李 明，趙志然，姬常曉

(湖南紅太陽光電科技有限公司，長沙 410000)

0 引言

與傳統(tǒng)的航空、航天飛行器相比，臨近空間飛行器能執(zhí)行遠(yuǎn)程投送、預(yù)警、偵察、戰(zhàn)場監(jiān)視、導(dǎo)航等重要任務(wù)。以平流層飛艇、太陽能無人機(jī)為代表的臨近空間飛行器非常適合作為對(duì)地觀測、區(qū)域預(yù)警和通信等的新型信息平臺(tái)。目前，臨近空間飛行器已成為國內(nèi)外軍工研究的新熱點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)飛行器的長時(shí)間駐空飛行，通常是采用在飛行器囊體表面鋪設(shè)太陽電池的方式來為飛行器不間斷的提供能量。而飛行器的載重、表面曲面結(jié)構(gòu)、可鋪設(shè)面積，以及高空的太陽高能輻照環(huán)境等客觀因素，均對(duì)太陽電池的性價(jià)比、功率質(zhì)量比、彎曲可靠性和環(huán)境適應(yīng)性提出了較為苛刻的要求。

鑒于航天領(lǐng)域特殊的太陽高能輻照環(huán)境，太陽電池的抗太陽高能輻照能力就顯得尤為重要。最早應(yīng)用于航天飛行器的是n型晶體硅太陽電池，但在1963年，Bell實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)在太陽高能輻照(主要是高能電子和質(zhì)子)下，n型晶體硅太陽電池的性能衰減嚴(yán)重，其穩(wěn)定后的光電轉(zhuǎn)換效率低于類似結(jié)構(gòu)的p型晶體硅太陽電池[1]。因此，p型晶體硅太陽電池成為航天領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)先選擇。直到21世紀(jì)初期，砷化鎵(GaAs)太陽電池技術(shù)取得突破性進(jìn)展，該類太陽電池以高光電轉(zhuǎn)換效率、耐太陽高能輻照、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)成為航天領(lǐng)域應(yīng)用太陽電池的首選。這為p型晶體硅太陽電池在不同飛行高度飛行器上的應(yīng)用指明了方向。

相較于地面太陽光譜(AM1.5)，臨近空間太陽光譜(AM0)中的短波紫外線占比較高，因此，提高應(yīng)用于臨近空間的太陽電池的短波光譜響應(yīng)是提高其光電轉(zhuǎn)換效率的重要方式，而選擇性發(fā)射極(SE)技術(shù)有助于提高太陽電池的短波光譜響應(yīng)。

在薄硅太陽電池研發(fā)方面，1984年，Tiedje等[2]通過數(shù)學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，采用厚度為100 μm硅片的太陽電池的最大理論光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到29.8%。2000年，日本三洋公司開發(fā)了可應(yīng)用于航天領(lǐng)域的p型薄硅片太陽電池，其采用的硅片厚度為75 μm，該類太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到16.7%[3]。2003年，Kerr等[4]通過仿真發(fā)現(xiàn)，采用厚度約為100 μm的硅片制備的太陽電池可達(dá)到的最高理論光電轉(zhuǎn)換效率為28.5%。2012年，德國哈梅林太陽能研究所(ISFH)由厚度為43 μm的硅片制備得到的太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了19.3%[5]。2015年，基于目前已產(chǎn)業(yè)化的PERC技術(shù)，ISFH采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式發(fā)現(xiàn)，采用“SE+PERC”技術(shù)時(shí)，太陽電池的發(fā)射極方阻可達(dá)到160 Ω/□，其光電轉(zhuǎn)換效率可以突破24%[6]。2015年，中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所制備出的p型晶體硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率約為19%，其采用的硅片厚度為120 μm；該太陽電池率先搭載在國內(nèi)首艘“圓夢(mèng)號(hào)”平流層飛艇上，性能可靠性得到了驗(yàn)證。

綜上所述可知，在未全面了解臨近空間太陽輻照特性的情況下，從產(chǎn)業(yè)化性價(jià)比和安全可靠性的角度考量，以p型薄硅片為襯底的“SE+PERC”太陽電池技術(shù)是較為合適的技術(shù)路徑。

本文根據(jù)高空飛行器對(duì)太陽電池的更高功率質(zhì)量比和更為可靠的要求，結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者對(duì)采用薄硅片的太陽電池的基礎(chǔ)理論分析和實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，依托p型PERC單晶硅太陽電池的產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)，制備了具有更高光電轉(zhuǎn)換效率的采用薄單晶硅片的“SE+PERC”太陽電池(下文簡稱為“薄硅‘SE+PERC’太陽電池”)，并分析了關(guān)鍵工藝參數(shù)改變對(duì)該類太陽電池電性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 薄硅“SE+PERC”太陽電池的制備過程

