Al_2O_3背钝化太阳电池量产工艺研究

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SOLAR ENERGY 08/2014470 引言太阳能光伏发电随着其转换效率的不断提升得到越来越广泛的应用，晶体硅太阳电池的应用与发展一直是太阳能发电的主要发展方向。随着晶体硅太阳电池技术的不断提高，传统结构的单晶硅太阳电池的量产转换效率已达 19.2，多晶硅太阳电池量产转换效率已达 17.8。传统结构电池效率已没有太大的提升空间，电池效率的提升必须依靠新型结构的晶体硅太阳电池发展。目前的新结构电池主要有 PERC 电池、PERL 电池、 IBC 电池、 MWT 电池、 EWT 电池及 HIT 电池等。在目前已有的硅基体高效电池技术中，由于Al 2O3 背钝化太阳电池 PERC 电池将提升电池效率的工艺移至电池背面，因此其与其他的高效电池技术及新的提高电池效率的制造工艺有非常好的兼容性。 Al 2O3 背钝化技术可与其他高效技术同时整合在硅太阳电池中。因此，目前 Al 2O3背钝化太阳电池技术在所有高效电池技术中是最有可能被工业化推广的技术，研究其量产工艺对Al 2O3 背钝化电池的大规模生产具有非常好的指导性作用 [1-3]。通过在大规模工业生产线上进行 Al2O3 背钝化太阳电池试制，对最终结果进行分析研究，总结出对 Al2O3 背钝化太阳电池有着主要影响的工艺过程与工艺步骤，为 Al2O3 背钝化太阳电池的生产提供参考。Al2O3；背钝化；太阳电池； PERC；背面复合摘要关键词中电投西安太阳能电力有限公司 ■ 董鹏陈璐吴翔1 Al 2O3 背钝化太阳电池的结构与原理Al 2O3 背钝化电池与常规电池结构的不同之处在于其在电池硅片背面镀有一层 Al 2O3 薄膜，在 Al 2O3 薄膜上又覆盖有一层 SiN x 薄膜，然后用激光在硅片背面进行打孔或开槽，将部分 Al 2O3与 SiN x 薄膜层打穿露出硅基体，背电场通过薄膜上的孔或槽与硅基体实现接触 [4]。a. 背钝化电池示意图b. 背钝化电池结构示意图图 1 p 型 Al 2O3 背钝化电池结构SiN xAl 2O 3 或 Al 2O 3/SiO x 层SiNSiNN 发射区p- Si 基体AgAl BSF p AgAlAl 2O 3正电极金字塔绒面n 发射极p- Si 基体接触点铝技术产品与工程SOLAR ENERGY 08/201448由于 Al 2O3/Si 接触面具有较高固定负电荷密度，通过屏蔽 p 型硅表面的少子电子而表现出显著的场效应钝化特性，使得硅片背面的钝化效果较传统的铝背场钝化技术有较大的提高 [5]。研究表明，使用 Al 2O3 作为钝化层可使硅片表面符合速率降低至 102 cm/s 数量级。有效少子寿命与表面复合有如下关系1 ＝ 1 2 S 1τ eff τ b L式中 τ eff 为有效少子寿命； τ b 为体寿命； S为材料表面复合速度； L 为材料厚度。由式 1 可知， τ eff 随表面复合速度增大而减小。因此背钝化电池有较高的有效少子寿命，进而有较高的开路电压与短路电流。2 Al 2O3 背钝化太阳电池的量产工艺Al 2O3 背钝化电池的工艺步骤为制绒→扩散→刻蚀→抛光→镀 Al 2O3 →镀背面 SiNx →镀正面 SiNx →激光开槽→丝网印刷→烧结→测试。Al 2O3 背钝化电池与传统电池在工艺步骤上的区别主要在于多出 4 道工艺步骤，分别为抛光、背面镀 Al 2O3、背面镀 SiNx 及背面激光开槽，其余工艺步骤均与常规电池产线相同。3 实验按照上述步骤进行 Al 2O3 背钝化电池的生产线实验，实验采用单晶 156 mm 156 mm 、φ 200 mm 硅片。实验中常规工艺采用生产线大规模正常的生产工艺进行。实验在不同时间共重复进行 3 次，以排除实验过程中的偶然因素。