N型双面单晶硅电池生产工艺探索-solarbe文库

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2 014. 06. 25 第 28 卷 Vol.28 总第 110 期43收稿日期 2013 － 11－ 19作者简介张小宾（ 1982 －），男， 2010 年毕业于中国科学院半导体研究所，工学博士，工程师。现在东方电气集团中央研究院从事太阳能材料与器件研究。N 型双面单晶硅电池生产工艺探索张小宾 1 张中伟 1 黄仑 21．东方电气集团中央研究院，成都 611731 ； 2 ．东方电气集团（宜兴）迈吉太阳能科技有限公司，江苏宜兴 214203摘要阐述了一种基于标准晶硅太阳能电池生产线的 N 型双面晶硅电池制作工艺流程。制作得到了正面平均效率达17. 0 、背面平均效率达 14. 7 的 N 型双面单晶硅电池。实验中制备的 N 型电池片最高综合效率达 20. 2 ，在此基础上还具有很大的提升空间。该制作工艺流程对于 N 型晶硅电池的大规模生产具有重要的参考价值。关键词 N 型；双面；太阳能电池；生产工艺中图分类号 TM 914 文献标识码 A 文章编号 1001－ 9006（ 2014） 02－ 0043－ 03Process Ｒ esearchon Production of the N- type SiliconBi- facial Solar CellZHANG Xiaobin1 ， ZHANG Zhongwei1 ， HUANG Lun21． Central Ｒ esearchAcademy of DEC， 611731， Chengdu， China; 2． DEC MAGI Solar ， 214203， Yixing ， Jiangsu ， ChinaAbstract This paper describes the production process of the N-type silicon bifacial solar cell based on standard production line ofcrystalline Si cells ．The N-type solar cells fabricated have obtained an averagefront efficiency of 17. 0 and rear effrciency of 14. 7 ，with the best one having an overall efficiency of 20. 2 expecting further enhancementin the future ．The processpresented hereinprovides an important reference for massproduction of the N-type silicon solar cells ．Key words N-type; bifacial; solar cell; production process传统晶硅太阳能电池的核心结构为 PN 结。该PN 结的制备方法一般有两种一种采取在 P 型硅片基底上进行磷扩散制得，基于该方法得到的太阳能电池可称为 P 型电池；另一种可采取在 N 型硅片基底上进行硼扩散制得，该方法得到的电池被称为 N 型电池。由于 N 型硅片比 P 型硅片具有更长的少子寿命， N 型电池通常可以制作成双面受光型电池以增加电池的输出功率。目前，光伏市场上的主流电池产品还是 P 型晶硅电池， P 型单晶硅电池的产业化转换效率已经稳定在 18 以上。然而，由于原来困扰 N 型硅电池的难题在逐渐地被攻克［ 1］，加上 P 型晶硅电池效率的提升空间已十分有限，人们越来越关注少子寿命更高、发展潜力更大的 N 型电池。本文将基于 N 型双面单晶硅电池的生产工艺进行初步探索和研究。1 实验本实验是针对 N 型晶硅电池生产工艺的探索研究，因此实验全过程主要基于现有太阳能电池生产线设备而实现，所用实验材料均采购于各大知名生产厂商，实验工艺对于 N 型晶硅电池大规模量产具有重要的参考价值。