摘【zhāi】要：以Al2O3/SixNy为【wéi】钝化层，制备了【le】PERC单晶硅太阳电池，研究Al2O3钝【dùn】化【huà】层厚度对钝化效果【guǒ】的【de】影【yǐng】响，分【fèn】析硅片少子【zǐ】寿命【mìng】变化、烧结曲线【xiàn】对PERC电池电性能参数的影响【xiǎng】。

0 引言

为了进【jìn】一【yī】步优化其【qí】生【shēng】产工艺、提高晶体硅电【diàn】池片效率【lǜ】、降低生产成本，此前已有诸多研究，20世纪80年代，澳大利亚新南【nán】威尔士【shì】大学光伏【fú】实【shí】验室【shì】提【tí】出了【le】PERC结【jié】构太阳电池，打破了【le】当时晶体硅太阳【yáng】电池转换效率的记录，也是目前唯【wéi】一产业【yè】化的高效太阳电池【chí】技术[1,2]。PERC电池在常【cháng】规电池基础上增加【jiā】了背面Al2O3/SiNxHy层叠钝化与激光开孔工艺。利用【yòng】Al2O3薄膜的场钝【dùn】化效应与SiNxHy薄【báo】膜的氢钝化效应将硅片的有效载流【liú】子寿命由【yóu】10～20μs提高【gāo】到100～120μs[3,4]，同时利用激光对Al2O3/SiNxHy层叠【dié】薄膜进行【háng】局部开孔，使铝【lǚ】浆能通过孔【kǒng】洞与硅【guī】片形成良好的欧姆接触。本文研究工【gōng】业【yè】生【shēng】产中工【gōng】艺参数与PERC电池转换效率之间的关系【xì】，分析工艺【yì】参【cān】数【shù】对硅片少子寿【shòu】命的影响，并得【dé】出少【shǎo】子寿命与【yǔ】PERC电池转换效率之间的关系【xì】，探讨烧结过程对PERC电池【chí】性能的影响及其内在机理【lǐ】。

　1 Al2O3对硅的钝化机理

Al2O3中【zhōng】铝原子【zǐ】存在两种【zhǒng】配位方式：6个氧原【yuán】子【zǐ】的八面体中心位【wèi】置和4个氧原【yuán】子的四面体中【zhōng】心【xīn】位【wèi】置。在PECVD生【shēng】长的Al2O3薄膜中，这两【liǎng】种形态的Al2O3同时存在[5]。经过高温热处理过【guò】程，八面【miàn】体结构会转【zhuǎn】换【huàn】为四面体结构，产生间隙态【tài】氧原子，间隙态氧原子夺【duó】取p型硅中的【de】价态【tài】电子，形成固【gù】定负电荷，使Al2O3薄膜显出负电性，在Al2O3/Si界面【miàn】产生一【yī】个【gè】指向硅片内部的界面电场【chǎng】，使载流子可迅速逃离界面，降低界面复合速率【lǜ】，提高【gāo】硅【guī】片少子寿命[9-21]。2 Al2O3厚度对电池【chí】特【tè】性的【de】影响

采用梅耶博格公司的玛【mǎ】雅2.1设备来制备【bèi】Al2O3/SixNy薄膜【mó】与背面保护【hù】氮化【huà】硅薄【báo】膜，高频信号发生器频率为13.56GHz。所【suǒ】用气体为三甲基【jī】铝(TMA)、高纯【chún】氩气、高【gāo】纯氨气和高纯硅烷，实验时反应【yīng】气【qì】体直接通入反应腔体内，反应腔体压力为10～30Pa，反【fǎn】应温度为【wéi】300～400℃。正面【miàn】氮化硅使用中国电子科技集【jí】团公【gōng】司第四十八研究所PECVD设备【bèi】制备，高频信号发生器【qì】频率为40kHz。采用西【xī】安隆【lóng】基【jī】M2单晶硅片【piàn】。使用Sinton公司的WCT120设【shè】备检【jiǎn】测硅片的【de】少子寿命。使用Despatch公司生【shēng】产【chǎn】的高温烧结【jié】炉进行【háng】高【gāo】温快速【sù】热处理【lǐ】。

2.1Al2O3厚度对硅片少子寿命的影响

为【wéi】了研究【jiū】Al2O3薄膜厚【hòu】度对硅片少子寿命的影【yǐng】响，我们制备了不同【tóng】厚【hòu】度的Al2O3薄膜，保护SixNy薄【báo】膜的【de】厚度为100nm，折【shé】射率为2.1，正面SixNy厚度【dù】为80nm，折射率为2.0。当Al2O3镀膜时间为【wéi】60s时，使用SENTECHSE800型椭偏仪测试Al2O3厚度为【wéi】25nm，假定Al2O3薄膜【mó】生长速率恒定【dìng】，通过调整镀膜时间来调整Al2O3薄膜厚度【dù】。使用Sinton公司的【de】WCT120型【xíng】少子寿命测试仪【yí】分【fèn】别测试快【kuài】速热【rè】处理前后【hòu】的少子【zǐ】寿命【mìng】，快速热【rè】处理温度曲【qǔ】线采用常【cháng】规太阳电池烧【shāo】结温【wēn】度曲线。结果如表1所【suǒ】示【shì】。

