高效PERC单晶硅太阳电池局部背表面场的工艺研究

 无可救药      

目前,钝化发射极和背面电池(PassivatedEmitter and Rear Cell,PERC) 技术已成为光伏行业中提升晶硅太阳电池转换效率的主流高效技术。PERC 技术是通过在硅片的背面增加一层钝化层( 氧化铝或氧化硅),对硅片起到钝化的作用,可有效提升少子寿命。为了防止钝化层被破坏,影响钝化效果,还会在钝化层外面再镀一层氮化硅层[1-3]。PERC 技术中引入的背面钝化可将电池背表面载流子的复合速率降至 50 cm/s 以下[4],表面悬挂键降至1011 eV•cm2 以下[5],因而可改善电池背面复合,提升电池的少子寿命。此外,PERC 单晶硅太阳电池的背面叠层钝化膜起到了背反射器的作用,可将更多的长波长的光反射回电池,从而提升电池的长波响应。但是由于PERC 单晶硅太阳电池的背钝化层为绝缘层,无法与铝背场形成电极通路,因而,需要通过激光在硅片背面开槽,形成PERC 单晶硅太阳电池的局部背表面场(local back surface field,LBSF)[6]。


现阶段激光开槽通常选用波长为532 nm 的激光器,可将背面表层的一部分氮化硅层消融( 这个过程也称为激光开槽过程),之后在硅片的背面完成浆料印刷,并进行高温烧结。由于在激光开槽区域无氮化硅层的阻挡,铝浆可直接穿透钝化层和硅接触,并在高温烧结条件下,与硅基体形成铝硅合金,从而降低串联电阻,顺利导出电流。


背面激光开槽区域的面积( 即钝化层被破坏的面积) 对PERC 太阳电池的钝化效果有着决定性的影响,从理论上来讲,激光开槽区域的面积越小,对钝化层的破坏就越小,少子寿命就越高,开路电压也就越高。但同时激光开槽区域的面积又不能过小,若开槽区域的面积太小,在高温烧结的过程中,铝浆无法完全渗透激光开槽区域,即无法将开槽区域填满,会形成所谓的空洞,那么空洞区域就无法形成良好的铝硅接触,会影响串联电阻和填充因子,继而影响电池的转换效率。


目前,行业内对PERC 单晶硅太阳电池背面激光图形的研究已有较多报道。黎剑骑等[7] 发明了在电池背面采用直线开槽区和线段开槽区共存且直线开槽区和线段开槽区间断排列的激光开槽图形方式。郁东旺等[8-9] 发明了线段开槽与点孔开槽方式结合的图形,包括点孔与间断线段对应排列和错位排列的方式。这些图形均是为了保留更多的钝化膜区域面积,减少对背钝化层的破坏作用;同时,又能够改善因线段开槽所引起的铝硅接触电阻大的问题,从而提高了PERC 单晶硅太阳电池的开路电压和短路电流,进而最终提升了电池的转换效率。


本文对目前已有的激光图形进行实验验证对比,探索可使PERC 单晶硅太阳电池获得最佳电性能的激光参数设置和激光图形,并结合电性能的变化进行分析。


1 实验介绍


本文实验的原材料采用太阳能级掺硼p 型金刚线切割单晶硅片作为衬底, 尺寸为156mm×156 mm,厚度为180——200 μm,电阻率范围为1——3 Ω•cm。


共设计了激光速度和激光实线比的正交实验、不同激光开槽间距对比实验、电池的背电极激光镂空与激光填满对比实验3 个实验。PERC单晶硅太阳电池的背面激光图形如图1 所示。其中,d1 为相邻2 条激光开槽线的间距;d2 为激光扫描距离;d3 为1 个激光扫描周期距离。



实验均采用德国Halm 测试仪来表征电池的电学性能,采用奥林巴斯显微镜来观察硅片表面的激光光斑扫描形貌和电池的背面铝浆填充率变化情况。


2 实验结果与讨论


2.1 激光速度和激光实线比的正交实验


PERC 单晶硅太阳电池的背面激光开槽位置的铝浆填充率会直接影响电池的转换效率,而电池的背面铝浆填充率由激光速度和激光光斑在电池背面扫描的实线比( 下文简称“激光实线比”) 这2 个参数共同控制。激光实线比即图1中d2 与d3 的比值。激光速度会引起激光扫描光斑的间距发生变化,因而,激光速度的差异会造成激光光斑之间出现相交、相切和相离的状态。因激光速度变化产生的激光光斑位置变化如图2 所示。激光光斑的位置差异对浆料印刷的填充会造成一定影响。