1. 1 电池结构本实验所采用衬底为 N 型单晶硅片，正面和背面的电极均采用栅线结构，制备的 N 型电池具备双面受光特性。其剖面结构如图 1 所示。其中从上至下依次为正面金属电极、正面SiNx 抗反射层、正面 SiO2 钝化层、发射极 p 层、DOI10.13661/j.cnki.issn1001-9006.2014.02.0082 0 14. 06. 25 第 28 卷 Vol.28 总第 110 期44基底 n 型层、背场 n 层、背面 SiNx 抗反射层和背面金属电极。图 1 N 型双面晶硅电池剖面结构图1. 2 实验步骤及工艺图 2 给出了本次实验的基本流程图。本实验中所采用的 N 型单晶硅片均为目前太阳能电池生产线普遍采用的标准规格 156 mm 156 mm（面积约为 240 cm2 ）。实验中首先对 N 型硅片衬底进行制绒处理。该步骤与 P 型电池标准生产工艺相同，目的是为了在硅片表面形成陷光结构，使电池能更加充分的吸收阳光。图 2 N 型电池工艺流程图制绒处理后需要对硅片进行硼扩散以形成电池核心结构 PN 结。在硼扩散后进行湿法刻蚀，作用是去除硅片边缘形成的自扩散层。然后采用PECVD 设备在硼扩散层上面沉积一层 SiNx 掩膜，目的是保护硼扩散层在后续的磷扩散过程中不受影响。镀上掩膜后，对电池背面进行磷扩散，以形成重掺杂的 n 背场层。随后采用等离子刻蚀的方法去除在磷扩散过程中硅片边缘形成的自扩散层。接着用 HF 酸对硅片进行清洗，以去除硅片表面的 SiNx 掩膜层和磷硅玻璃（ PSG）层。为了保证硼扩散层的表面质量，实验中采用氧化的方法对硼扩散表面进行了钝化处理。表面钝化后对硅片正面、背面进行镀膜，在双面均形成 SiNx 抗反射层（约 70 nm）。最后，对材料片进行丝网印刷，正面采用银铝浆，背面采用银浆，正面和背面均采用栅线结构网版，再经过烧结处理最终得到可双面受光的 N 型单晶硅太阳能电池片。硼扩散是本实验中的核心步骤。本实验中采用硼扩散源为太阳能电池工业生产中常用的三溴化硼液态源（ BBr3 ），其扩散原理是在高温下向放置硅片的扩散炉内通入 N2、 O2和 BBr 3的混合物质，其中 BBr3 由 N2 作为载气鼓泡进入炉内， BBr3 首先和 O2 发生预反应生成硼的氧化物 B2 O3，接着 B2 O3与 Si 发生反应生成氧化硅和硼原子，高温下硼原子开始向硅片内部扩散达到掺杂效果。反应式如下 4BBr 3 3O2→ 2B 2O3 6Br 2 ↑ （ 1）2B2 O3 3Si→ 3SiO2 4B （ 2）N 型硅片经过硼扩散后在表面形成 p 发射层。该发射层的表面复合较为严重，通常要采用钝化处理来降低表面复合对电池的影响。本实验中采取了湿法氧化和干法氧化两种钝化方法进行比较，其中湿法氧化采用氧气通入去离子水进行鼓泡的方法，将部分水分子带入高温炉内进行辅助氧化；干法氧化为直接在高温下向炉内通入氧气使硅片表面发生氧化。两种氧化的温度均采用 600 ℃ ，时间均为 10 min。2 结果与讨论图 3 给出了不同温度条件下硼扩散的方阻结果。实验中扩散温度分别设置为 920 ℃ 、 925 ℃ 和图 3 不同扩散温度下得到的方阻2 014. 06. 25 第 28 卷 Vol.28 总第 110 期45930 ℃ ，扩散时间均为 60 min。从结果中可以看出，随着扩散温度的提高方阻明显下降，最终达到理想目标值 60 ～ 65Ω /sq。本实验将针对不同的扩散方阻，选择性地进行流片处理。表 1 给出了本实验的分组说明。实验分为 4组，分别针对 61Ω /sq 和 65Ω /sq 两种扩散结果的片子进行了湿法和干法氧化两种钝化处理方法。表 1 实验分组说明分组 1 2 3 4工艺干法氧化61Ω /sq干法氧化65Ω /sq湿法氧化61 Ω /sq湿法氧化65Ω /sq表 2 4 组 N 型双面电池的测试结果分组效率（）Voc（ mV）J sc（ mA· cm－ 2 ）FF（）1 正 16. 7 606 34. 79 79. 24背 14. 7 604 31. 78 76. 