超聲低溫等離子體在太陽能電池表面的改性作用

張信華 杜建建 杜文漢 賀 華

（1．常州工學院光電工程學院，江蘇 常州 213001；2．浙江大學信息與電子工程學院，浙江 杭州 310058；3．蘇州恩奇醫(yī)療器械有限公司，江蘇 蘇州 215011；4．西安電子科技大學機電工程學院，陜西 西安 710071）

1 低溫等離子體簡介

近年來，超聲低溫等離子體材料表面改性技術快速發(fā)展并得到了廣泛應用。超聲低溫等離子體包含的高能電子可以誘導許多反應，例如前驅體分子的離解和大量自由基的產(chǎn)生[2]。超聲低溫等離子體在材料表面改性具有低溫、高效以及不產(chǎn)生化學廢料等優(yōu)點，更重要的是在材料表面改性時，材料內部原有的特性并不會發(fā)生改變。

許多研究團隊、制造商都致力于提高太陽能電池的性能，并開展了大量的研究和開發(fā)工作。李小玄等人[3-4]在沉積工序之前采用NH3等離子對硅片表面進行預處理，研究不同預處理時間對硅片表面的影響，以及對氮化硅膜層結構和電性能的影響，結果表明，預處理時間對SiNx：H 膜層結構性質的影響不大。天津中環(huán)半導體有限公司對氫等離子體鈍化太陽能電池的表面懸掛鍵進行了研究，在最佳工藝條件下，獲得了雙面鈍化后的742 mV 開路電壓太陽能硅片，以及734 mV 開路電壓的異質結太陽能電池片。等離子體具有優(yōu)良的改性作用，但是到目前為止，沒有出現(xiàn)很有效的工藝技術，而該研究工作結合了超聲等離子體，對太陽能電池板表面進行處理，取得了不錯的效果。

2 測試常規(guī)工藝制備的多晶硅太陽能電池

該實驗采用常規(guī)工序制備太陽能光伏組件，除了層壓前采用超聲低溫等離子體對電池片表面進行處理外，其余都采用相同的制備工藝。通過形成的對照關系，分析超聲低溫等離子體處理前后太陽能電池組件的性能變化。首先，選擇10片標準電池片（156×156 規(guī)格）以正常工序制備成10 塊標準組件，每塊小組件內僅含一片電池片。使用太陽能組件測試儀測試10 片標準電池片的性能，測試結果見表1。

測試后取10 次測試數(shù)據(jù)的平均值，這樣可以降低自然誤差。常規(guī)多晶硅太陽能電池測試包括光電轉換效率、串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻、填充因子、短路電流、開路電壓、最大功率點數(shù)據(jù)等測試因素。各測試因素相互影響，最終決定了太陽能電池的質量。

3 測試利用超聲低溫等離子體進行表面處理的多晶硅太陽能電池

實驗的第二步是采用超聲低溫等離子體對多晶硅太陽能電池片表面進行處理。與傳統(tǒng)的等離子技術相比，其可在超低功率條件下實現(xiàn)較高的表面活化。例如，在正弦輸入電壓僅為12 Vpp～24 Vpp 的情況下，超聲低溫等離子體的輸出電壓可達15 kV，足以在空氣和其他工業(yè)氣體（如氮氣、氬氣）中產(chǎn)生放電現(xiàn)象。等離子本身溫度低于50 ℃，因此，幾乎適合對所有的溫敏材料進行表面處理，包括人體皮膚。所用超聲低溫等離子體設備內部結構圖如圖1 所示。

圖1 超聲低溫等離子體設備內部結構

其中硬PZT（鋯鈦酸鉛）陶瓷材料可以與內部銅電極共燒結在一起。該元件被設計成一種疊層Rosen 型壓電式變壓器。輸入側采用一種帶有銅內部電極的疊層結構，而輸出側則采用一種單片結構，如圖2 所示。

圖2 硬PZT（鋯鈦酸鉛）陶瓷

電壓轉換是借助形成的駐波在諧振頻率下，將輸入側的低壓轉換成機械耦合輸出側的高壓來實現(xiàn)的。壓電變壓器具有2 個電極。即主電極和第二電極，主電極為縱向（厚度）電極；第二電極為水平（長度）電極。當在初級側引入諧振頻率電壓時，在次級側產(chǎn)生強烈的機械振蕩。因為壓電變壓器在二次諧波振動模式下工作，它可以在振動節(jié)點處進行接觸和安裝，而且不會干擾其機械運動，因此，能夠同時產(chǎn)生超聲等離子體與低溫等離子體。

表1 標準組件測試結果

實驗采用超聲低溫等離子體對5 片電池片進行覆蓋式掃描后制備成組件，經(jīng)過太陽能組件測試儀測試的結果見表2。

測試結果均取平均值，與標準組件對比結果見表3。

測試結果表明，經(jīng)過超聲低溫等離子體掃描后組件的峰值功率從標準組件的526.571 mW 升高到了557.640 mW，整體上升5.9%。由峰值功率等于峰值電流與峰值電壓乘積的關系可以計算出組件峰值的功率參數(shù)，表3 中的數(shù)據(jù)也顯示出峰值電流與峰值電壓都有所上升。填充因子是太陽能電池組件的重要參數(shù)，表3 中的數(shù)據(jù)表明填充因子由0.808 上升至0.853，上升了5.55%。填充因子與串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻有關，串聯(lián)電阻由112.21 mΩ 下降到84.28 mΩ，并聯(lián)電阻由3.4 Ω 上升至4.0 Ω。由于采用單片電池片進行實驗測試，因此，串并聯(lián)電阻以及受它們影響的開路電壓、短路電流的變化很微小，對太陽能電池組件性能的影響也較小。最關鍵的因素還是太陽能電池組件的光電轉換效率，數(shù)據(jù)表明超聲低溫等離子體掃描太陽能電池后，其轉換效率由標準組件的3.24×10-4上升到了3.43×10-4，提升了6.02%。光電轉換效率的提升可以整體抬高組件的性能參數(shù)，提高單位面積的發(fā)電量，從而降低成本。