4 实验结果对比分析通过 3 次重复实验，背钝化实验片的电性能参数特征基本相同，表现为 V oc 低、 I sc 低、 R s 偏高。其效率平均值只有 18.21，与背钝化电池应有的效率偏差较大。通过对实验片及实验过程进行分析，总结出对电池效率影响的原因主要有1 背钝化电池使用的硅片电阻率应比传统工艺电池片使用的硅片电阻率小，一般为 1～ 1.5 Ω cm。由于背钝化电池背面只有激光开槽处能够与背场进行接触，导致其背场接触电阻较传统工艺电池偏大，因此，需选用电阻率略低的硅片才能确保最终电池片的串联电阻不会过大。2 良好的背抛光工艺可明显提升电池片的短路电流。硅片背抛光后，利用镜面反射原理，光的背面反射率增加，透射损失减小，从而增背钝化电池传统电池Eff / 19.65 18.5V oc/V 0.648 0.638I sc/A 9.6 8.8FF 75.48 79表 1 正常背钝化电池效率与传统电池效率对比V oc I sc Rs Rsh FF Ncell/实验一 0.628 8.99 3.74 110.0 77.44 18.31实验二 0.629 9.05 4.90 68.31 75.89 18.12实验三 0.629 9.022 4.92 61.77 76.67 18.19平均值 0.629 9.023 4.28 80.03 76.67 18.21表 2 3 次背钝化电池实验数据图 2 硅片抛光前后透射率比较图 3 硅片抛光前后少子寿命比较5.04.54.03.53.02.52.01.51.00.50抛光前 - 点 1抛光前 - 点 2抛光后 - 点 1抛光后 - 点 2相对透射率/波长 /nm60064068072076080084088092096010001040108011201160120020.752 μ s抛光前抛光后技术产品与工程SOLAR ENERGY 08/201449加了输出电流。同时由于抛光后背面的比表面积较少，使得背表面复合速率减小，硅片少子寿命显著提升。目前，一般将硅片背面的腐蚀深度控制在 2 μ m，以便达到较好的抛光效果。3 硅片在抛光过后应在最短的时间内完成Al 2O3 镀膜工艺，如果停留时间过长，硅片在镀膜前表面受到污染，则做成电池片后会导致 V oc与 I sc 偏低。4 激光开槽工艺只需将硅片背面的 SiN x 薄膜与 Al 2O3 薄膜划开露出硅衬底即可，防止由于硅基体被激光划开后引起的损伤造成少子寿命降低 [6]。皮秒激光器开槽对硅片的损伤好于纳秒激光器，纳秒激光开膜过程中会有较多的残渣，皮秒激光则不会有此问题。5 总结通过在工业生产线上进行 Al 2O3 背钝化电池的试制，并对其最终结果进行分析。转第 60 页图 4 纳秒激光器与皮秒激光器打孔效果比较b. 皮秒激光器a. 纳秒激光器5 背钝化电池背电场铝浆对开槽处的填充无法达到 100，目前的铝背场填充率达到 80 即认为铝背场填充正常。影响铝背场填充的主要因素有激光开槽工艺的好坏，开槽处 SiN x 薄膜与 Al 2O3 薄膜去除的好坏将直接影响铝浆的填充情况；烧结工艺，降低电池的烧结温度和冷却速度可降低空洞率；背场铝浆的选择，应选用专门为背钝化电池研制的专用浆料；铝背场印刷对铝浆填充情况无明显影响，铝浆填充空洞主要是在烧结时硅铝合金冷却过程形成的。图 5 激光刻槽效果对比图a. 刻槽效果较好b. 刻槽效果较差图 6 铝背场填充效果b. 铝背场填充正常图 7 铝背场填充正常与未填充比较a. 铝背场未填充技术产品与工程SOLAR ENERGY 08/201460动。德国的可再生能源法发布后也先后进行过多次修订，通过完善，其主要体现以下作用机制1 通过对可再生能源电力的并网、接收和报酬给付加以规定实现投资安全性，投资安全性成为可再生能源法的刺激动力。