0 引言
最近几年,传统铝背场太阳电池（aluminum backsurface field, Al-BSF）逐渐被钝化发射极和背面电池（passivated emitter and rear cell, PERC）所取代,至2019年底全国PERC电池产能超过100 GWp,其中p型PERC电池在未来一段时间内仍将是光伏电池的主流产品。PERC概念率先由BLAKERS等[1]在1989年提出,电池生产技术[2,3]的快速发展推动了PERC在这三十年由概念提出到大规模量产,例如背介质涂层[4,5]、湿化学抛光刻蚀[6]、激光选择性发射极[7]和激光电极消融[8]。2009年,一种氧化铝/氮化硅结构[9]被提出可用作PERC背钝化膜,至今仍被工业界采用[10]。2012年,无锡尚德电力成功利用激光技术[11]生产出选择性发射极PERC电池。2019年,西安隆基发布了单晶PERC电池效率最高为24.06%的世界纪录[12],而目前单晶PERC电池量产效率在22%以上[13]。值得注意的是,现今单晶硅片的单价要比多晶硅片高一倍左右[14],不可避免地影响了光伏度电成本,因此,利用好多晶硅的成本优势,提高多晶硅PERC电池的量产效率,增强多晶硅太阳电池的市场竞争力,是目前晶体硅太阳电池降本提效的重要途径。
提高光伏电池效率的重点是要把光学损失和电学损失降到最低,因此,晶体硅电池的结构与工艺改进对提高效率是至关重要的。本文通过改进多晶PERC电池的背面和正面结构,研究和优化提高多晶PERC电池效率的产业化技术方法和方案。通过在硅片背面采用三层氢化氮化硅（SiNx:H）薄膜来代替常规双层SiNx:H薄膜,保证优良的背钝化的同时,电池长波响应得到改善,多晶电池效率由20.19%提升至20.26%。优化多晶PERC电池的背面激光开窗工艺,使多晶电池效率较常规工艺提升0.11%。在多晶PERC电池的正面叠加选择性发射极（selected emitter, SE）技术,使得多晶电池效率较常规工艺提升0.1%。若同时在多晶PERC电池背面和正面叠加以上三项工艺的两项或三项,预计还将进一步提高多晶PERC电池效率。
1 实验部分
Fig. 1 Structure of standard PERC图1 PERC电池结构示意图 |
Fig. 2 Process flows for the PERC with different structures图2 不同结构的PERC电池工艺流程图 |
1.1 常规PERC电池制备
常规PERC电池在多晶硅太阳电池标准的生产线上进行,步骤如下：①去损伤层、酸制绒和RCA湿式化学清洗;②POCl3扩散形成n+发射极,方阻为130 Ω/□;③刻蚀、背抛及去磷硅玻璃层（PSG）;④680℃下进行热氧化20 min;⑤背面原子层沉积（理想能源ALD原子层沉积设备）约6 nm厚的AlOx;⑥正面等离子增强化学气相沉积（plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD,中国电科四十八所M82200-6/UM型PECVD）沉积约80 nm厚的SiNx:H薄膜;⑦背面PECVD沉积120 nm厚的SiNx:H薄膜,具体分成两步：先在里层沉积厚度为30 nm、折射率为2.37的SiNx:H薄膜,再在外层沉积厚度为90 nm、折射率为2.09的SiNx:H薄膜;⑧背面激光开槽（武汉帝尔激光设备DR-LA-Y40）为形成局部接触做准备,激光开槽的线宽为40±2 μm;⑨丝网印刷电极、高温烧结、测试分选。
1.2 背面三层SiNx:H钝化膜
背面三层SiNx:H钝化膜PERC电池在步骤⑦背面PECVD沉积中改变了SiNx:H膜层分布：（1）第一层SiNx:H薄膜保持不变,厚度仍为30 nm,折射率仍为2.37;（2）减少第二层SiNx:H薄膜的厚度,由90 nm减至40 nm,折射率为2.15;（3）增加第三层SiNx:H薄膜,厚度为50 nm,折射率为1.92。其他步骤保持不变。
1.3 背面不同激光开槽图形
针对不同激光开槽图形的电池,在步骤⑧的激光开槽部分采用四种不同的开槽实线与虚线图形,具体实验方案列于表1。
Table 1 Experimental scheme of laser ablation表1 激光开槽实验方案 |
| 实验分组 | 实线长 / μm | 虚线长 / μm | 实虚比 / % |
|---|---|---|---|
| 基准组 | 938 | 145 | 86.6 |
