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0 引言
為了進(jìn)一步優(yōu)化其生產(chǎn)工藝、提高晶體硅電池片效率、降低生產(chǎn)成本，此前已有諸多研究，20世紀(jì)80年代，澳大利亞新南威爾士大學(xué)光伏實(shí)驗(yàn)室提出了PERC結(jié)構(gòu)太陽電池，打破了當(dāng)時(shí)晶體硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率的記錄，也是目前唯一產(chǎn)業(yè)化的高效太陽電池技術(shù)[1,2]。PERC電池在常規(guī)電池基礎(chǔ)上增加了背面Al2O3/SiNxHy層疊鈍化與激光開孔工藝。利用Al2O3薄膜的場(chǎng)鈍化效應(yīng)與SiNxHy薄膜的氫鈍化效應(yīng)將硅片的有效載流子壽命由10～20μs提高到100～120μs[3,4]，同時(shí)利用激光對(duì)Al2O3/SiNxHy層疊薄膜進(jìn)行局部開孔，使鋁漿能通過孔洞與硅片形成良好的歐姆接觸。本文研究工業(yè)生產(chǎn)中工藝參數(shù)與PERC電池轉(zhuǎn)換效率之間的關(guān)系，分析工藝參數(shù)對(duì)硅片少子壽命的影響，并得出少子壽命與PERC電池轉(zhuǎn)換效率之間的關(guān)系，探討燒結(jié)過程對(duì)PERC電池性能的影響及其內(nèi)在機(jī)理。
1 Al2O3對(duì)硅的鈍化機(jī)理
Al2O3中鋁原子存在兩種配位方式：6個(gè)氧原子的八面體中心位置和4個(gè)氧原子的四面體中心位置。在PECVD生長(zhǎng)的Al2O3薄膜中，這兩種形態(tài)的Al2O3同時(shí)存在[5]。經(jīng)過高溫?zé)崽幚磉^程，八面體結(jié)構(gòu)會(huì)轉(zhuǎn)換為四面體結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生間隙態(tài)氧原子，間隙態(tài)氧原子奪取p型硅中的價(jià)態(tài)電子，形成固定負(fù)電荷，使Al2O3薄膜顯出負(fù)電性，在Al2O3/Si界面產(chǎn)生一個(gè)指向硅片內(nèi)部的界面電場(chǎng)，使載流子可迅速逃離界面，降低界面復(fù)合速率，提高硅片少子壽命[6-8]。2 Al2O3厚度對(duì)電池特性的影響
采用梅耶博格公司的瑪雅2.1設(shè)備來制備Al2O3/SixNy薄膜與背面保護(hù)氮化硅薄膜，高頻信號(hào)發(fā)生器頻率為13.56GHz。所用氣體為三甲基鋁(TMA)、高純氬氣、高純氨氣和高純硅烷，實(shí)驗(yàn)時(shí)反應(yīng)氣體直接通入反應(yīng)腔體內(nèi)，反應(yīng)腔體壓力為10～30Pa，反應(yīng)溫度為300～400℃。正面氮化硅使用中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所PECVD設(shè)備制備，高頻信號(hào)發(fā)生器頻率為40kHz。采用西安隆基M2單晶硅片。使用Sinton公司的WCT120設(shè)備檢測(cè)硅片的少子壽命。使用Despatch公司生產(chǎn)的高溫?zé)Y(jié)爐進(jìn)行高溫快速熱處理。
2.1Al2O3厚度對(duì)硅片少子壽命的影響