312 正 16. 4 599 34. 73 78. 77背 15. 6 599 35. 04 74. 413 正 17. 0 611 35. 03 79. 53背 14. 7 609 32. 03 75. 454 正16. 6 602 34. 88 79. 28背 15. 8 601 35. 25 74. 66注表中的 “ 正 ” 表示电池的正面效率，即 p 型发射层直接受光时的转换效率； “ 背 ” 表示电池的背面效率，即 n 型基区层直接受光时的转换效率。表 3 实验中得到的最佳效率所在分组效率（）Voc（ mV）J sc（ mA· cm－ 2 ）FF（）3正 17. 2 614 35. 16 79. 63背 14. 9 612 32. 43 75. 16表 2 给出了 4 组 N 型双面电池流片后的平均性能。从表中可以看出，第 3 组得到的平均效率最高为正面 17. 0 、背面 14. 7 。通过第 1 组和第 3组对比、第 2 组和第 4 组对比可以发现，湿法氧化的钝化效果要略优于干法氧化。另外通过对比第 1组和第 2 组以及第 3 组和第 4 组可以得出，扩散方阻较低的第 1 组和第 3 组具有更好的光伏转换性能。这也表明扩散温度需要达到 930 ℃ 或者更高。表 3 给出了本次实验中得到的最佳性能，若将背面把接收到的环境反射、散射等功率占比估算为 0. 2［ 2－3 ］，则该双面电池的综合效率可估算为17. 2 （ 14. 9 0. 2） 20. 2 。从所得数据中可以看出，该电池片填充因子为 79. 63 ，已接近标准生产线电池水平，而开路电压 Voc 和短路电流 Jsc尚有进一步提高的空间。在研究双面电池时可定义电池的 “ 双面性 ”为双面性背面效率 /正面效率。表 4 给出了本实验中 4 组电池的双面性数据。表 4 双面电池的双面性对比分组 1 2 3 4双面性 / 88. 0 95. 1 86. 5 95. 2对比发现，第 2 组和第 4 组电池片的双面性明显高于另外两组，这是由于实验本身的因素所造成的。根据太阳能电池的工作原理，电池材料的少子扩散长度越长，其双面性必然越高。由于材料的少子寿命决定了少子扩散长度，因此少子寿命越大，其双面性就越高。本实验中第 2 组和第 4组所用硅片为同一批次，而第 1 组和第 3 组所用硅片为另外一批次，这两批硅片的少子寿命有较大差别，从而造成了双面性的不同。从实验结果可以得出，本实验流程工艺基本可行，基于太阳能电池标准生产线工艺的扩散温度约为 930 ℃ 以上，扩散时间在 60 min 以上，发射层钝化可采用高温湿法氧化的方法，其效果要略优于干法氧化。3 结语本文介绍了一种基于标准晶硅太阳能电池生产线的 N 型双面电池制作工艺流程。本实验成功地实现了 N 型电池制作过程中的关键工艺硼掺杂，得到了方阻为 61Ω /sq 的扩散材料片，并最终完成全部工艺流程，制备得到正面平均效率17. 0 、背面平均效率 14. 7 的 N 型双面单晶硅电池。实验中所得到的最佳电池片正面效率达17. 2 ，综合效率约为 20. 2 。本实验是基于 N 型双面电池生产线工艺的初步探索，对 N 型电池的量产工艺具有很重要的参考价值。实验中的具体工艺及流程还有优化和提高的空间，由于 N 型硅材料本身具有较大的少子寿命和较长的少子扩散长度，可以预见 N 型双面电池的性能还有很大的提升空间。参考文献［ 1］杨灼坚，沈辉． N 型晶体硅太阳电池最新研究进展的分析与评估［ J］．材料导报综述篇， 2010（ 8 ）［ 2］ P． Sanchez－ Friera et al ． Development andcharacterization ofindustrial bifacial PV modules with ultrathin screen－ printed solarcells， 22 nd EU PVSEC， Milan ， 2007［ 3］ http / /www． pvgs ． jp /en /earthon ．html， http / /www． b －solar ． com/