SE+PERC高效太陽電池激光摻雜研究

（晶澳太陽能有限公司，河北邢臺 055550）

0.引言

太陽能資源豐富，是潔凈的一次能源及無污染的可再生能源。近年來，晶硅太陽電池取得了一系列新突破、新成果，光伏產(chǎn)業(yè)化及持續(xù)研發(fā)日新月異。先進技術(shù)不斷向產(chǎn)業(yè)擴散，大大降低了太陽能光伏的發(fā)電成本。當前環(huán)保需求日趨嚴峻，在國家政策對太陽能光伏行業(yè)扶持的下、在行業(yè)提效降本的核心宗旨下，技術(shù)進步已成為降低太陽能光伏發(fā)電成本、提高轉(zhuǎn)換效率、促進晶硅太陽電池發(fā)展的重要因素。

在太陽能電池的眾多參數(shù)中，發(fā)射極[1]是最能影響轉(zhuǎn)換效率的因素之一，SE+PERC高效電池是其中最典型的產(chǎn)業(yè)化應用，圖1為SE+PERC高效電池制備工藝流程示意圖。

圖1 SE+PERC單晶硅太陽電池制備工藝示意圖

選擇性發(fā)射極(SE, selective emitter,)晶硅太陽電池，即在金屬柵線與硅片接觸部位進行高濃度摻雜，在電極以外的區(qū)域進行低濃度摻雜。這種結(jié)構(gòu)設計，通過選用功率小、成本低的波長532nm綠光激光器來實現(xiàn)，對擴散后硅片按照既定圖形進行掃描摻雜，利用激光能量對擴散磷硅玻璃層熔融形成金屬化重摻區(qū)域，既降低了硅片基體與正面金屬電極間的接觸電阻，又降低了表面擴散層的復合[2]，提高光線的短波響應，使得短路電流、開路電壓及填充因子都得到較好的改善，從而轉(zhuǎn)換效率得到提升。

本文在保證太陽電池轉(zhuǎn)換效率及和良品的前提下，主要研究SE激光摻雜工藝條件及窗口優(yōu)化，分析激光功率對硅片表面微觀損傷[3]、光斑間距摻雜效果及光斑大小等與轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系，尋找提升電池效率的方案。

1.試驗儀器與原料

1.1 試驗儀器

本文采用DR納秒激光器進行激光摻雜，采用奧林巴斯顯微鏡測試樣品微觀結(jié)構(gòu)，采用四探針方阻測試儀測試激光摻雜后方塊電阻，采用WT-1200A測試少子壽命，采用天準輪廓儀測試激光光斑形貌，采用德國Halm高精度I-V測量系統(tǒng)表征電池電性能。

1.2 試驗原料

本文采用太陽能級摻鎵P型金剛線切割單晶硅片襯底，尺寸158mm×158mm，厚度165μm～175μm，電阻率范圍0.4Ω·cm～1.1Ω·cm。試驗樣品為同一根硅棒切割硅片。

2.試驗設計與結(jié)果分析

2.1 試驗設計

試驗樣品分為14組，每組50片，分別在同一制絨機臺采用相同工藝配方進行制絨，然后將試驗樣品同一擴散爐管采用相同擴散工藝配方進行擴散，擴散方阻值控制在150±3Ω。14組樣品擴散后分別采用表1試驗方案進行處理，然后按照SE+PERC工藝路線，相同機臺相同工藝配方下傳至印刷，收集各樣品電性數(shù)據(jù)。

表1 試驗方案

2.2 試驗結(jié)果與分析

2.2.1 不同激光功率

由試驗設計可知，在擴散方阻150Ω同一條件下，樣品1～樣品5對應設計激光功率由低逐漸升高，正方形光斑大小固定120μm、光斑間距0μm、激光速度28m/s、激光頻率230kHz。

由圖2趨勢可見，伴隨激光功率升高，擴散150Ω硅片經(jīng)激光摻雜后，重摻方阻逐漸降低，與激光功率成反比關(guān)系；方阻降幅逐漸升高，與激光功率正相關(guān)；即激光功率越高，PSG層中的過量磷單質(zhì)被摻雜深入PN結(jié)越多，結(jié)深會越深。

圖2 不同功率方塊電阻變化趨勢

圖3為不同試驗條件，激光摻雜后硅片正面激光線二次元狀態(tài)?？梢悦黠@看到二次元外觀光斑隨激光功率提高而形態(tài)明顯，即隨激光能量增高，激光熔融性增加，光斑發(fā)白發(fā)亮。單一光斑在激光低功率時，光斑顯虛，摻雜程度較輕，在高功率下整體光斑線條充實，無虛打現(xiàn)象，摻雜程度較深。