2 市场奖励模式，通过固定可再生能源发电报酬和交易所平均价格之间的价格差促进可再生能源发展，刺激企业在交易所电价较高时通过可再生能源发电并网。3 通过义务性电网扩容、功率调节和测量规定，以及紧急情况下的关断规定实现可再生能源并网，可再生能源所占比例高的情况下仍保证供应安全性。4 可再生能源发展产生相应的额外成本在设施运营商、电网运营商和最终用户之间进行合理分摊。可再生能源法 2014 年修订版即将发布，其核心内容有1 规定大型发电设施必须将电力进行直接销售，进一步加强对需求导向型可再生能源电力并网的刺激力度 2014 年 8 月 1 日起，所有功率在 500 kW 以上的新建电站； 2016 年 1 月 1 日起，所有功率在 250 kW 以上的新建电站； 2017 年 1月 1 日起，所有功率在 100 kW 以上的新建电站。2 自 2017 年 1 月 1 日起通过技术招标方式确定补贴标准，使实际需要补贴成本透明化。3 对自行发电生产的电力收取可再生能源附加费，使所有电力用户均等分摊可再生能源扩建成本。报告对中国光伏继续发展提出行动建议1 推进光伏与电网协调发展。2 调查光伏渗透率较高地区可再生能源在保障系统稳定性方面的潜力。3 继续完善能够有效促进光伏发展的光伏并网付费机制；研究市场奖励模式的可引入性，为以需求为导向的可再生能源发电并网创造刺激动力；设计依赖于建设规模的并网电价的定价机制，提高光伏建设的可调控性。与会领导和专家充分肯定了此课题的重要意义，指出德国光伏发展经验为我国未来光伏发展提供了重要参考。图 2 德国自 2000 年以来光伏安装功率和发电量的发展情况403020100403020100安装功率/GW发电量/TWh2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012光伏安装功率光伏发电量可再生能源法修订日期年份接第 49 页总结出在大规模生产线上会对电池最终结果产生明显影响的工艺因素硅片电阻率的选择、背表面抛光的状态、硅片制程时间的控制、激光开槽工艺，以及激光器种类的选择、合适的烧结工艺及铝背场浆料选择，都会对电池片最终效率产生明显的影响。感谢本次实验的完成得到了中电投西安太阳能电力有限公司技术工艺中心的大力支持，在此对中电投西安太阳能电力有限公司技术工艺中心的各位工程师表示衷心的感谢。参考文献[1] 管绍茂 , 王迅 . 半导体表面钝化技术及应用 [M]. 北京国防工业出版社 , 1981.[2] 陈庭金 , 刘祖明 , 徐洁磊 . 多晶硅太阳电池的表面和界面复合 [J]. 太阳能学报 , 2000, 212 133 – 139.[3] 阙端麟 . 硅材料科学与技术 [M]. 杭州浙江大学出版社 , 2000.[4] 陶路平 , 陈达明 , 洪瑞江 . 背面点接触结构在晶体硅太阳电池中的应用 [J]. 材料导报 , 2011, 2513 124 – 129.[5] Arm N G. Aberle cristalline silicon solar cells advanced surface passivation and analysis[M]. Printed by bloxham and chambers pty Ltd, 1 Leeds Street, Rhodes NSW2138, Austrlia.[6] Brendle W ， Nguyen V X, Grohe A ， et a1． 20.5 ef cient silicon solar cell with a low temperature rear side process using laser-fired contact [J]. Progress in Photovoltaics Research and Applications, 2006, 14 7 653 – 662.行业风景线