黃國平，王麗婷*，邱家梁，黃惜惜，周 肅,2，賈 佳，李菁楠

(1.中節(jié)能太陽能科技(鎮(zhèn)江)有限公司，鎮(zhèn)江 212132；2. 南京航空航天大學(xué)，南京 211106)

0 引言

為實現(xiàn)光伏發(fā)電平價上網(wǎng)，降低電池的生產(chǎn)成本、提升轉(zhuǎn)換效率成為提升產(chǎn)業(yè)競爭力的重要途徑。目前，鈍化發(fā)射極及背接觸(PERC)單晶硅太陽電池成為高效太陽電池路線的主力，而將選擇性發(fā)射極(SE)與PERC技術(shù)進行疊加可進一步提高電池轉(zhuǎn)換效率已得到廣泛認可[1]。

SE是指在金屬柵線與硅片接觸部位及其附近進行高濃度摻雜，而在電極以外的區(qū)域進行低濃度摻雜。該技術(shù)既可確保硅片和電極之間有較低的接觸電阻，又可降低硅片表面復(fù)合率，以提高硅片的少子壽命，從而提升電池的轉(zhuǎn)換效率[2]。近年來，實驗性或大規(guī)模生產(chǎn)時實現(xiàn)SE的技術(shù)主要有以下幾種：

1)摻Si油墨的Cougar Platform技術(shù)[3]。該技術(shù)用于擴散工藝之后，經(jīng)摻 Si油墨重摻雜的SE的方塊電阻為 30～50 Ω/□，其余正常擴散的發(fā)射極的方塊電阻為 80～100 Ω/□[4]。該技術(shù)不需要增加新的設(shè)備，與產(chǎn)線的匹配度較高，但其使用的油墨非常昂貴，因此生產(chǎn)成本較高。

2)原位掩膜離子注入的Solion Blue 技術(shù)[5]。該技術(shù)是利用離子注入和熱氧化過程代替POCl3擴散和刻蝕移除磷硅玻璃(PSG)過程，未新增任何工藝步驟。但是離子注入設(shè)備的價格昂貴，很大程度上增加了整體生產(chǎn)成本。

3)透過氧化物擴散掩膜的Flex Line Plus技術(shù)[6]。采用該技術(shù)的發(fā)射極形成方式較多，比如，以SiO2掩膜步驟代替濕法化學(xué)刻蝕步驟制備硅片表面的多孔硅層、以激光開槽步驟代替蝕刻步驟。而且這些方式的更換不會影響電池的電性能[6]。但是該技術(shù)增加了3個工藝步驟，不利于產(chǎn)線整體布局。

4)基于選擇性刻蝕的in SECT(inline Selective Emitter Cell Technology，in SECT)技術(shù)[7]，初始擴散形成的方塊電阻為 40～50 Ω/□，采用該技術(shù)后經(jīng)刻蝕形成的非重摻區(qū)的方塊電阻為80～90 Ω/□。該技術(shù)改善了電池的短波響應(yīng)[8]，但是同樣需要新增3個工藝步驟。

5)通過激光摻雜實現(xiàn)SE的技術(shù)。該技術(shù)與上述4種SE的實現(xiàn)方式相比，其具有成本較低、工藝簡單、設(shè)備占地面積小、電池轉(zhuǎn)換效率提升空間大的優(yōu)點。

圖1為激光摻雜SE+PERC單晶硅太陽電池制備工藝示意圖，該工藝僅在PERC單晶硅太陽電池制備工藝的基礎(chǔ)上增加了激光摻雜的步驟。

圖1 激光摻雜SE+PERC單晶硅太陽電池的制備工藝示意圖Fig. 1 Schematic diagram of preparation process of PERC monocrystalline silicon solar cell with laser doped selective emitter

雖然激光摻雜技術(shù)的優(yōu)點突出，但在實際的大規(guī)模生產(chǎn)中仍存在如何選擇激光參數(shù)，輕、重摻雜區(qū)方塊電阻的匹配，燒結(jié)工藝的選擇等問題，因此本文主要針對這3個問題進行深入研究。

