張信華 杜建建 杜文漢 賀 華

（1．常州工學(xué)院光電工程學(xué)院，江蘇 常州 213001；2．浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院，浙江 杭州 310058；3．蘇州恩奇醫(yī)療器械有限公司，江蘇 蘇州 215011；4．西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710071）

1 低溫等離子體簡介

近年來，超聲低溫等離子體材料表面改性技術(shù)快速發(fā)展并得到了廣泛應(yīng)用。超聲低溫等離子體包含的高能電子可以誘導(dǎo)許多反應(yīng)，例如前驅(qū)體分子的離解和大量自由基的產(chǎn)生[2]。超聲低溫等離子體在材料表面改性具有低溫、高效以及不產(chǎn)生化學(xué)廢料等優(yōu)點(diǎn)，更重要的是在材料表面改性時(shí)，材料內(nèi)部原有的特性并不會(huì)發(fā)生改變。

許多研究團(tuán)隊(duì)、制造商都致力于提高太陽能電池的性能，并開展了大量的研究和開發(fā)工作。李小玄等人[3-4]在沉積工序之前采用NH3等離子對(duì)硅片表面進(jìn)行預(yù)處理，研究不同預(yù)處理時(shí)間對(duì)硅片表面的影響，以及對(duì)氮化硅膜層結(jié)構(gòu)和電性能的影響，結(jié)果表明，預(yù)處理時(shí)間對(duì)SiNx：H 膜層結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響不大。天津中環(huán)半導(dǎo)體有限公司對(duì)氫等離子體鈍化太陽能電池的表面懸掛鍵進(jìn)行了研究，在最佳工藝條件下，獲得了雙面鈍化后的742 mV 開路電壓太陽能硅片，以及734 mV 開路電壓的異質(zhì)結(jié)太陽能電池片。等離子體具有優(yōu)良的改性作用，但是到目前為止，沒有出現(xiàn)很有效的工藝技術(shù)，而該研究工作結(jié)合了超聲等離子體，對(duì)太陽能電池板表面進(jìn)行處理，取得了不錯(cuò)的效果。

2 測試常規(guī)工藝制備的多晶硅太陽能電池

該實(shí)驗(yàn)采用常規(guī)工序制備太陽能光伏組件，除了層壓前采用超聲低溫等離子體對(duì)電池片表面進(jìn)行處理外，其余都采用相同的制備工藝。通過形成的對(duì)照關(guān)系，分析超聲低溫等離子體處理前后太陽能電池組件的性能變化。首先，選擇10片標(biāo)準(zhǔn)電池片（156×156 規(guī)格）以正常工序制備成10 塊標(biāo)準(zhǔn)組件，每塊小組件內(nèi)僅含一片電池片。使用太陽能組件測試儀測試10 片標(biāo)準(zhǔn)電池片的性能，測試結(jié)果見表1。

測試后取10 次測試數(shù)據(jù)的平均值，這樣可以降低自然誤差。常規(guī)多晶硅太陽能電池測試包括光電轉(zhuǎn)換效率、串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻、填充因子、短路電流、開路電壓、最大功率點(diǎn)數(shù)據(jù)等測試因素。各測試因素相互影響，最終決定了太陽能電池的質(zhì)量。

3 測試?yán)贸暤蜏氐入x子體進(jìn)行表面處理的多晶硅太陽能電池

實(shí)驗(yàn)的第二步是采用超聲低溫等離子體對(duì)多晶硅太陽能電池片表面進(jìn)行處理。與傳統(tǒng)的等離子技術(shù)相比，其可在超低功率條件下實(shí)現(xiàn)較高的表面活化。例如，在正弦輸入電壓僅為12 Vpp～24 Vpp 的情況下，超聲低溫等離子體的輸出電壓可達(dá)15 kV，足以在空氣和其他工業(yè)氣體（如氮?dú)狻鍤猓┲挟a(chǎn)生放電現(xiàn)象。等離子本身溫度低于50 ℃，因此，幾乎適合對(duì)所有的溫敏材料進(jìn)行表面處理，包括人體皮膚。所用超聲低溫等離子體設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 超聲低溫等離子體設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)

其中硬PZT（鋯鈦酸鉛）陶瓷材料可以與內(nèi)部銅電極共燒結(jié)在一起。該元件被設(shè)計(jì)成一種疊層Rosen 型壓電式變壓器。輸入側(cè)采用一種帶有銅內(nèi)部電極的疊層結(jié)構(gòu)，而輸出側(cè)則采用一種單片結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 硬PZT（鋯鈦酸鉛）陶瓷