| 实验组3 | 246 | 808 | 23.3 |
| 实验组4 | 367 | 700 | 34.4 |
| 实验组5 | 457 | 597 | 43.4 |
| 实验组6 | 566 | 486 | 53.8 |
1.4 选择性发射极
选择性发射极PERC电池在步骤②扩散后增加了激光掺杂（武汉帝尔激光设备DR-LA-Y40）,在硅片正面形成轻掺区（n+发射极）,方阻为180±10 Ω/□;重掺区（n++发射极）的方阻为70±5 Ω/□。
1.5 表征
实验中AlOx和SiNx:H的膜厚和折射率由椭偏仪（SE400adv-PV）测定。发射极掺杂浓度分布由电化学电容电压（德国WEP公司的ECV设备,型号CVP21）测量。电池效率在25℃、AM1.5、1个标准太阳的条件下用Halm 3600效率仪测试。
2 结果与讨论
2.1 背面三层SiNx:H钝化膜的影响
常规双层SiNx:H结构虽然可以达到光学效果和钝化效果的平衡,但是背面的反射损失和吸收损失仍然损害着PERC电池的长波响应。根据光反射原理,采用三层SiNx:H薄膜通过不断降低折射率,能在保证SiNx:H钝化效果的前提下,提高长波响应,这是由于从硅片表层向外的三层SiNx:H薄膜的折射率逐渐递减,能使入射的长波光子在内部多次反射和干涉,更大程度地增加了长波光子的利用率。本文中,实验组1即为三层SiNx:H结构,其中第一层SiNx:H薄膜的折射率为2.37,保证了硅片的表面钝化效果。最外层SiNx:H薄膜（与铝接触的那一层）的折射率为1.92,相比于常规双层SiNx:H中最外层的折射率2.03,其更低的折射率使得在Al/SiNx:H界面处形成“富氮层”,有效地减弱了铝浆的渗透,降低铝浆烧穿SiNx:H形成Al-Si合金高复合层的几率 [17]。传统铝背场电池由于受到背电极对长波光子的吸收,严重影响了电池效率的提升,因为一旦光子到达背面,会被金属层捕获而对电流没有贡献。传统铝背场电池背面金属层对光吸收的这一负面作用,在PERC电池中得到解决,主要得益于PERC电池背钝化膜对长波光子的反射,使光子利用率大大提高。而PERC电池背面三层SiNx:H膜设计进一步减少光子在背面金属层被捕获的几率。
图3a为用Wafer Ray Tracer软件（PV Lighthouse公司）模拟的双层SiNx:H（基准组,模拟结构为80 nm SiNx:H/200 μm p-Si/6 nm Al2O3/30 nm SiNx:H/90 nm SiNx:H/1000 nm Al）、三层SiNx:H（实验组1,模拟结构为80 nm SiNx:H/200 μm p-Si/6 nm Al2O3/30 nm SiNx:H/40 nm SiNx:H/50 nm SiNx:H/1000 nm Al）在长波段的反射率与吸收率数据对比图。很明显,实验组1对光的吸收更少,反射回衬底的光也更多,长波响应更好,符合实验预期。图3b为基准组与实验组1的电池电性能对比图,其中Voc是开路电压、Isc是短路电流、FF是填充因子,η是效率。从图中可见,相较于基准组,实验组1的Isc和Voc均有小幅度提升,而FF保持不变（但明显可见实验组1的FF分布更为集中）,即Isc和Voc是效率提升的主要因素。基准组的效率为20.19%,实验组1的效率显著地提升了0.07%,可达20.26%。其中,Isc的提高是因为三层背膜具有更高的反射率,验证了图3a的模拟结论。此外,实验发现,基准组的串联电阻Rs为1.9 mΩ,而实验组1的Rs为1.7 mΩ,这也是实验组1的Isc更高的原因,实验结果与理论相符。Voc稍有提升,这意味着背面采用三层SiNx:H膜结构,钝化效果没有受到影响。
Fig. 3 (a) Simulated optical absorption and reflection from rear films; (b) measured I-V parameters of group 1图3 （a）背膜的光吸收率和光反射率的模拟;（b）基准组与实验组1的电性能对比 |
2.2 背面不同激光开槽图形的比较
相对于传统Al-BSF电池,PERC电池增加的工序之一就是背面激光开槽,优化激光开槽图形将改善PERC电池性能。对于PERC电池,背面金属电极的开槽设计在一定程度上决定了电池的光电性能,需要同时兼顾钝化区域的损失和背电极对光子的吸收。常规PERC电池的激光开窗工艺采用虚线图形,线段长938 μm、线段间距145 μm、线宽40 μm、线距600 μm。在保持线宽、线距不变后,进行虚线线段图形的优化,仅改变实虚比（即LR/L,L = LR + LI,其中LR为线段长,LI为线段间距）,设计了4种实虚比图形（实验组3中LR/L = 23.3%,金属占比1.1%;实验组4中LR/L = 34.4%,金属占比1.8%;实验组5中LR/L = 43.4%,金属占比3%;实验组6中LR/L = 53.8%,金属占比4.7%）,如图4a所示。