张金花等[10] 研究了不同激光速度产生的激光光斑位置关系与铝浆的延展腐蚀性能之间的匹配关系,结果表明:当铝浆的延展腐蚀性强时,对应的激光光斑位置为相离;当铝浆的延展腐蚀性弱时,对应的激光光斑位置为相交;当铝浆的延展腐蚀性适中时,对应的激光光斑位置为相切。激光速度与激光实线比直接共同影响了铝浆与硅基体的接触比例,从而影响了PERC 单晶硅太阳电池的接触电阻。


激光速度和激光实线比共同影响了铝浆和硅基体的接触比例,本文采用正交实验得出不同激光速度和不同激光实线比情况下电池背面的铝浆填充率的变化情况。


2.1.1 实验设计


激光开槽设备选用波长为532 nm 的纳秒脉冲激光器,且激光扫描选用直径为35 μm 的圆形光斑。如前文所述,激光的速度会影响激光光斑之间的距离,因速度差异可能出现光斑相交、相切和相离3种状态。因此,本实验中激光速度分别选择14000、16000、18000、20000 和22000m/s,激光光斑在电池背面扫描的实线比分别选择10%、30%、50%、70% 和90%。


对激光速度和激光实线比这2个参数进行正交实验,共计25个实验,其中每个实验选择100片实验电池。激光开槽后的PERC 单晶硅太阳电池经过丝网印刷和烧结工序后,再对烧结后的电池背面的激光孔洞铝浆填充率进行统计。通过正交实验的统计结果,可得出不同激光速度和不同实线比条件下电池背面的铝浆填充率。


背面铝浆填充率直接影响了电池的欧姆接触,从而影响了电池的填充因子和短路电流。铝浆填充率的计算方式为背面激光位置经过印刷烧结后,在激光位置处填满铝浆的激光光斑的数量与激光光斑总数量的比值。


然后再根据正交实验结果,选择背面铝浆填充率分别为15%、25%、35%、45% 和55% 时的激光条件设置,即对应的激光速度和激光实线比进行对比实验,每组实验选择1000 片实验电池,共5000 片实验电池。


本实验除电池背面的铝浆填充率不同外,其余各道工序的实验条件和控制标准均相同。


2.1.2 激光速度和激光实线比对电池电性能的影响


从图2的不同激光速度引起的激光光斑位置的差异可以看出,当激光速度在18000 m/s 以下时,激光光斑处于相交的状态;当激光速度为18000 m/s 时,激光光斑处于相切的状态;当激光速度大于18000 m/s 时,激光光斑处于相离的状态。不同激光速度和不同激光实线比进行正交实验得到的背面铝浆填充率如表1 所示,表中横向为激光实线比变化,纵向为激光速度变化。正交实验的结果是基于目前的产线和所使用的浆料水平这一前提下得出的。



从表1中可以看出,在激光速度确定的情况下,随着激光实线比的逐渐增加,背面铝浆填充率也在逐渐增加;在激光实线比确定的情况下,随着激光速度的增加,背面铝浆填充率逐渐降低。


根据表1中背面铝浆填充率的实验结果,选择15%、25%、35%、45% 和55% 这5 组不同的背面铝浆填充率对应的激光速度和激光实线比进行实验电池的电性能对比实验。PERC 单晶硅太阳电池在不同背面铝浆填充率情况下对应的电性能变化趋势如图3 所示。



从图3可以看出,随着背面铝浆填充率的增大,电池的开路电压逐渐降低,填充因子逐渐增大,短路电流的变化幅度较小,电池转换效率呈现先增大后减小的趋势;当背面铝浆填充率较低时,填充因子和电池转换效率较小。经过分析发现,在电池各项电性能数据中,当背面铝浆填充率较低时,电池的填充因子明显较低,导致电池的转换效率较低。这是由于背面铝浆填充率的减小直接影响了铝浆和硅基体的欧姆接触,从而影响了电池的串联电阻,进而导致填充因子降低;当背面铝浆填充率增加时,相应的激光开槽的量增加,从而增加了电池背面的缺陷复合中心数量,引起了开路电压和短路电流的降低,尤其是开路电压的降低更明显。因此,要综合考虑开路电压和填充因子的变化,选择更有利于提高电池转换效率的背面铝浆填充率。


分析图中数据可知,当背面铝浆填充率为35% 时,电池的转换效率较高;再根据表1 中不同激光速度和不同激光实线比的正交实验结果,得到最佳激光设置组合为:激光速度选择16000m/s、激光实线比选择50%。