 

　　WCT120少子【zǐ】寿命测试仪的少子寿命测试结【jié】果为硅片的有效少【shǎo】子寿命，硅片有效少子寿命受载流子【zǐ】体【tǐ】寿【shòu】命与【yǔ】载流子表面寿命的双重影响，SixNy的钝化作用主要体现在体钝【dùn】化效果上，Al2O3的钝化作用【yòng】主要体现在【zài】表【biǎo】面钝化效果上【shàng】。由【yóu】于Al2O3的表【biǎo】面钝化效【xiào】果只有经过热处【chù】理过【guò】程才能体现出来，所以能够以热处理【lǐ】前【qián】后少子寿命增加【jiā】量来衡量Al2O3薄膜【mó】的钝化【huà】效【xiào】果。从理论上讲，5nm厚度的Al2O3薄膜就足以【yǐ】对硅片【piàn】表【biǎo】面进行【háng】充分钝化[9]，但在这组【zǔ】实验中，厚【hòu】度为【wéi】5nm的Al2O3样品在烧结前后【hòu】的少【shǎo】子寿命增加只有11μs，而厚度为25μm的Al2O3样品在【zài】烧结前后的少【shǎo】子寿命增加【jiā】为103μs，少子寿【shòu】命【mìng】的增加量随Al2O3薄膜【mó】厚度增【zēng】加而增多。这【zhè】种现象是由于在【zài】实际【jì】生产中【zhōng】硅片表面粗糙造成，粗糙的表【biǎo】面造成Al2O3薄【báo】膜分布不均【jun1】匀，局部区【qū】域的【de】Al2O3薄膜厚度过低【dī】，从而【ér】影响了钝化效果，随【suí】着薄膜整体厚度的【de】增加，Al2O3薄膜的覆盖率逐步增加，使【shǐ】得Al2O3薄膜【mó】的【de】表面【miàn】钝化作【zuò】用【yòng】体现的更【gèng】加明显。

在热处理前，硅片少子寿命随着Al2O3薄膜后的增【zēng】加【jiā】而减【jiǎn】少【shǎo】，这【zhè】是【shì】由于Al2O3薄膜【mó】阻挡了背面SixNy对硅【guī】片的【de】体钝化作用导致。在SixNy薄膜的体钝化【huà】作用【yòng】与Al2O3薄膜的表面钝化【huà】的共同作用下，硅片在热处理【lǐ】后的少子寿命【mìng】相差较小。

2.2Al2O3厚度对PERC电池电性能参数的影响

Al2O3厚度与PERC电池电性能参数的关系如表2所示。

 

　　随着Al2O3厚【hòu】度由【yóu】5nm升【shēng】高【gāo】到20nm，电池片效率提【tí】升明显，开路电【diàn】压由641mV升高到662mV，短路电流由9.04A升高到【dào】9.42A，填充因子基本持平【píng】。这说明Al2O3的表面钝化作用在【zài】PERC电【diàn】池【chí】的效率提升中起到【dào】了关键作【zuò】用。在【zài】Al2O3薄【báo】膜厚度增【zēng】加到【dào】25nm后，电池转换效【xiào】率反而有【yǒu】所降低，尤其【qí】填充【chōng】因子降低明显，这【zhè】可能是【shì】后续工序【xù】的激光能量偏低，对开膜部分的Al2O3薄膜清除不彻【chè】底【dǐ】，影响了【le】铝浆与硅片之【zhī】间的欧姆接触而导致【zhì】。

3 烧结曲线对电池片性能的影响

3.1烧结温度对铝硅合金层厚度的影响

为了研【yán】究【jiū】烧结温度对铝硅合金层【céng】的影响，首【shǒu】先【xiān】以常规单晶电【diàn】池烧结曲线对PERC电池片进行【háng】烧结，然后【hòu】使【shǐ】用【yòng】扫描电镜观察测量剖面，PERC背面铝浆为南通天【tiān】盛公司生产的【de】BD-5型号铝【lǚ】浆。

如图1所示，以常规【guī】温度曲【qǔ】线【xiàn】烧【shāo】结的【de】PERC电池的铝硅合金【jīn】层【céng】(BSF)只有【yǒu】约1μm。常规单晶电池的铝硅合金层厚度【dù】通常约为10μm。PERC电池【chí】专用铝浆为了保护背面Al2O3钝化层而【ér】使用了【le】弱刻【kè】蚀的玻【bō】璃【lí】体【tǐ】，这应是导致差异【yì】的主因。尝试提高烧结炉【lú】温区【qū】3、4温度，再次进行烧结与检【jiǎn】测，如图2所【suǒ】示【shì】，铝硅合金层厚度为3.55～4.72μm，相对于常规烧结曲线【xiàn】，铝硅合金【jīn】层厚度明显增加。铝硅合【hé】金层厚度将直接影响铝背【bèi】场对载流子的收【shōu】集效率【lǜ】，从而影【yǐng】响PERC电池的【de】电性能参数。