1 實驗準(zhǔn)備

1.1 實驗原材料

本文采用太陽能級摻硼p型金剛線切割單晶硅片作為襯底，尺寸為156 mm×156 mm，厚度為180～200 μm，電阻率范圍為1～3 Ω·cm。

1.2 表征方法

采用四探針測試儀測試硅片的方塊電阻，采用德國Halm測試儀表征電池的電性能，采用奧林巴斯顯微鏡觀察硅片表面的激光光斑掃描形貌。

2 實驗設(shè)計與結(jié)果討論

2.1 初始方塊電阻對電池電性能的影響

2.1.1 擴散工藝設(shè)計通過調(diào)節(jié)擴散工藝改變硅片表面的方塊電阻，以達到匹配SE工藝的目的。本實驗選用的擴散設(shè)備為常壓擴散設(shè)備，擴散工藝的主要步驟如圖2所示。本工藝步驟調(diào)整了圖2中第1個預(yù)沉積階段的通氧時間和第2個推進階段的推進溫度，以獲得不同的硅片表面初始方塊電阻。共設(shè)計了5組擴散實驗，每組實驗樣品(擴散工藝之前的硅片)1000片，初始方塊電阻分別控制在100、110、120、130、140 Ω/□。本實驗除硅片表面的初始方塊電阻不同外，其余實驗條件和控制標(biāo)準(zhǔn)均相同。

圖2 擴散工藝的流程圖Fig. 2 Flow chart of diffusion process

2.1.2 實驗結(jié)果及討論

方塊電阻的均勻性對太陽電池轉(zhuǎn)換效率的影響較大，方塊電阻不均勻度K的計算公式為：

式中，Rmax為硅片擴散(或激光摻雜)后的最大方塊電阻值；Rmin為硅片擴散(或激光摻雜)后的最小方塊電阻值。

在確定了摻雜時的激光功率和激光頻率的情況下，初始方塊電阻的選擇很重要。本實驗選擇的激光功率為60 W，激光頻率為220 kHz，對5組不同初始方塊電阻的硅片(1#～5#)進行實驗驗證，其激光摻雜后的方塊電阻及摻雜后方塊電阻的不均勻度情況如表1所示。

表1 初始方塊電阻不同的硅片摻雜后的方塊電阻變化情況Table 2 Change of square resistance after laser doping of silicon wafers with different initial square resistance

從表1的數(shù)據(jù)可以看出，隨著初始方塊電阻值的提升，硅片激光摻雜后的方塊電阻也隨之提升；但當(dāng)初始方塊電阻值大于120 Ω/□時，摻雜后的方塊電阻的不均勻度明顯上升。

圖3為不同初始方塊電阻值時SE+PERC單晶硅太陽電池的電性能情況。

圖3 不同初始方塊電阻值時電池的電性能情況Fig. 3 Electrical performance of solar cells with different initial square resistance values

由圖3可知，初始方塊電阻值為120 Ω/□時，更有利于提高電池的轉(zhuǎn)換效率Eta。隨著初始方塊電阻值的增加，開路電壓Voc逐漸提升，這是因為隨著方塊電阻值的提升，硅片表面的復(fù)合率降低，少子壽命隨之升高。當(dāng)初始方塊電阻值小于130 Ω/□ 時，短路電流Isc逐漸提升；當(dāng)初始方塊電阻增至140 Ω/□ 時，Isc則出現(xiàn)小幅降低，這主要由于串聯(lián)電阻Rs升高所導(dǎo)致。填充因子FF反映了電池材料的接觸性能，在初始方塊電阻值大于120 Ω/□ 時，F(xiàn)F下降明顯，這是由于隨著初始方塊電阻值的提升，硅片表面方塊電阻的不均勻度逐漸升高，實驗中有部分硅片表面的初始方塊電阻甚至可以達到150 Ω/□。

綜上所述，隨著初始方塊電阻值的逐漸上升，Isc和Voc逐漸上升，但當(dāng)初始方塊電阻值超過120 Ω/□后，F(xiàn)F與Eta下降明顯。該現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于高方塊電阻可降低硅片表面的復(fù)合率，從而提升電池的Voc；但由于目前常壓擴散設(shè)備的高方塊電阻穩(wěn)定性水平有限，硅片表面的初始方塊電阻超過120 Ω/□后，激光摻雜后硅片表面的方塊電阻的不均勻度增加明顯。經(jīng)綜合評價，在目前常壓擴散設(shè)備水平條件下，初始方塊電阻值的最佳選擇為120 Ω/□。