為了研究Al2O3薄膜厚度對(duì)硅片少子壽命的影響，我們制備了不同厚度的Al2O3薄膜，保護(hù)SixNy薄膜的厚度為100nm，折射率為2.1，正面SixNy厚度為80nm，折射率為2.0。當(dāng)Al2O3鍍膜時(shí)間為60s時(shí)，使用SENTECHSE800型橢偏儀測(cè)試Al2O3厚度為25nm，假定Al2O3薄膜生長(zhǎng)速率恒定，通過調(diào)整鍍膜時(shí)間來調(diào)整Al2O3薄膜厚度。使用Sinton公司的WCT120型少子壽命測(cè)試儀分別測(cè)試快速熱處理前后的少子壽命，快速熱處理溫度曲線采用常規(guī)太陽電池?zé)Y(jié)溫度曲線。結(jié)果如表1所示。
在熱處理前，硅片少子壽命隨著Al2O3薄膜后的增加而減少，這是由于Al2O3薄膜阻擋了背面SixNy對(duì)硅片的體鈍化作用導(dǎo)致。在SixNy薄膜的體鈍化作用與Al2O3薄膜的表面鈍化的共同作用下，硅片在熱處理后的少子壽命相差較小。
2.2Al2O3厚度對(duì)PERC電池電性能參數(shù)的影響
Al2O3厚度與PERC電池電性能參數(shù)的關(guān)系如表2所示。
3 燒結(jié)曲線對(duì)電池片性能的影響
3.1燒結(jié)溫度對(duì)鋁硅合金層厚度的影響
為了研究燒結(jié)溫度對(duì)鋁硅合金層的影響，首先以常規(guī)單晶電池?zé)Y(jié)曲線對(duì)PERC電池片進(jìn)行燒結(jié)，然后使用掃描電鏡觀察測(cè)量剖面，PERC背面鋁漿為南通天盛公司生產(chǎn)的BD-5型號(hào)鋁漿。
如圖1所示，以常規(guī)溫度曲線燒結(jié)的PERC電池的鋁硅合金層(BSF)只有約1μm。常規(guī)單晶電池的鋁硅合金層厚度通常約為10μm。PERC電池專用鋁漿為了保護(hù)背面Al2O3鈍化層而使用了弱刻蝕的玻璃體，這應(yīng)是導(dǎo)致差異的主因。嘗試提高燒結(jié)爐溫區(qū)3、4溫度，再次進(jìn)行燒結(jié)與檢測(cè)，如圖2所示，鋁硅合金層厚度為3.55～4.72μm，相對(duì)于常規(guī)燒結(jié)曲線，鋁硅合金層厚度明顯增加。鋁硅合金層厚度將直接影響鋁背場(chǎng)對(duì)載流子的收集效率，從而影響PERC電池的電性能參數(shù)。
3.2燒結(jié)曲線對(duì)PERC電池轉(zhuǎn)換效率的影響
對(duì)比了以下5組燒結(jié)曲線，分析對(duì)比開路電壓、短路電流、填充因子等電性能參數(shù)，燒結(jié)爐帶速為5m/min。其中編號(hào)a的曲線為常規(guī)電池?zé)Y(jié)曲線。
4 結(jié)論
Al2O3薄膜的鈍化作用可以由燒結(jié)前后的少子壽命變化量來衡量，在我們制備的5組樣品中，Al2O3薄膜越厚，少子壽命在燒結(jié)前后的增加量越大，但過厚的Al2O3薄膜會(huì)對(duì)激光開膜造成影響，降低PERC電池片的填充因子，在此次試驗(yàn)中，Al2O3厚度為20nm的樣品獲得了最高的轉(zhuǎn)換效率。Al2O3的表面鈍化作用在PERC電池的效率提升中起到了關(guān)鍵作用。
由于PERC電池專用鋁漿使用了弱刻蝕性的玻璃體，所以相對(duì)與常規(guī)電池的燒結(jié)曲線，鋁漿燒結(jié)區(qū)需要升高溫度才能獲得良好的鋁硅合金層(BSF)。過高的峰值溫度會(huì)導(dǎo)致鋁漿燒穿Al2O3上的SixNy保護(hù)層，破壞Al2O3的鈍化效果，形成額外的導(dǎo)電通道，開路電壓、短路電流、串聯(lián)電阻與轉(zhuǎn)換效率均會(huì)大幅降低，但并聯(lián)電阻相對(duì)保持穩(wěn)定。PERC電池的燒結(jié)既需要足夠高的溫度來保證鋁漿與硅片充分反應(yīng)，又需要將燒結(jié)溫度限制在一定范圍內(nèi)，以保證鋁漿不會(huì)燒穿Al2O3上的SixNy保護(hù)層。
原標(biāo)題：單晶PERC競(jìng)速，這些工藝做到極致是最基本要求~
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