北極星太陽能光伏網訊:黑矽PERC 多晶太陽電池採用背拋光工藝，其背面刻蝕深度在4.0±0.2 μm，在800～1050 nm的光學波長範圍內，其反射率較常規刻蝕製備的黑矽多晶太陽電池提升了10% 左右；採用氧化鋁及氮化矽鈍化製備的黑矽PERC 多晶太陽電池，WT-2000 測得其少子壽命達到33 μs；開路電壓提升了15.2 mV，短路電流提高了0.372 A，效率達到20.06%。
（來源：微信公眾號「太陽能雜誌光伏盒子」作者：於琨等）
01實驗準備及製備流程
1.1 實驗準備
1) 物料：採用p 型多晶矽片，尺寸規格為156.75±0.25 mm，厚度為190 μm，電阻率為1～3 Ω•cm。
2) 化學品：時創PS30 拋光劑，臺灣長陽IP1257-L 型氧化鋁漿料。
3) 檢測設備：膜厚測試設備SE400 橢偏儀、D8-4 積分反射儀、少子壽命測試儀WT-2000、JJ224BC 電子天平、蔡司Axio Scope A1 顯微鏡、Gemini Sigma 300 SEM 場發射掃描電鏡、I-V 測試設備Berger PSS10。
1.2 製備流程
採用氧化鋁漿料製備黑矽PERC 多晶太陽電池的工藝流程為：①黑矽制絨→②擴散→③刻蝕去PSG →④背面拋光→⑤印刷氧化鋁漿料/ 燒結→⑥ PECVD 正面鍍膜→⑦ PECVD 背面鍍膜→⑧雷射開槽→⑨印刷燒結測試→⑩電注入退火。相對黑矽多晶太陽電池的製備，增加了步驟④、⑤、⑦、⑧、⑩。
02結果討論
2.1 背拋光效果
化學清洗對PERC 結構的太陽電池的開路電壓有影響。Huang 等[5] 發現， 使用HF → SC1 → SC2 → HF 溶液清洗矽片後製備的太陽電池，較使用常規HCl → HF 溶液清洗的開路電壓提升了3～4 mV。由於黑矽制絨已經使用SC1 去除金屬汙染，因此背面拋光及清洗採用槽式設備依次經過KOH+H2O2 → KOH+PS30→DI→HCl+H2O2(SC2)→DI→HCl+HF→DI→加熱DI → N2 烘乾。其中，拋光槽體積配比為DI:KOH:PS30=280:13.5:7.5，溫度為70 ℃，時間為200～240 s，矽片減重在0.22～0.24 g/ 片，背面刻蝕深度在4.0±0.2 μm。使用Gemini Sigma 300SEM 場發射掃描電鏡觀察拋光效果，如圖1 所示。
從圖1 中可以看出，5000 倍放大觀察，矽片部分區域存在凹凸；而圖1b 是20000 倍觀察，矽片表面相對平整，拋光效果較好。
背拋光後矽片背面反射率為47%～50%，比常規刻蝕後的背面反射率高15% 左右，如圖2 所示。由於短波段(<500 nm) 在矽片表面 1 μm深度內會被吸收，所以主要考慮矽片背面在長波段(800～1050 nm) 的情況。背拋光矽片背面反射率為42.67%，較常規刻蝕的31.19% 高出10%左右，結果也優於鏈式溼刻的31.90%[6]。這表明，背拋光工藝在提升矽片背面反射率方面起到了重要作用。
2.2 印刷氧化鋁
氧化鋁漿料的主要成分為：納米級氧化鋁前驅物、穩定劑、四配位誘導劑。印刷氧化鋁後電池增重為0.22～0.24 g/ 片，漿料膜厚約20 μm。氧化鋁分子間主要由穩定劑的空間位阻進行分散與支撐，使用Despatch 燒結爐預燒結，氧化鋁分子開始聚集，經過860 ℃峰值溫度燒結後形成較為緻密的鈍化層，如圖3 所示。鈍化層與矽接觸部分形成正四面體結構，晶體中多了1 個氧的負電荷，可將p 型電池的少子( 電子) 反射回去減少複合，實現電池背面的有效鈍化。