2.2激光頻率對電池電性能的影響

2.2.1 激光摻雜工藝設(shè)計

激光摻雜工藝是利用激光的熱效應(yīng)，熔化電池發(fā)射極頂部的磷硅玻璃，從而促使發(fā)射極處的磷原子進入硅片表層，由于磷原子在液態(tài)硅中的擴散系數(shù)要比在固態(tài)硅中高數(shù)個數(shù)量級[9]，因此，激光摻雜后可在電池的電極區(qū)形成重摻雜。

選用高方塊電阻的擴散工藝，制作初始方塊電阻為120 Ω/□的硅片5000片，分成5組，每組1000片。激光摻雜設(shè)備選用波長為532 nm的納秒脈沖激光器，且激光掃描圖形選用120 μm×120 μm的方形光斑，摻雜時激光頻率分別設(shè)置為140、180、220、260、300 kHz；分別對5組實驗樣品進行掃描，形成寬度為120 μm的重摻雜區(qū)。本實驗除激光頻率不同外，其余實驗條件和控制標(biāo)準(zhǔn)均相同。

2.2.2 實驗結(jié)果與討論

激光頻率不同導(dǎo)致激光光斑在硅片上的間距存在差異，從而引起PSG中磷原子在硅片表面擴散的程度存在差異；激光頻率越小，激光光斑的間距越小，甚至存在重疊的現(xiàn)象。當(dāng)激光頻率為140 kHz時，激光光斑基本上處于重疊狀態(tài)，相當(dāng)于硅片上進行了2次激光；當(dāng)激光頻率為220 kHz時，激光光斑正好處于緊密連接狀態(tài)，相當(dāng)于在硅片表面重摻區(qū)進行了一次飽滿激光；當(dāng)激光頻率大于220 kHz時，激光光斑處于不連續(xù)分布狀態(tài)。不同激光頻率時硅片表面的激光光斑間距形貌如圖4所示。

圖4 不同激光頻率時硅片表面的激光光斑間距形貌圖Fig. 4 Morphology of laser spot spacing on silicon wafer surface with different laser frequencies

從圖4中可以看出，當(dāng)激光頻率為140 kHz時，激光光斑之間的重合度為50%；當(dāng)激光頻率為180 kHz時，激光光斑之間的重合度為20%～30%；當(dāng)激光頻率為220 kHz時，激光光斑之間的重合度達到0%，即激光光斑緊密排列；當(dāng)激光頻率為260 kHz時，激光光斑之間的間距為10%；當(dāng)激光頻率為300 kHz時，激光光斑之間的間距為20%。

采用四探針測試儀測試以不同激光頻率摻雜SE后重摻雜區(qū)的方塊電阻變化情況，具體如表2所示。

表2 不同激光頻率摻雜后對硅片方塊電阻和電池串聯(lián)電阻的影響Table 2 Influence of different laser frequencies on silicon square resistance and solar cell series resistance

結(jié)合圖4和表2可以看出，隨著激光頻率的增加，摻雜后硅片的方塊電阻逐漸升高；當(dāng)激光頻率超過220 kHz后，電池的Rs呈現(xiàn)急劇上升趨勢。該現(xiàn)象的產(chǎn)生原因是激光頻率在140 kHz時，激光光斑對硅片表面進行重復(fù)掃描，導(dǎo)致磷原子在硅片表面的摻雜較多，使重摻區(qū)的方塊電阻值處于較低水平，進而金屬電極與發(fā)射極之間可形成良好的歐姆接觸，使電池Rs處于較低水平。當(dāng)激光頻率上升到220 kHz以上時，隨著激光頻率繼續(xù)增加，激光光斑在硅片表面的掃描處于逐漸分離狀態(tài)，從而導(dǎo)致?lián)诫s磷原子在硅片表面的擴散深度和濃度隨之減少，進而摻雜后的方塊電阻值明顯升高，高方塊電阻的重摻區(qū)與金屬柵線未形成良好的歐姆接觸，導(dǎo)致電池的Rs明顯升高。

以不同的激光頻率在硅片表面制備SE，觀察SE+PERC單晶硅太陽電池的電性能變化情況，具體如圖5所示。

圖5 不同激光頻率時電池的電性能情況Fig. 5 Electrical performance of solar cells at different laser frequencies