電壓轉(zhuǎn)換是借助形成的駐波在諧振頻率下，將輸入側(cè)的低壓轉(zhuǎn)換成機(jī)械耦合輸出側(cè)的高壓來實(shí)現(xiàn)的。壓電變壓器具有2 個(gè)電極。即主電極和第二電極，主電極為縱向（厚度）電極；第二電極為水平（長度）電極。當(dāng)在初級(jí)側(cè)引入諧振頻率電壓時(shí)，在次級(jí)側(cè)產(chǎn)生強(qiáng)烈的機(jī)械振蕩。因?yàn)閴弘娮儔浩髟诙沃C波振動(dòng)模式下工作，它可以在振動(dòng)節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行接觸和安裝，而且不會(huì)干擾其機(jī)械運(yùn)動(dòng)，因此，能夠同時(shí)產(chǎn)生超聲等離子體與低溫等離子體。

表1 標(biāo)準(zhǔn)組件測試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用超聲低溫等離子體對(duì)5 片電池片進(jìn)行覆蓋式掃描后制備成組件，經(jīng)過太陽能組件測試儀測試的結(jié)果見表2。

測試結(jié)果均取平均值，與標(biāo)準(zhǔn)組件對(duì)比結(jié)果見表3。

測試結(jié)果表明，經(jīng)過超聲低溫等離子體掃描后組件的峰值功率從標(biāo)準(zhǔn)組件的526.571 mW 升高到了557.640 mW，整體上升5.9%。由峰值功率等于峰值電流與峰值電壓乘積的關(guān)系可以計(jì)算出組件峰值的功率參數(shù)，表3 中的數(shù)據(jù)也顯示出峰值電流與峰值電壓都有所上升。填充因子是太陽能電池組件的重要參數(shù)，表3 中的數(shù)據(jù)表明填充因子由0.808 上升至0.853，上升了5.55%。填充因子與串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻有關(guān)，串聯(lián)電阻由112.21 mΩ 下降到84.28 mΩ，并聯(lián)電阻由3.4 Ω 上升至4.0 Ω。由于采用單片電池片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，因此，串并聯(lián)電阻以及受它們影響的開路電壓、短路電流的變化很微小，對(duì)太陽能電池組件性能的影響也較小。最關(guān)鍵的因素還是太陽能電池組件的光電轉(zhuǎn)換效率，數(shù)據(jù)表明超聲低溫等離子體掃描太陽能電池后，其轉(zhuǎn)換效率由標(biāo)準(zhǔn)組件的3.24×10-4上升到了3.43×10-4，提升了6.02%。光電轉(zhuǎn)換效率的提升可以整體抬高組件的性能參數(shù)，提高單位面積的發(fā)電量，從而降低成本。

利用SEM 可以對(duì)太陽能電池片表面的物質(zhì)性能進(jìn)行微觀成像分析，標(biāo)準(zhǔn)組件及經(jīng)過超聲低溫等離子體處理后的組件的測試結(jié)果如圖3 所示。

超聲低溫等離子體由大量的電子、離子、中性粒子組成。超聲低溫等離子體中存在復(fù)雜的原子分子碰撞過程以及繁多的物理化學(xué)反應(yīng)，這些粒子和這些復(fù)雜的過程作用于材料表面，會(huì)使材料表面的結(jié)構(gòu)、成分和性能發(fā)生變化。由SEM照片可以看出，經(jīng)過超聲低溫等離子體處理過的材料表面，顯微結(jié)構(gòu)更加有序，說明超聲低溫等離子體對(duì)表面質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生作用并且誘導(dǎo)其質(zhì)點(diǎn)取向一致。超聲低溫等離子體作用于材料表面后，材料表面吸附的氣體雜質(zhì)會(huì)從材料表面脫附，這樣就消除了材料吸附氣體對(duì)材料表面質(zhì)點(diǎn)的作用，所以經(jīng)過超聲低溫等離子體處理后的材料性能得到了改善。

4 實(shí)驗(yàn)作用

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲低溫等離子體能夠有效改善多晶硅太陽能電池的性能。通過以上測試得出，超聲低溫等離子體對(duì)光伏組件性能具有改善作用，結(jié)合對(duì)光伏組件的生產(chǎn)工藝的研究，可以推斷超聲低溫等離子體處理光伏組件的具體改良作用。其具體作用在光伏制備工藝中推測為以下5 個(gè)方面。