利用SEM 可以對太陽能電池片表面的物質性能進行微觀成像分析，標準組件及經(jīng)過超聲低溫等離子體處理后的組件的測試結果如圖3 所示。

超聲低溫等離子體由大量的電子、離子、中性粒子組成。超聲低溫等離子體中存在復雜的原子分子碰撞過程以及繁多的物理化學反應，這些粒子和這些復雜的過程作用于材料表面，會使材料表面的結構、成分和性能發(fā)生變化。由SEM照片可以看出，經(jīng)過超聲低溫等離子體處理過的材料表面，顯微結構更加有序，說明超聲低溫等離子體對表面質點產(chǎn)生作用并且誘導其質點取向一致。超聲低溫等離子體作用于材料表面后，材料表面吸附的氣體雜質會從材料表面脫附，這樣就消除了材料吸附氣體對材料表面質點的作用，所以經(jīng)過超聲低溫等離子體處理后的材料性能得到了改善。

4 實驗作用

實驗結果表明，超聲低溫等離子體能夠有效改善多晶硅太陽能電池的性能。通過以上測試得出，超聲低溫等離子體對光伏組件性能具有改善作用，結合對光伏組件的生產(chǎn)工藝的研究，可以推斷超聲低溫等離子體處理光伏組件的具體改良作用。其具體作用在光伏制備工藝中推測為以下5 個方面。

表2 經(jīng)過超聲低溫等離子體表面改性后的太陽能電池測試數(shù)據(jù)

表3 經(jīng)過超聲低溫等離子體表面處理后的太陽能組件與標準組件的測試對比

4.1 清洗電池片表面

電池片表面會因為員工排片或焊接過程中手指碰觸會留下指紋以及油污等，電池片表面具有細致的絨面結構，因此清理起來比較困難。油污等會阻礙電池片表面對光的吸收及利用，導致組件的發(fā)電效率降低。超聲低溫等離子體會通過電離氣體產(chǎn)生高溫高速的電子束流（宏觀呈現(xiàn)低氣體溫度），束流在軸向風機的作用下吹掃，去除電池表面的油污、指紋等，從而起到清洗的作用。

4.2 表面制絨

多晶硅光伏電池表面需要通過制絨工藝來制備一層蠕蟲狀的絨面，以此來提高光的吸收和利用效率。一般制備工藝是利用硝酸和氫氟酸按一定配比對多晶硅電池表面進行絨面腐蝕制備，在硅片表面形成一層多孔硅。多孔硅可以作為吸雜中心，提高光生載流子壽命并且具有較低的反射系數(shù)。但是多孔硅結構松散不穩(wěn)定，具有較高的電阻以及表面復合率。超聲低溫等離子體的高速粒子撞擊在電池片表面，一方面可以將絨面處理的更加細致有序，另一方面也可以使表面結構更加穩(wěn)定，減少了復合中心的產(chǎn)生。

圖3 電池片表面SEM 圖

4.3 溫性刻蝕

光伏制備工藝中由于磷的擴散，電池片表面及邊緣會不可避免的摻入磷元素。光生電子會隨著磷的擴散由正面流動到背面，造成PN 結短路，從而導致并聯(lián)電阻降低。并聯(lián)電阻反映的是電池的漏電水平，它會影響太陽電池的開路電壓，它的減小會使開路電壓降低，但對短路電流基本沒有影響。電池片表面還會形成PSG（磷硅玻璃），PSG 易吸收空氣中的水分，導致電流降低和功率衰減。超聲低溫等離子體可以通過粒子吹掃將多余擴散的磷分解，從而達到去除PSG 的目的。

4.4 表面鈍化

光伏電池制備過程中由于切割工序的存在，會在電池片表面形成懸掛鍵，懸掛鍵具有捕獲光生載流子的作用，限制光電流的產(chǎn)生，是光伏電池較為嚴重的能量損失方式。超聲低溫等離子體可以電離氫氣體，用氫離子來修補鈍化電池片表面的懸掛鍵，使硅原子恢復到穩(wěn)定結構。

4.5 降低死層影響

在擴散區(qū)中，由于不活潑磷原子處于晶格間隙位置，會引起晶格缺陷。由于磷和硅的原子半徑不匹配，高濃度的磷還會造成晶格缺陷。因此，在硅電池表層中，少數(shù)載流子的壽命極低，表層吸收短波光子所產(chǎn)生的光生載流子對電池的光電流輸出貢獻甚微，因此，該表層稱為“死層”?！八缹印钡拇嬖谑遣豢杀苊獾模强梢岳靡恍┓椒▉斫档汀八缹印钡挠绊?。超聲低溫等離子體的吹掃可以使表面磷原子分布更加均勻，促進磷原子的正確落位，從而降低了電池片表面的死層影響。

5 結論

超聲低溫等離子體處理的一個顯著特點是對工藝參數(shù)進行控制，使其具有良好的可靠性和重現(xiàn)性，特別是在工業(yè)生產(chǎn)中。超聲低溫等離子體技術在不久的將來有望在第三代太陽能電池中發(fā)揮重要作用。