由圖5可知，在激光頻率小于220 kHz時，電池的Eta變化幅度較小，基本保持平穩(wěn)。原因是在此激光頻率范圍內(nèi)，電池的正面電極區(qū)域進行了充分摻雜，可形成良好的歐姆接觸，進而電池的FF和Isc可以保持較高水平。當(dāng)激光頻率大于220 kHz時，電池的Eta急劇下降，這是因為激光頻率超過220 kHz時，在電池的電極接觸區(qū)域未進行充分的摻雜，形成的重摻區(qū)出現(xiàn)間斷，且隨著激光頻率的升高，間斷區(qū)域增加，從而導(dǎo)致電池的Rs增大，進而引起FF和Isc逐漸降低，因此電池的Eta在激光頻率大于220 kHz后，出現(xiàn)了急劇下降的現(xiàn)象。綜上，激光的頻率與激光的速度有關(guān)，激光頻率越低表明速度越慢，考慮到激光設(shè)備的產(chǎn)能問題，在確保電池電性能穩(wěn)定的情況下，產(chǎn)能最佳時的速度對應(yīng)的激光頻率為220 kHz。

2.3 燒結(jié)峰值溫度對電池電性能的影響

2.3.1 燒結(jié)工藝設(shè)計

在初始方塊電阻為120 Ω/□、摻雜時激光頻率為220 kHz的條件下，燒結(jié)峰值溫度分別設(shè)置為785、790、795、800、805、810 ℃，得到6組不同燒結(jié)工藝制備的電池，每組電池為1000片，除燒結(jié)峰值溫度外，其余燒結(jié)溫度控制點均相同，燒結(jié)爐的帶速均為6000 mm/min。

2.3.2 實驗結(jié)果與討論

圖6為不同燒結(jié)峰值溫度時電池的電性能情況。

圖6 不同燒結(jié)峰值溫度時電池的電性能情況Fig. 6 Electrical performance of solar cells at different sintering peak

由圖6可知，在燒結(jié)峰值溫度為790 ℃時，電池的Eta最佳。燒結(jié)峰值溫度較低于790 ℃時，F(xiàn)F較低，這是因為在較低燒結(jié)溫度下，漿料和硅片的反應(yīng)速率較慢，燒結(jié)不夠充分，導(dǎo)致電池表面的減反射鈍化膜未被完全腐蝕穿透，同時由于漿料中銀顆粒溶入到玻璃粉的量減少，導(dǎo)致在隨后的冷卻過程中重結(jié)晶的銀微晶變少，因此電極與硅基體之間未能形成良好的歐姆接觸，導(dǎo)致電池的接觸電阻較大，從而引起Rs升高，進而電池的FF下降[10-11]。在燒結(jié)峰值溫度高于790℃時，Isc、Voc和FF均呈下降趨勢，這是因為燒結(jié)溫度過高時，漿料和硅片的反應(yīng)速率過快，發(fā)射結(jié)被較為嚴重地刻蝕，同時存在較大的銀微晶析出，均易導(dǎo)致發(fā)射結(jié)燒穿，產(chǎn)生分流漏電。

3 結(jié)論

采用激光摻雜方式在硅片表面形成SE，有利于提升PERC單晶硅太陽電池的電性能。本文在現(xiàn)有SE研究的基礎(chǔ)上，使用光伏產(chǎn)業(yè)當(dāng)前電池生產(chǎn)的主流設(shè)備，通過調(diào)節(jié)初始方塊電阻、激光頻率和燒結(jié)峰值溫度，研究了不同情況下電池的電性能，得到以下結(jié)論：

1)在激光頻率為220 kHz時，激光在硅片表面形成的激光光斑連續(xù)且不重疊，此時電池的Eta最佳，可在不影響產(chǎn)能的情況下設(shè)置成該激光頻率。

2)在初始方塊電阻選用120 Ω/□時，達到現(xiàn)有設(shè)備高方塊電阻均勻性的極限值。當(dāng)初始方塊電阻大于120 Ω/□時，硅片表面的方塊電阻均勻性變差，導(dǎo)致電池的FF和Eta急劇下降，但Voc隨著方塊電阻值的增加持續(xù)上升。因此，今后在擴散設(shè)備高方塊電阻穩(wěn)定性提升的情況下，可持續(xù)提升硅片的方塊電阻，進而可提升電池的Eta。

3)燒結(jié)峰值溫度選用790 ℃時，電池可獲得最佳的歐姆接觸，且對硅片表面的少子壽命影響較小，因而在此燒結(jié)峰值溫度下可獲得最佳的Eta。