本實(shí)驗(yàn)采用直徑為200 mm的p型CZ單晶硅棒，電阻率為1.5 Ω·cm；利用金剛線切割技術(shù)，通過有針對(duì)性的改變布線主輥的間距，得到尺寸為156 mm×156 mm、厚度為100 μm的單晶硅片；然后以該單晶硅片為襯底制備薄硅“SE+PERC”太陽電池。薄硅“SE+PERC”太陽電池的制備工藝流程及其結(jié)構(gòu)分別如1、圖2所示。

圖1 薄硅“SE+PERC”太陽電池的制備工藝流程Fig. 1 Process flow of thin silicon “SE+PERC”solar cells

圖2 薄硅“SE+PERC”太陽電池的結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of thin silicon“SE+PERC”solar cells

薄硅“SE+PERC”太陽電池制備工藝每個(gè)流程的控制要點(diǎn)包括：

1)表面制絨：此類太陽電池的單晶硅制絨工藝采用了常規(guī)KOH溶液與異丙醇(IPA)溶液相結(jié)合的刻蝕液，并增加了硅片的插片間距，適度降低了制絨過程中的鼓泡速率，以便得到反射率一致的均勻結(jié)構(gòu)的絨面。

2)低壓擴(kuò)散：太陽電池發(fā)射極常規(guī)的方阻平均值為70～80 Ω/□，為有效提高此類太陽電池的短波光譜響應(yīng)，對(duì)低壓擴(kuò)散工藝進(jìn)行了改進(jìn)，使此類太陽電池發(fā)射極的方阻平均值達(dá)到130～140 Ω/□。

3)激光摻雜：此類太陽電池的激光摻雜采用納秒級(jí)532 nm綠光激光器，優(yōu)化了脈沖頻率、掃描速率和激光器輸出功率之間的匹配性，利用激光熱效應(yīng)使柵線摻雜區(qū)方阻值達(dá)到40～60 Ω/□。

4)背面刻蝕：用濃度為20%、溫度為55～65 ℃的四甲基氫氧化銨(TMAH)溶液對(duì)硅片背面絨面進(jìn)行預(yù)處理，然后去除背面絨面，經(jīng)酸洗去除磷硅玻璃(PSG)后，再利用烘干箱烘干硅片表面的水跡。

5)氧化退火：此類太陽電池的氧化溫度設(shè)為680～740 ℃、退火時(shí)間為30 min。

6)表面鍍膜：利用板式PECVD設(shè)備在硅片背面制備Al2O3/SiNx鈍化膜，采用管式PECVD設(shè)備在硅片前表面制備SiNx鈍化膜。

7)激光開膜：利用納秒級(jí)532 nm綠光激光器在硅片背面鈍化膜上形成陣列式線狀開膜圖形，并結(jié)合印刷燒結(jié)工序后太陽電池的填充因子和電性能情況來得到最佳的激光開膜結(jié)構(gòu)。

8)印刷燒結(jié)：此類太陽電池制備時(shí)優(yōu)化了網(wǎng)版對(duì)位精度，使電極細(xì)柵漿料印刷在對(duì)應(yīng)的激光摻雜區(qū)域。

在完成上述工序后，利用I-V測試儀對(duì)太陽電池進(jìn)行功率分檔。

相較于常規(guī)的PERC太陽電池，薄硅“SE+PERC”太陽電池的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

1) SE工藝提高了太陽電池在短波波段的光譜響應(yīng)；

2)改進(jìn)了硅片背面的拋光工藝和激光開膜的結(jié)構(gòu)，使該類太陽電池的光學(xué)損失達(dá)到了最?。?/p>

3)硅片越薄，生產(chǎn)過程中的碎片率就會(huì)越高，為有效降低碎片率，對(duì)該類太陽電池制備過程中的關(guān)鍵工藝進(jìn)行了有針對(duì)性的改進(jìn)，使生產(chǎn)過程中的碎片率降至10%以內(nèi)。

1.2 測試儀器

采用D8SR太陽能積分式反射儀測量硅片表面的反射率；采用面掃描Cresbox四探針測試儀測量硅片擴(kuò)散工藝后發(fā)射極的方阻；采用PV Measurement設(shè)備測試太陽電池的量子效率QE；采用Berger太陽電池測試系統(tǒng)測量太陽電池的I-V特性，測試條件為模擬太陽光譜AM1.5G，太陽電池溫度校準(zhǔn)至25 ℃。

