北極星太陽能光伏網訊:摘要：以Al2O3/SixNy為鈍化層，製備了PERC單晶矽太陽電池，研究Al2O3鈍化層厚度對鈍化效果的影響，分析矽片少子壽命變化、燒結曲線對PERC電池電性能參數的影響。
引言
隨著能源日益緊張，環境保護越來越迫切，可再生綠色能源越來越受到人們的關注。矽太陽電池是研究熱點之一，也是目前唯一產業化的太陽電池。為了進一步優化其生產工藝、提高晶體矽電池片效率、降低生產成本，此前已有諸多研究，20世紀80年代，澳大利亞新南威爾斯大學光伏實驗室提出了PERC結構太陽電池，打破了當時晶體矽太陽電池轉換效率的記錄，也是目前唯一產業化的高效太陽電池技術[1,2]。PERC電池在常規電池基礎上增加了背面Al2O3/SiNxHy層疊鈍化與雷射開孔工藝。利用Al2O3薄膜的場鈍化效應與SiNxHy薄膜的氫鈍化效應將矽片的有效載流子壽命由10～20μs提高到100～120μs[3,4]，同時利用雷射對Al2O3/SiNxHy層疊薄膜進行局部開孔，使鋁漿能通過孔洞與矽片形成良好的歐姆接觸。本文研究工業生產中工藝參數與PERC電池轉換效率之間的關係，分析工藝參數對矽片少子壽命的影響，並得出少子壽命與PERC電池轉換效率之間的關係，探討燒結過程對PERC電池性能的影響及其內在機理。
1、Al2O3對矽的鈍化機理
Al2O3中鋁原子存在兩種配位方式：6個氧原子的八面體中心位置和4個氧原子的四面體中心位置。在PECVD生長的Al2O3薄膜中，這兩種形態的Al2O3同時存在[5]。經過高溫熱處理過程，八面體結構會轉換為四面體結構，產生間隙態氧原子，間隙態氧原子奪取p型矽中的價態電子，形成固定負電荷，使Al2O3薄膜顯出負電性，在Al2O3/Si界面產生一個指向矽片內部的界面電場，使載流子可迅速逃離界面，降低界面複合速率，提高矽片少子壽命[6-8]。
2、Al2O3厚度對電池特性的影響
採用梅耶博格公司的瑪雅設備來製備Al2O3/SixNy薄膜與背面保護氮化矽薄膜，高頻信號發生器頻率為13.56GHz。所用氣體為三甲基鋁(TMA)、高純氬氣、高純氨氣和高純矽烷，實驗時反應氣體直接通入反應腔體內，反應腔體壓力為10～30Pa，反應溫度為300～400℃。正面氮化矽使用中國電子科技集團公司第四十八研究所PECVD設備製備，高頻信號發生器頻率為40kHz。採用西安隆基M2單晶矽片。使用Sinton公司的WCT120設備檢測矽片的少子壽命。使用Despatch公司生產的高溫燒結爐進行高溫快速熱處理。
2.1、 Al2O3厚度對矽片少子壽命的影響
為了研究Al2O3薄膜厚度對矽片少子壽命的影響，我們製備了不同厚度的Al2O3薄膜，保護SixNy薄膜的厚度為100nm，折射率為2.1，正面SixNy厚度為80nm，折射率為2.0。當Al2O3鍍膜時間為60s時，使用SENTECHSE800型橢偏儀測試Al2O3厚度為25nm，假定Al2O3薄膜生長速率恆定，通過調整鍍膜時間來調整Al2O3薄膜厚度。使用Sinton公司的WCT120型少子壽命測試儀分別測試快速熱處理前後的少子壽命，快速熱處理溫度曲線採用常規太陽電池燒結溫度曲線。結果如表1所示。
WCT120少子壽命測試儀的少子壽命測試結果為矽片的有效少子壽命，矽片有效少子壽命受載流子體壽命與載流子表面壽命的雙重影響，SixNy的鈍化作用主要體現在體鈍化效果上，Al2O3的鈍化作用主要體現在表面鈍化效果上。由於Al2O3的表面鈍化效果只有經過熱處理過程才能體現出來，所以能夠以熱處理前後少子壽命增加量來衡量Al2O3薄膜的鈍化效果。從理論上講，5nm厚度的Al2O3薄膜就足以對矽片表面進行充分鈍化[9]，但在這組實驗中，厚度為5nm的Al2O3樣品在燒結前後的少子壽命增加只有11μs，而厚度為25μm的Al2O3樣品在燒結前後的少子壽命增加為103μs，少子壽命的增加量隨Al2O3薄膜厚度增加而增多。這種現象是由於在實際生產中矽片表面粗糙造成，粗糙的表面造成Al2O3薄膜分布不均勻，局部區域的Al2O3薄膜厚度過低，從而影響了鈍化效果，隨著薄膜整體厚度的增加，Al2O3薄膜的覆蓋率逐步增加，使得Al2O3薄膜的表面鈍化作用體現的更加明顯。