 

　　铝硅合金层厚度【dù】将直【zhí】接影响【xiǎng】载流子的复合速率，从【cóng】而影【yǐng】响PERC电池的电性【xìng】能【néng】参数【shù】，厚度【dù】大于2μm的铝硅合金层【céng】可有效降低载流子复合【hé】速率[10]。

3.2烧结曲线对PERC电池转换效率的影响

对比了以下5组烧结曲线，分析对比开路电【diàn】压、短路【lù】电流、填充因子等【děng】电性能参数【shù】，烧结炉带速为5m/min。其中【zhōng】编号a的曲线【xiàn】为常规【guī】电池【chí】烧【shāo】结曲线。

 

　　开路电【diàn】压【yā】和短路电流【liú】呈相【xiàng】同变化趋势【shì】，随着温【wēn】区3、4温【wēn】度升高【gāo】而上升【shēng】，随温区5、6温度升【shēng】高而降低。由上述研【yán】究【jiū】可知【zhī】，在【zài】温区3、4温【wēn】度上升的过程中，PERC电池的铝硅合金层(BSF)厚度逐渐增加【jiā】，所以开路电流和短路【lù】电压随之升高。当温区5、6温度升高时【shí】，铝【lǚ】浆很可能烧【shāo】穿了【le】Al2O3薄膜上的【de】氮化硅保护层，Al2O3钝【dùn】化层受到破坏【huài】，钝化作用下降，所【suǒ】以【yǐ】导致开路电【diàn】压、短路电流下降【jiàng】。

 

 

　　当温区3、4温【wēn】度升高【gāo】时，填充因【yīn】子、并【bìng】联电【diàn】阻【zǔ】的变化并不明显，但【dàn】是随着区温5、6温【wēn】度的升高【gāo】，填【tián】充因子迅速增大，并联【lián】电阻迅速减小。在温区3、4温度升【shēng】高【gāo】阶段，铝浆【jiāng】对氮化硅保护【hù】层的侵蚀作用有限，氮化硅保【bǎo】护层起【qǐ】到了很好【hǎo】的保护作用，而随着【zhe】温【wēn】区【qū】5、6温度的升高，铝浆【jiāng】局部烧穿了氮化硅保护层与Al2O3层，直接接触到了硅片，形成了额外的电【diàn】流【liú】通【tōng】道【dào】，所以填【tián】充因子上升【shēng】，串【chuàn】联电【diàn】阻下降。

 

　　PERC电池的并联电阻在烧结【jié】曲线【xiàn】变【biàn】化的过程中【zhōng】基本保持稳定，转换效率随【suí】着铝硅合金层厚度的增【zēng】加而上升，随【suí】着【zhe】氮【dàn】化硅保护层被【bèi】铝浆烧穿而迅速【sù】降低。

4 结论

Al2O3薄【báo】膜的钝化作用可【kě】以由烧【shāo】结前后的少子【zǐ】寿命变【biàn】化量【liàng】来衡【héng】量，在我【wǒ】们制备的【de】5组样品【pǐn】中，Al2O3薄膜【mó】越厚，少子【zǐ】寿命在【zài】烧结前后的增【zēng】加量越大，但过厚的Al2O3薄膜会对激光开膜造成影响【xiǎng】，降低PERC电池片【piàn】的填充因子，在此次试【shì】验【yàn】中，Al2O3厚度为20nm的样品【pǐn】获【huò】得了【le】最高的转换效率【lǜ】。Al2O3的表面钝化作用【yòng】在PERC电池的效率【lǜ】提升中起到了关键作用【yòng】。

由于PERC电池【chí】专用铝浆使用了【le】弱刻蚀性的玻璃体，所以相对与常规电池的烧结【jié】曲线，铝浆【jiāng】烧结区需【xū】要升高温度才能【néng】获【huò】得良好的铝硅合金【jīn】层(BSF)。过高的峰值【zhí】温度会导致铝浆烧穿Al2O3上【shàng】的SixNy保护层，破【pò】坏Al2O3的钝化效果，形【xíng】成额【é】外的导电【diàn】通【tōng】道，开路电压、短【duǎn】路电【diàn】流、串联电阻与转换效率均会大幅降低，但【dàn】并联电【diàn】阻相对保【bǎo】持稳【wěn】定。PERC电池的烧结既需要足够高的温【wēn】度来保证铝浆与【yǔ】硅片充【chōng】分【fèn】反应，又【yòu】需要【yào】将烧结温度限制在一【yī】定范围内【nèi】，以保【bǎo】证铝【lǚ】浆不会烧【shāo】穿Al2O3上的SixNy保护层。