2 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果討論

實(shí)驗(yàn)通過改變薄硅“SE+PERC”太陽電池制備過程中關(guān)鍵工藝的參數(shù)，分析工藝參數(shù)改變對(duì)該類太陽電池電性能的影響，以得到最佳的薄硅“SE+PERC”太陽電池制備工藝。

2.1 激光摻雜SE工藝對(duì)摻雜效果的影響

激光摻雜SE工藝主要是利用激光輻照在硅片表面產(chǎn)生熱效應(yīng)，從而使磷硅玻璃瞬間升溫、熔融，在高溫下磷(P)原子向硅片發(fā)射極擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)局域摻雜的工藝。

薄硅“SE+PERC”太陽電池的激光摻雜工藝采用中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所的納秒級(jí)532 nm綠光激光器，該激光器的波長為532 nm，光斑直徑為30 μm。受設(shè)備性能限制，該激光器的脈沖寬度無法調(diào)節(jié)，可調(diào)節(jié)的參數(shù)僅有輸出功率、掃描速率和脈沖頻率，而這3個(gè)參數(shù)共同決定了激光脈沖的能量密度。該激光器的輸出為脈沖式圓形光斑，根據(jù)激光摻雜經(jīng)驗(yàn)，為使硅片的摻雜區(qū)域形成面摻雜，光斑重疊率需要達(dá)到20%～80%。

選取經(jīng)過低壓擴(kuò)散工藝后平均方阻為130 Ω/□、片內(nèi)方阻值極差小于等于12 Ω/□、厚度為100 μm的硅片1000片作為實(shí)驗(yàn)樣品，將激光器的掃描速率設(shè)置為20000 mm/s，脈沖頻率分別設(shè)置為800、1000、1200、1400、1600 kHz，激光器輸出功率在18～23 W之間調(diào)節(jié)；每次的激光摻雜SE工藝均形成尺寸為100 mm×100 mm的方格。激光摻雜SE工藝結(jié)束后在每片硅片上均選取5個(gè)點(diǎn)測試其方阻，然后以批間方阻的平均值作為該工藝參數(shù)設(shè)置下的激光摻雜結(jié)果。具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，當(dāng)激光器的掃描速率設(shè)置為20000 mm/s時(shí)，在激光器輸出功率不高于21 W的條件下，方阻值隨脈沖頻率的增大而減小。這主要是因?yàn)榧す夤獍咧丿B率隨著脈沖頻率的增大而增大，同個(gè)摻雜區(qū)域受瞬間二次激光摻雜的比例也隨之增大，激光的二次輻照會(huì)增大受光區(qū)域的溫度和延遲熔融時(shí)間，從而增加高濃度P原子向硅片發(fā)射極的擴(kuò)散程度，增大發(fā)射極結(jié)深，導(dǎo)致方阻值降低。

圖3 不同激光摻雜SE工藝參數(shù)設(shè)置下方阻的變化曲線Fig. 3 Variation curve of block resistance under different laser doping SE process parameters

當(dāng)脈沖頻率大于等于1200 kHz且激光器輸出功率大于21 W時(shí)，隨著激光器輸出功率的增大，易產(chǎn)生方阻值增大的現(xiàn)象。這主要是因?yàn)榧す夤獍叩哪芰糠母咚狗植?，激光光斑重疊率越高，激光器二次激光輻照區(qū)域的能流密度就越高，輸出功率增大到一定程度后，激光輻照的摻雜區(qū)域的溫度會(huì)瞬間升高并會(huì)超過閾值，導(dǎo)致?lián)诫s區(qū)域的離化等離子體揮發(fā)，從而產(chǎn)生刻蝕凹槽現(xiàn)象，發(fā)射極因表面濃度降低而出現(xiàn)方阻值增大的情況。

2.2 激光摻雜SE工藝對(duì)“SE+PERC”太陽電池性能的影響

為研究SE工藝對(duì)PERC太陽電池性能的影響，利用湖南紅太陽光電科技有限公司現(xiàn)有的PERC太陽電池生產(chǎn)線制備PERC太陽電池，然后在PERC太陽電池制備工藝的基礎(chǔ)上增加激光摻雜SE工藝，制備“SE+PERC”電池。這2種太陽電池均采用厚度為180 μm的常規(guī)厚度硅片。在制備過程中，“SE+PERC”太陽電池?cái)U(kuò)散工藝后的平均方阻為130 Ω/□，摻雜區(qū)的細(xì)柵寬度設(shè)為150 μm，網(wǎng)版細(xì)柵寬度為30 μm；氧化溫度設(shè)為700 ℃、退火時(shí)間設(shè)為30 min。