表2 經(jīng)過超聲低溫等離子體表面改性后的太陽能電池測試數(shù)據(jù)

表3 經(jīng)過超聲低溫等離子體表面處理后的太陽能組件與標(biāo)準(zhǔn)組件的測試對(duì)比

4.1 清洗電池片表面

電池片表面會(huì)因?yàn)閱T工排片或焊接過程中手指碰觸會(huì)留下指紋以及油污等，電池片表面具有細(xì)致的絨面結(jié)構(gòu)，因此清理起來比較困難。油污等會(huì)阻礙電池片表面對(duì)光的吸收及利用，導(dǎo)致組件的發(fā)電效率降低。超聲低溫等離子體會(huì)通過電離氣體產(chǎn)生高溫高速的電子束流（宏觀呈現(xiàn)低氣體溫度），束流在軸向風(fēng)機(jī)的作用下吹掃，去除電池表面的油污、指紋等，從而起到清洗的作用。

4.2 表面制絨

多晶硅光伏電池表面需要通過制絨工藝來制備一層蠕蟲狀的絨面，以此來提高光的吸收和利用效率。一般制備工藝是利用硝酸和氫氟酸按一定配比對(duì)多晶硅電池表面進(jìn)行絨面腐蝕制備，在硅片表面形成一層多孔硅。多孔硅可以作為吸雜中心，提高光生載流子壽命并且具有較低的反射系數(shù)。但是多孔硅結(jié)構(gòu)松散不穩(wěn)定，具有較高的電阻以及表面復(fù)合率。超聲低溫等離子體的高速粒子撞擊在電池片表面，一方面可以將絨面處理的更加細(xì)致有序，另一方面也可以使表面結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，減少了復(fù)合中心的產(chǎn)生。

圖3 電池片表面SEM 圖

4.3 溫性刻蝕

光伏制備工藝中由于磷的擴(kuò)散，電池片表面及邊緣會(huì)不可避免的摻入磷元素。光生電子會(huì)隨著磷的擴(kuò)散由正面流動(dòng)到背面，造成PN 結(jié)短路，從而導(dǎo)致并聯(lián)電阻降低。并聯(lián)電阻反映的是電池的漏電水平，它會(huì)影響太陽電池的開路電壓，它的減小會(huì)使開路電壓降低，但對(duì)短路電流基本沒有影響。電池片表面還會(huì)形成PSG（磷硅玻璃），PSG 易吸收空氣中的水分，導(dǎo)致電流降低和功率衰減。超聲低溫等離子體可以通過粒子吹掃將多余擴(kuò)散的磷分解，從而達(dá)到去除PSG 的目的。

4.4 表面鈍化

光伏電池制備過程中由于切割工序的存在，會(huì)在電池片表面形成懸掛鍵，懸掛鍵具有捕獲光生載流子的作用，限制光電流的產(chǎn)生，是光伏電池較為嚴(yán)重的能量損失方式。超聲低溫等離子體可以電離氫氣體，用氫離子來修補(bǔ)鈍化電池片表面的懸掛鍵，使硅原子恢復(fù)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

4.5 降低死層影響

在擴(kuò)散區(qū)中，由于不活潑磷原子處于晶格間隙位置，會(huì)引起晶格缺陷。由于磷和硅的原子半徑不匹配，高濃度的磷還會(huì)造成晶格缺陷。因此，在硅電池表層中，少數(shù)載流子的壽命極低，表層吸收短波光子所產(chǎn)生的光生載流子對(duì)電池的光電流輸出貢獻(xiàn)甚微，因此，該表層稱為“死層”?！八缹印钡拇嬖谑遣豢杀苊獾?，但是可以利用一些方法來降低“死層”的影響。超聲低溫等離子體的吹掃可以使表面磷原子分布更加均勻，促進(jìn)磷原子的正確落位，從而降低了電池片表面的死層影響。

5 結(jié)論

超聲低溫等離子體處理的一個(gè)顯著特點(diǎn)是對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行控制，使其具有良好的可靠性和重現(xiàn)性，特別是在工業(yè)生產(chǎn)中。超聲低溫等離子體技術(shù)在不久的將來有望在第三代太陽能電池中發(fā)揮重要作用。