峰值溫度過高將導致Al-O4減少，氧化鋁漿料燒結溫度通常低於金屬化燒結溫度，介質層中H 的含量隨著氧化鋁沉積溫度的升高而降低，所以降低溫度有利於氫鈍化與氧化鋁鈍化平衡，以形成良好的鈍化效果[8]。氧化鋁燒結後膜厚約為110～130 nm，如圖4 所示。
使用Roth & Rau SiNA XXL 平板式鍍膜設備製備厚度為84～88 nm 的正面氮化矽膜和厚度為130～140 nm 的背面氮化矽膜，折射率範圍為2.08～2.10，背面氮化矽膜較厚是因為需要避免鋁漿中的侵蝕性成分腐蝕減薄氮化矽層，最後形成的氧化鋁/ 背面氮化矽疊層厚度約為230～250 nm，如圖5 所示。
背拋光後矽片印刷氧化鋁並燒結，使用WT-2000 設備測試少子壽命值在10 μs 左右；完成氧化鋁及正、背面氮化矽鍍膜後進行燒結，測試少子壽命，達到33 μs 以上，如圖6 所示；這與採用ALD 方式製備的黑矽PERC 多晶太陽電池的少子壽命38.92 μs 相近[9]，但存在一定的波動性。
使用蔡司Axio Scope A1 顯微鏡觀察氧化鋁燒結後的矽片背面，如圖7 所示。背面局部存在一些微小的孔隙，造成這一現象的原因是燒結後氧化鋁漿料厚度驟降約200 倍，分子成膜存在不均勻性。採用PECVD、ALD 技術製備的氧化鋁膜厚度分別在8～20 nm、4～7 nm 以內[10-11]，印刷氧化鋁膜厚是前者的幾十倍，其膜層較厚處比較薄處增加了10 nm 以上( 見圖4)。採用ALD技術製備氧化鋁膜，隨著膜厚增加，樣品的少子壽命退化，由此推測印刷氧化鋁膜厚差異會影響少子壽命的穩定性。
2.3 黑矽PERC 多晶太陽電池的電性能分析
鍍膜鈍化後的矽片進行雷射開槽，使用PERC 經印刷燒結進行五主柵太陽電池的製備；製備完成後使用時創Anti-LID 4800 電注入設備進行退火處理，然後測試電池效率達到了20.06%，具體如表1 所示。表1 中的對比組為未經過電注入處理的黑矽多晶太陽電池。
採用背拋光結合氧化鋁/ 氮化矽疊層鈍化製備的電池的短路電流比黑矽多晶太陽電池提升了0.372 A；少子壽命達到33 μs，開路電壓提升了15.2 mV；雷射開槽造成電池背面鈍化層損傷，降低了填充因子；電注入退火後測試電池效率提升了0.98%，效率達到20% 以上。
2017 年12 月，協鑫集成、上海神舟新能源採用PECVD/ALD 技術製備PERC 多晶矽太陽電池，效率分別達到了20.15% 和20.32%。採用印刷氧化鋁方式製備的太陽電池效率較前者約低0.1%～0.2%，可能的原因在於：
1) 燒結過程中氧化鋁膜厚急劇降至100 nm 左右，顯微鏡觀察到膜存在一些孔隙，因此，成膜存在不均勻性；
2) 氧化鋁燒結後成膜的厚度差異超過10nm，場鈍化存在不均勻性。
03結論
本文製備了黑矽PERC 多晶太陽電池，採用拋光工藝使矽片背面反射率較黑矽多晶太陽電池提升了10% 以上；結合印刷氧化鋁及氮化矽鈍化後，製備的電池的少子壽命達到33 μs，開路電壓提升了15.2 mV，效率提升了0.98%，達到了20.06%。
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