在PERC太陽電池的激光摻雜SE工藝過程中，激光器的掃描速率設(shè)置為20000 mm/s，頻率設(shè)為1000 kHZ，激光器輸出功率分別設(shè)為20.0、20.5、21.0、21.5、22.0、22.5 W。制備6組“SE+PERC”太陽電池樣品，每組20片，然后對(duì)每組樣品的性能測試結(jié)果求平均值。PERC太陽電池與“SE+PERC”太陽電池的性能測試結(jié)果如表1所示。

表1 PERC太陽電池與“SE+PERC”太陽電池的性能測試結(jié)果Table 1 Performance test results of PERC solar cells and“SE+PERC”solar cells

由表1可知，SE工藝及激光器輸出功率均會(huì)對(duì)太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生較大影響，在這2個(gè)因素共同影響下，“SE+PERC”太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率最大可提高0.3%，達(dá)到21.50%。在激光器輸出功率小于等于21.5 W的情況下，由于采用高擴(kuò)散方阻工藝，“SE+PERC”太陽電池的Voc和Isc均有一定幅度的提高，這是因?yàn)椤癝E+PERC”太陽電池?fù)诫s區(qū)域發(fā)射極的表面濃度高于PERC太陽電池的，降低電極的接觸電阻以降低電池的串聯(lián)電阻，從而使Voc和Isc得到提高。

當(dāng)激光器輸出功率大于21.5 W時(shí)，“SE+PERC”太陽電池的Eta、Voc和Isc均明顯降低。這主要是因?yàn)椋?)激光器的高輸出功率將導(dǎo)致結(jié)深內(nèi)摻雜區(qū)域的摻雜濃度過大，在一定程度上形成 “死層”，從而造成發(fā)射極和較淺的基區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子在橫向傳輸至激光摻雜區(qū)域內(nèi)的細(xì)柵接觸區(qū)時(shí)就已被復(fù)合，導(dǎo)致其并未傳輸至接觸電極；2)擴(kuò)散工藝后發(fā)射極的表面濃度本應(yīng)服從余誤差函數(shù)分布，但激光器的輸出功率使其變?yōu)楦咚狗植?，而且激光的能量密度越大，P原子的表面濃度越小，從而導(dǎo)致電極的接觸電阻變大。

2.3 不同拋光效果下薄硅“SE+PERC”太陽電池的IQE測試

太陽光譜的波長與其在硅片內(nèi)的穿透深度呈非比例化正相關(guān)，波長為1000 nm的紅外光在硅片內(nèi)的有效穿透深度(紅外光的能量降為初始值的1/e，e為自然常數(shù))超過100 μm，而對(duì)于該厚度的硅片，很大比例的紅外光極易穿透硅片，從而被損失掉。

對(duì)于厚度為100 μm的薄硅片，若采用“鏈?zhǔn)綕穹涛g機(jī)對(duì)硅片進(jìn)行背面拋光，且刻蝕液采用HF/HNO3體系，硅片酸洗后采用強(qiáng)氣流吹氣方式去除其表面水跡，并將金字塔絨面在拋光后的表面反射率控制在30%以內(nèi)”的流程，這一流程將無法有效提高硅片的拋光效果，且硅片極易因強(qiáng)氣流而碎裂。因此，可在加熱槽中采用濃度為20%、溫度為45～60 ℃的TMAH溶液進(jìn)行硅片的背面拋光，而硅片正面在擴(kuò)散工藝下則以其表面的PSG作為TMAH腐蝕時(shí)的阻擋層；然后利用烘干箱對(duì)硅片表面的水跡進(jìn)行烘干，再將硅片制備成金字塔絨面反射率分別為25%、30%、35%、40%、45%的薄硅“SE+PERC”太陽電池；最后采用PV Measurement設(shè)備對(duì)制備得到的太陽電池進(jìn)行內(nèi)量子效率IQE測試，測試結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，當(dāng)波長大于900 nm時(shí)，隨著波長的增大IQE值逐漸降低，但隨著反射率的增大，IQE值也隨之提高，這說明背面拋光效果越好，IQE值越高。