在熱處理前，矽片少子壽命隨著Al2O3薄膜後的增加而減少，這是由於Al2O3薄膜阻擋了背面SixNy對矽片的體鈍化作用導致。在SixNy薄膜的體鈍化作用與Al2O3薄膜的表面鈍化的共同作用下，矽片在熱處理後的少子壽命相差較小。
2.2 、Al2O3厚度對PERC電池電性能參數的影響
Al2O3厚度與PERC電池電性能參數的關係如表2所示。
隨著Al2O3厚度由5nm升高到20nm，電池片效率由19.45%升高到20.82%，開路電壓由641mV升高到662mV，短路電流由9.04A升高到9.42A，填充因子基本持平。這說明Al2O3的表面鈍化作用在PERC電池的效率提升中起到了關鍵作用。在Al2O3薄膜厚度增加到25nm後，電池轉換效率反而有所降低，尤其填充因子降低明顯，這可能是後續工序的雷射能量偏低，對開膜部分的Al2O3薄膜清除不徹底，影響了鋁漿與矽片之間的歐姆接觸而導致。
3、燒結曲線對電池片性能的影響
3.1 、燒結溫度對鋁矽合金層厚度的影響
為了研究燒結溫度對鋁矽合金層的影響，首先以常規單晶電池燒結曲線對PERC電池片進行燒結，然後使用掃描電鏡觀察測量剖面，PERC背面鋁漿為南通天盛公司生產的BD-5型號鋁漿。
如圖1所示，以常規溫度曲線燒結的PERC電池的鋁矽合金層(BSF)只有約1μm。常規單晶電池的鋁矽合金層厚度通常約為10μm。PERC電池專用鋁漿為了保護背面Al2O3鈍化層而使用了弱刻蝕的玻璃體，這應是導致差異的主因。嘗試提高燒結爐溫區3、4溫度，再次進行燒結與檢測，如圖2所示，鋁矽合金層厚度為3.55～4.72μm，相對於常規燒結曲線，鋁矽合金層厚度明顯增加。鋁矽合金層厚度將直接影響鋁背場對載流子的收集效率，從而影響PERC電池的電性能參數。
鋁矽合金層厚度將直接影響載流子的複合速率，從而影響PERC電池的電性能參數，厚度大於2μm的鋁矽合金層可有效降低載流子複合速率[10]。
3.2、燒結曲線對PERC電池轉換效率的影響
對比了以下5組燒結曲線，分析對比開路電壓、短路電流、填充因子等電性能參數，燒結爐帶速為5m/min。其中編號a的曲線為常規電池燒結曲線。
開路電壓和短路電流呈相同變化趨勢，隨著溫區3、4溫度升高而上升，隨溫區5、6溫度升高而降低。由上述研究可知，在溫區3、4溫度上升的過程中，PERC電池的鋁矽合金層(BSF)厚度逐漸增加，所以開路電流和短路電壓隨之升高。當溫區5、6溫度升高時，鋁漿很可能燒穿了Al2O3薄膜上的氮化矽保護層，Al2O3鈍化層受到破壞，鈍化作用下降，所以導致開路電壓、短路電流下降。
當溫區3、4溫度升高時，填充因子、並聯電阻的變化並不明顯，但是隨著區溫5、6溫度的升高，填充因子迅速增大，並聯電阻迅速減小。在溫區3、4溫度升高階段，鋁漿對氮化矽保護層的侵蝕作用有限，氮化矽保護層起到了很好的保護作用，而隨著溫區5、6溫度的升高，鋁漿局部燒穿了氮化矽保護層與Al2O3層，直接接觸到了矽片，形成了額外的電流通道，所以填充因子上升，串聯電阻下降。
PERC電池的並聯電阻在燒結曲線變化的過程中基本保持穩定，轉換效率隨著鋁矽合金層厚度的增加而上升，隨著氮化矽保護層被鋁漿燒穿而迅速降低。
4、結論
Al2O3薄膜的鈍化作用可以由燒結前後的少子壽命變化量來衡量，在我們製備的5組樣品中，Al2O3薄膜越厚，少子壽命在燒結前後的增加量越大，但過厚的Al2O3薄膜會對雷射開膜造成影響，降低PERC電池片的填充因子，在此次試驗中，Al2O3厚度為20nm的樣品獲得了最高的轉換效率。Al2O3的表面鈍化作用在PERC電池的效率提升中起到了關鍵作用。
由於PERC電池專用鋁漿使用了弱刻蝕性的玻璃體，所以相對與常規電池的燒結曲線，鋁漿燒結區需要升高溫度才能獲得良好的鋁矽合金層(BSF)。過高的峰值溫度會導致鋁漿燒穿Al2O3上的SixNy保護層，破壞Al2O3的鈍化效果，形成額外的導電通道，開路電壓、短路電流、串聯電阻與轉換效率均會大幅降低，但並聯電阻相對保持穩定。PERC電池的燒結既需要足夠高的溫度來保證鋁漿與矽片充分反應，又需要將燒結溫度限制在一定範圍內，以保證鋁漿不會燒穿Al2O3上的SixNy保護層。
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