效應的影響。研究結果表明：

1）背表面拋光減重量越大，背表面拋光狀態越光滑，對應制備的光伏組件在PID測試后的輸出功率損失率越小。

2）背面氧化鋁薄膜厚度為10 nm及以上時，對應制備的光伏組件在PID測試后的輸出功率損失率的差異不大。

3）背面膜層結構對PID效應存在影響，合理設計背面膜層結構可以有效抑制光伏組件PID效應。

4）背面氮化硅薄膜折射率大于等于2.10對應制備的光伏組件在PID測試后的輸出功率損失率降至2.00%以內且可以穩定保持在較低水平；繼續增加背面氮化硅薄膜折射率，光伏組件輸出功率損失率的變化不大。

本文研究結果可以為p型“SE+PERC”雙面太陽電池背面工藝優化提供指導方向，從而提升太陽電池和光伏組件的性能。

[參考文獻]

[1] 沈文忠，李正平. 硅基異質結太陽電池物理與器件[M]. 北京：科學出版社，2014：7-8.

[2] 張建軍，張志敏，張進臣，等. SE+PERC太陽電池擴散工藝的研究[J]. 太陽能，2020（8）：52-55.

[3] 王文靜，李海玲，周春蘭，等. 晶體硅太陽電池制造技術[M]. 北京：機械工業出版社，2014：288-292.

[4] 勾憲芳. 晶硅太陽能電池組件電勢誘發功率衰減行為及機理的研究[D]. 北京：北京工業大學，2018.

[5] CAROLUS J，TSANAKAS J A，VAN DER HEIDE A，et al. Physics of potential-induced degradation in bifacial p-PERC solar cells[J]. Solar energy materials and solar cells，2019，200：109950.

[6] SCHMIDT J，VEITH B，BRENDEL R. Effective surface passivation of crystalline silicon using ultrathin Al2O3 films and Al2O3/SiNx stacks[J]. Physica status solidi （RRL）-Rapid research letters，2009，3（9）：287-289.

[7] 武佳娜，李雪方，陳麗. 晶硅電池堿拋量對電性能的影響分析[J]. 山西化工，2021，41（4）：71-72.

[8] 謝猛. PERC型晶體硅太陽電池的光致衰減及其鈍化技術研究[D]. 杭州：浙江大學，2018.

[9] DINGEMANS G，KESSELS W M M. Status and prospects of Al2O3-based surface passivation schemes for silicon solar cells[J]. Journal of vacuum science amp; technology A：vacuum，surfaces，and films，2012，30（4）：040802.

[10] 王蔚，田麗，任明遠. 集成電路制造技術：原理與工藝[M]. 2版. 北京：電子工業出版社，2016：170.

[11] 何素明，戴珊珊，羅向東，等. 等離子體增強化學氣相沉積工藝制備SiON膜及對硅的鈍化[J]. 物理學報，2014（12）：128102.

[12] SCHMIDT J，KERR M. Highest-quality surface passivation of low-resistivity p-type silicon using stoichiometric PECVD silicon nitride[J]. Solar energy materials and solar cells，2001，65：585-591.

RESEARCH ON INFLUENCE OF BACK TECHNOLOGY OF p-TYPE “SE+PERC” BIFACIAL SOLAR CELLS ON

PID EFFECT OF PV MODULES

Wang Yuxiao，Wang Guimei，Zhao Yingfang，Cheng Yaqi，Xu Zhiwei

（Shijiazhuang JA Solar Technology Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050000，China）

Abstract：Based on the back technology of p-type \"SE+PERC\" bifacial solar cells，this paper studies the influence of the back surface polishing state，the thickness of Al2O3 thin film on the back，the film structures on the back，and the refractive index of SixNy thin films on the back on the potential induced attenuation （PID） effect of PV modules. The research results show that：1） The smoother the polishing state of the back surface，the smaller the output power loss rate of the PV module prepared after PID testing. 2） When the thickness of the Al2O3 thin film on the back is 10 nm or more，there is not much difference in the output power loss rate of the PV module prepared after PID testing. 3） The film structure on the back has an impact on the PID effect，and reasonable design of the film structure on the back can effectively inhibit the PID effect of PV modules. 4） When the refractive index of the SixNy thin film on the back is greater than or equal to 2.10，the output power loss rate of the PV module prepared after PID testing decreases to within 2.00% and can be stably maintained at a lower level. The research results can provide guidance for the optimization of the back technology of p-type \"SE+PERC\" bifacial solar cells.

Keywords：p-type c-Si；SE+PERC；bifacial solar cells；PID；back technology；polishing；Al2O3 thin film；refractive index