2.2 不同激光开槽间距对比实验


2.2.1 实验设计


在设置激光速度为16000 m/s 和激光实线比为50% 基础上,对激光开槽线之间的不同间距进行对比实验。实验以相邻2 条激光开槽线之间的间距d1( 下文简称“激光开槽间距”) 为变量,将其分别设置为975、1075、1175、1275 和1375 μm,研究不同激光开槽间距对电池电性能的影响,并确定最佳的激光开槽间距。实验选用5000 片背钝化后的硅片进行对比实验,共分成5 组,每组1000 片。本实验除激光开槽间距不同外,其余实验条件和控制标准均相同。


2.2.2 激光开槽间距对电池电性能的影响


不同激光开槽间距对应的电池电性能变化趋势如图4 所示。



从图4 可以看出,随着激光开槽间距的增大,开路电压逐渐增加,短路电流也逐渐增加,填充因子则不断降低。经过分析发现,开路电压和短路电流随激光开槽间距的增大而增大,这是由于当激光开槽间距逐渐增大时,电池背面的激光消融面积逐渐减少,则电池背面的钝化面积相对地逐渐增加,因而电池背面的缺陷复合中心逐渐减少,从而导致开路电压和短路电流逐渐增加。当激光开槽间距不断增大时,填充因子逐渐降低,这是由于当激光开槽间距逐渐增大时,电池背面铝浆与硅基体的接触面积逐渐减少,从而导致串联电阻逐渐增加,进而引起填充因子逐渐下降。因此经过综合考虑,当激光开槽间距为1275 μm 时,电池的转换效率最佳。


2.3 电池的背电极激光镂空与激光填满对比实验


PERC 单晶硅太阳电池背面激光开槽比例综合影响了电池背面的缺陷复合中心和电池背面欧姆接触,因此为降低电池背面的缺陷复合中心,需在不影响电池背面欧姆接触的情况下,尽可能的降低电池背面的激光开槽比例。


2.3.1 实验设计


针对背电极是否被激光开槽覆盖设计了2 组实验,A 组实验为背电极激光填满设计,背电极被激光开槽覆盖,即在背电极位置进行与其他位置相同的激光开槽设计;B 组实验为背电极激光镂空图形设计,即在背电极位置未进行激光开槽,未被激光开槽覆盖,处于镂空状态。每组实验选择5000 片硅片,2 组实验除背电极位置激光开槽设计存在差异外,其余实验条件和控制标准均相同。


2.3.2 电池背电极激光镂空与激光填满对电池电性能的影响


背电极激光填满和镂空时,电池电性能的变化情况如表2 所示。



从表2 中可以看出,当电池的背电极为激光镂空图形设计时,相比于电池背电极为激光填满设计时,短路电流有所增加,但是填充因子会略微降低。这是由于银浆烧结穿透钝化膜的能力强于铝浆对背面钝化膜的穿透能力,当电池背面背电极为激光镂空图形设计( 即在背电极位置未进行激光开槽) 时,相对于背电极激光填满设计,背表面的缺陷复合中心相对减少,进而短路电流增加,但是背电极位置的欧姆接触几乎不受影响。因此电池背电极采用激光镂空图形设计更有利于提高电池的转换效率,转换效率的提升约为0.06%。


3 结论


PERC 单晶硅太阳电池背面激光开槽区域的面积( 即钝化层被破坏的面积) 对PERC 单晶硅太阳电池的钝化效果有着决定性的影响,从而影响电池转换效率。本文通过对比不同激光速度、激光实线比和背面激光图形对电池电性能的影响,探索出更有利于提高电池转换效率的激光工艺。根据实验结果,电池背面铝浆填充率为35%时,可得到较高的电池转换效率;同时,根据正交实验反推,激光速度最优选16000 m/s,激光实线比最优选50%;根据激光开槽间距的实验结果,激光开槽间距为1275 μm 时,电池转换效率最佳;根据背电极是否采用激光镂空的实验结果,在电池背面背电极采用激光镂空图形设计的条件下,电池的转换效率最佳。综合分析原因,当激光开槽区域的面积越小时,对钝化层的破坏就越小,则缺陷复合中心就越少,相应的少子寿命就越高,因而开路电压也就越高。若激光开槽面积过小,在高温烧结的过程中,铝浆就无法完全渗透激光开槽区域,会形成空洞,而空洞比例的增加会导致无法形成良好的欧姆接触,从而影响串联电阻,导致填充因子降低,继而影响电池的转换效率。因此,要综合考虑各项电性能参数的变化情况,选择最佳激光速度、激光实线比和激光开槽间距等参数设置背面激光图形。


需要说明的是,该实验是基于目前的设备和浆料水平得到的实验结果,随着铝浆烧结穿透能力的提升,激光参数设置和激光图形可能会随之发生变化。


来源:太阳能杂志,北极星太阳能光伏网

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