圖3 不同功率激光形貌

不同激光功率下各條件對應激光后硅片的微觀形貌，通過奧林巴斯顯微鏡進行測試，如圖4所示。在激光功率60%～90%逐漸提高時，硅片摻雜區(qū)域的表面微觀損傷在逐漸加重。微觀下金字塔尖被激光能量逐漸熔融燒蝕掉，功率越大金字塔燒蝕越嚴重，表明摻雜損傷明顯。金子塔尖損傷會影響到硅片表面光學吸收以及鈍化效果，進而影響成品電性能[4]。

圖4 不同功率金字塔損傷

激光摻雜后電性數(shù)據(jù)如表2所示，樣品2功率在70%，即27W時，電性表現(xiàn)最優(yōu)、效率表現(xiàn)最高，低功率或高功率均對電性產(chǎn)生劣勢。尤其高功率電流、電壓偏低較多，漏電較大，受高激光功率對微觀金字塔損失，影響光學吸收以及鈍化效果；而且過高激光功率導致的機械損傷，也會影響發(fā)射極與金屬電極之間歐姆接觸；反之激光功率過低，重摻方阻會高，也會影響發(fā)射極與金屬電極之間歐姆接觸，從而影響效率。

表2 不同功率電性數(shù)據(jù)

2.2.2 不同光斑疊率影響

由試驗設計可知，在擴散方阻150Ω同一條件下，通過調(diào)節(jié)打標速度將樣品6～樣品11對應設計激光重疊率由高逐漸降低，正方形光斑大小固定120μm、激光功率27W、激光頻率230kHz。

測試各條件摻雜后重摻方阻及方阻降幅趨勢如圖5所示，光斑重疊率越高重擴降幅越高，重擴后方阻越低。結(jié)合輪廓儀測試二次元成像，如圖6所示，重疊區(qū)域受到激光二次掃描打斑，其二次元下顏色尤為白亮，與激光高功率條件顏色表現(xiàn)接近。

圖5 不同重疊率方塊電阻變化趨勢

圖6 不同重疊率激光形貌

對比激光摻雜后成品電性[5]數(shù)據(jù)，隨著重疊率的升高，電性電流、開壓均有不同程度下降。與激光高功率電性能表現(xiàn)一致；重疊率越低，光斑呈現(xiàn)為相離狀態(tài)，表面輕摻區(qū)域相對增加，重擴降幅逐漸降低，重擴后方阻升高，激光重疊-10%～-50%效率先升高后降低，激光重疊-30%效率最優(yōu)，表面損傷相對較少，鈍化面積被破壞相對較少，光學吸收較好，開壓相對較高，同時不影響歐姆接觸，輕、重摻雜區(qū)域匹配達到最優(yōu)。

表3 不同重疊率電性數(shù)據(jù)

由試驗設計可知，在擴散方阻150Ω同一條件下，通過調(diào)節(jié)激光線寬將樣品12～樣品14對應設計激光線寬由高逐漸降低，激光功率27W、激光頻率230kHz、打標速度28m/s。

激光打斑掃描后得到不同條件光斑二次元形貌，見圖7。結(jié)合電性數(shù)據(jù)表4分析，顯示光斑越小，重摻區(qū)面積越小，表面鈍化受到損傷越少，絨面損傷越少，由此增加輕摻受光面積，提升電流、開路電壓。但是激光線寬也不能無限制減小，當激光線寬過小，印刷套印容易出現(xiàn)異常，從而導致云狀發(fā)黑以及FF異常，最終出現(xiàn)電性異常情況。受現(xiàn)有印刷機臺以及摻雜激光精度限制，激光線寬最低95μm。

圖7 不同線寬激光形貌

表4 不同線寬電性數(shù)據(jù)

在套印正常情況下，效率隨光斑尺寸減小而提高，結(jié)合具體電性中開壓、電流提升明顯，表明整體小光斑效率優(yōu)勢主要來源于遮光面積減小，表面鈍化、微觀損傷小的貢獻。

3.結(jié)論

本文通過對激光功率高低、光斑重疊率、光斑大小三個方面進行分析研究，得出激光功率在70%～80%對摻雜效果最佳，并且微觀表面損傷較小，效率最優(yōu)；激光相同功率下重疊率越高微觀表面損傷越嚴重，重摻結(jié)深越深，表面濃度越低，光學吸收影響越嚴重，效率損失越大，重疊率越低為-50%時出現(xiàn)效率損失；疊率影響重摻面積，重摻區(qū)域面積減少，影響金屬接觸區(qū)域面積，對光生電流傳導與金屬柵線接觸產(chǎn)生影響，重疊率-30%效率最優(yōu)，主要為遮光面積增加貢獻。相同激光工藝下，光斑越小、表面遮光面積越小，微觀、鈍化越好，絲網(wǎng)印刷套印匹配度要求越高，效率越高。本文研究結(jié)果可在太陽電池產(chǎn)線推廣。