Fig. 4 Rear contacting patterns (a) and measured I-V parameters comparison (b) of groups 3, 4, 5, 6 and baseline (relative value to baseline)图4 基准组与实验组3、4、5、6的激光开槽图形（a）及电性能对比（b） |
图4b是4个实验组与基准组的电性能对比图。从图中可见,随着实虚比的增加,Voc明显降低,而FF显著提高,这是由于串联电阻主要受横向传输电阻和接触电阻的影响[18,19],而实虚比越大,金属占比越大,横向传输电阻会减小,使得串联电阻降低,FF提高。但是金属占比变大,意味着非金属区域（即钝化区域）减少[20],这是Voc明显降低的原因。因此,通过增加激光开槽面积来提高电池效率不可取。除此以外,可以发现4组实验组的Isc均超过了基准组,分别有10 mA（实验组3）、11 mA（实验组4）、6.3 mA（实验组5）、2.6 mA（实验组6）的增益,这可能是背表面电流传输机制和电流收集的差异引起的。相较于基准组,实验组3 ~ 实验组6的平均转换效率分别有0.10%、0.11%、0.085%、0.098%的提升,表明高Voc和Isc补偿了低FF导致的效率损失。结果显示,实验组4具有最优的电池性能,是激光开窗的最佳工艺。这说明设计激光开槽图形要同时考虑表面钝化和填充因子。若实虚比太大,钝化区域的损失和背电极对光子的吸收会导致Voc和Isc的降低;若实虚比太小,串联电阻的增加和铝硅接触性能的下降会导致FF的降低。
2.3 正面选择性发射极的结合
电化学电容-电压法（electrochemical capacitance- voltage, ECV）测量扩散后的载流子浓度分布,可以获得电池的掺杂元素表面浓度、浓度变化曲线和结深等信息。图5a为常规太阳电池（基准组）与选择性发射极结构太阳电池（实验组2）的磷掺杂浓度分布图。对于基准组,方阻R□ = 135 Ω/□,磷表面浓度为2.97 × 1020 cm-3,结深0.14 μm。对于实验组2,n+ 发射极R□ = 175 Ω/□,磷表面浓度1.96 × 1020 cm-3,结深0.12 μm。通过激光掺杂,n++ 发射极R□降低至65 Ω/□,这是由于高能量密度的激光能瞬间熔融磷硅玻璃,使磷原子扩散进入硅片表面,从而增加激光覆盖区的磷原子浓度,降低方阻[25]。
Fig. 5 Phosphorous dopant concentration profiles (a) and measured I-V parameters comparison (b) of the emitters for baseline and group 2图5 基准组与实验组2的磷掺杂浓度分布（a）及电性能对比（b） |
从图5b可以看出,实验组2的Voc和Isc均有明显提高,其中Voc提高了3.8 mV,这主要受益于SE结构的场效应钝化作用。Isc提高了4.3 mA,这是由于减少的发射极复合可以改善电池的短波光谱响应,从而提高电池的Isc。在此基础上,电池平均转换效率比基准组提高0.1%左右。
3 结论
研究了多晶PERC电池的背面和正面结构对电池性能的影响,结果显示背面钝化膜、背面激光开槽图形和正面选择性发射极等因素对多晶PERC电池的性能均有较大的影响。首先,在电池背面,通过采用三层SiNx:H薄膜代替传统的双层SiNx:H薄膜,能使更多的长波光子被反射到硅衬底而被再次利用,成功地将Isc提高了13 mA,效率达到20.26%,绝对值较常规工艺提升0.07%。其次,通过优化电池背面的激光开窗工艺,在保持线宽、线距不变,仅改变实虚比,发现实虚比为34.4%的激光开槽图形,能维持表面钝化和串联电阻之间的平衡,使得电池的Voc和Isc均表现出了优异的性能,效率较常规工艺提升0.11%。最后,在电池正面叠加选择性发射极后,Voc和Isc均有提高,电池效率较常规工艺提升0.1%。若同时在多晶PERC电池背面和正面叠加以上三项工艺中的两项或三项一起叠加,预计还将进一步提高多晶PERC电池效率。