圖4 不同反射率時(shí)，薄硅“SE+PERC”太陽電池的IQE情況Fig. 4 IQE of thin silicon“SE+PERC”solar cells with different reflectivity

2.4 背面拋光效果對(duì)“SE+PERC”太陽電池性能的影響

選取擴(kuò)散工藝后平均方阻值均為130 Ω/□、厚度分別為100、180 μm的硅片各500片。在相同工藝條件下，每片硅片均只進(jìn)行單面擴(kuò)散工藝，并按照前文中的背面拋光工藝使絨面的反射率分別為20%、25%、30%、35%、40%；然后制備成“SE+PERC”太陽電池；根據(jù)絨面的反射率不同，將同種硅片厚度的PERC太陽電池分成5組，每組為 100片，再將這100片均分為10個(gè)小組；最后再分別測試這10個(gè)小組PERC太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率，并取平均值。2種硅片厚度下，硅片背面絨面的反射率與制備得到的太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 2種硅片厚度下，硅片背面絨面的反射率與太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率之間的關(guān)系Fig. 5 Relationship between reflectivity of suede on the back of silicon wafer and photoelectric conversion efficiency of prepared solar cells under two kinds of silicon wafer thicknesses

從圖5中可以看出，在硅片背面絨面的反射率低于25%的條件下，相較于硅片厚度為100 μm時(shí)制備的“SE+PERC”太陽電池，硅片厚度為180 μm時(shí)制備的“SE+PERC”太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率較低。但隨著硅片背面絨面的反射率從25%提高至40%，硅片厚度為180 μm時(shí)制備的“SE+PERC”太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率從20.5%提高至21.0%，提高了0.5%；而相同前提條件下，硅片厚度為100 μm時(shí)制備的“SE+PERC”太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率可從21.25%提升至21.45%，提高約0.2%。綜上可知，提高背面拋光效果可較大程度提高薄硅PERC太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)工藝試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，在拋光效果不佳的條件下利用板式PECVD設(shè)備制備的Al2O3薄膜的鈍化效果也會(huì)受到極大影響，而鈍化效果與太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率有關(guān)，卻基本與硅片厚度無關(guān)。

2.5 薄硅“SE+PERC”太陽電池的性能表征

嚴(yán)格按照上文中薄硅“SE+PERC”太陽電池的制備工藝流程及其制備工藝控制要點(diǎn)，在每道工序都選擇最優(yōu)條件的前提下，進(jìn)行硅片厚度為100 μm的薄硅“SE+PERC”太陽電池的批量生產(chǎn)；然后利用Berger太陽電池測試系統(tǒng)對(duì)批量生產(chǎn)的薄硅“SE+PERC”太陽電池的性能進(jìn)行測試，并求平均值。測試結(jié)果顯示：批量生產(chǎn)的薄硅“SE+PERC”的Eta均值為21.10%、Voc均值為0.6590 V、Isc均值為9.622 A、FF均值為81.28%。批量生產(chǎn)的薄硅“SE+PERC”太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率分布情況如圖6所示。

圖6 薄硅“SE+PERC”太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率分布圖Fig. 6 Distribution of photoelectric conversion efficiency of thin silicon“SE+PERC”solar cells

由圖6可知，批量生產(chǎn)的薄硅“SE+PERC”太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率的分布符合正態(tài)分布。批量生產(chǎn)的薄硅“SE+PERC”太陽電池的Eta均值可達(dá)到21.1%，比產(chǎn)線量產(chǎn)的采用常規(guī)硅片厚度制備的PERC太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率(21.2%)低0.1個(gè)百分點(diǎn)。

3 結(jié)論

本文根據(jù)高空飛行器對(duì)太陽電池更高功率質(zhì)量比和可靠性的要求，依托p型PERC單晶硅太陽電池的產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)，在常規(guī)PERC太陽電池生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上增加了選擇性發(fā)射極(SE)技術(shù)，并嚴(yán)格按照薄硅“SE+PERC”太陽電池制備工藝控制要點(diǎn)，在每道工序都選擇最優(yōu)條件的前提下，批量生產(chǎn)的薄硅“SE+PERC”太陽電池的平均光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到21.1%。此外，本文還針對(duì)常規(guī)HF/HNO3體系溶液對(duì)硅片背面拋光效果差和易產(chǎn)生碎片的問題，改為采用TMAH溶液進(jìn)行拋光，硅片背面絨面的反射率可達(dá)到40%，有效提高了“SE+PERC”太陽電池在長波段的背面反射率，從而使“SE+PERC”太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率也得到了提高。