二合一管式PECVD背鈍化工藝優(yōu)化研究

張福慶 王貴梅 孫曉凱 張玉松 張若凡

（晶澳太陽能有限公司，河北邢臺 055550）

0.引言

近年來，在P型晶硅太陽電池市場，SE-PERC電池仍占據(jù)主流，以其可增加電池的光電轉(zhuǎn)化率，提升組件功率。SE-PERC電池利用良好的表面鈍化技術(shù)，降低晶硅表面態(tài)密度和表面少子復(fù)合速率[1]，在效率提升方面?zhèn)涫芮嗖A。同時，背面的鈍化增益也尤為重要。

隨著太陽電池技術(shù)的發(fā)展,良好的表面鈍化成為制備高效電池必不可少的條件。表面鈍化通過飽和半導(dǎo)體表面處的懸掛鍵，降低界面態(tài)密度，同時鈍化膜的存在避免了雜質(zhì)在表面層的引入形成復(fù)合中心，降低復(fù)合速率。目前晶硅太陽電池常用的背表明鈍化技術(shù)有背面氧化硅鈍化、背面氧化鋁鈍化和背面氮化硅鈍化等，背面鈍化主要通過降低硅基底表面缺陷、形成良好的場鈍化、提升長波段光的利用率等增強(qiáng)晶硅表面的鈍化效果，有效提高少子壽命[2]。

本文選擇在SE-PERC電池工藝上，通過二合一管式PECVD背鈍化設(shè)備進(jìn)行背面鈍化鍍膜工藝優(yōu)化，提升電池光電轉(zhuǎn)換效率，為SE-PERC太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)化提供工藝方案。

1.試驗(yàn)

1.1 電池結(jié)構(gòu)示意圖

本文基于SE-PERC晶硅太陽電池進(jìn)行試驗(yàn)，電池基本結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

圖1 雙面PERC太陽電池基本結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗(yàn)材料及儀器

試驗(yàn)樣品采用太陽能級摻稼P型為158.75mm×158.75mm方形R∠晶硅片，電阻率為0.8Ω·cm～1.1Ω·cm，厚度為（160±3）μm。

試驗(yàn)中使用捷佳偉創(chuàng)二合一管式PECVD設(shè)備（PD450）進(jìn)行背面鈍化膜制備，利用激光橢偏儀（SE-400）進(jìn)行氧化鋁、氮氧化硅、氮化硅等薄膜的厚度及折射率測試，使用美國Sition的WCT-120測試成品片模擬開壓。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)5個條件，對不同的背鈍化工藝進(jìn)行比較分析，詳見表1所述。

表1 不同背鈍化工藝條件

按照如圖2所示試驗(yàn)流程進(jìn)行，試驗(yàn)樣片在背鈍化工藝前，所經(jīng)機(jī)臺及工藝參數(shù)一致，樣片在經(jīng)過退火熱氧化工序后，表面已經(jīng)形成一層SiO2鈍化薄膜[4]，可視為各個條件在背鈍化前均無差異。

圖2 太陽電池制備試驗(yàn)工藝流程

2.試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 電性能測試

按照圖2電池制備流程圖，將各試驗(yàn)條件電池片經(jīng)各工序下傳至檢測工序，進(jìn)行電池片電性能測試。采用在線Halm測試系統(tǒng)進(jìn)行I-V測試，光譜波長為300nm～1200nm。測試機(jī)臺校準(zhǔn)使用光衰10h后電池片，以單片校準(zhǔn)片重復(fù)測試的方式，測試5次，測試效率波動達(dá)到±0.03%以內(nèi)，視為合格。

測試試驗(yàn)所以電池片的電性能，統(tǒng)計(jì)各試驗(yàn)條件其各項(xiàng)電性能平均值，如表2所示。表中：Eta為平均光電轉(zhuǎn)換效率；Uoc為平均開路電壓；Isc為平均短路電流；FF為平均填充因子；Rs為平均串聯(lián)電阻；Rsh為平均并聯(lián)電阻；IRev2位平均漏電。

表2 不同試驗(yàn)條件電池片電性能數(shù)據(jù)

由以上數(shù)據(jù)可知，條件1試驗(yàn)電池片光電轉(zhuǎn)換效率最低，在試驗(yàn)背景下表明對應(yīng)背鈍化工藝的鈍化效果最差，條件4、條件5試驗(yàn)電池片的光電轉(zhuǎn)換效率基本持平，且轉(zhuǎn)換效率最高，表明其背鈍化工藝的鈍化效果最好。

不同背鈍化工藝試驗(yàn)條件電性能數(shù)據(jù)顯示，隨著背鈍化工藝的變化，背鈍化效果進(jìn)一步提升，條件5電池片的轉(zhuǎn)換效率最高，表明在氧化鋁+氮化硅常規(guī)背鈍化工藝的基礎(chǔ)上，增加預(yù)淀積工藝、氮氧化硅工藝[5]、氧化硅工藝，并按條件5列膜層分布，可進(jìn)一步提升電池片光電轉(zhuǎn)換率0.25%。同時可發(fā)現(xiàn)，隨著預(yù)淀積工藝、氮氧化硅工藝的逐步添加，試驗(yàn)電池片的光電轉(zhuǎn)換效率也在逐步提升。

2.2 模擬開壓測試

使用WCT-120測試各條件電池片的準(zhǔn)中性區(qū)基區(qū)和發(fā)射級區(qū)中復(fù)合產(chǎn)生的飽和暗電流密度（Jo1）、空間電荷區(qū)中的復(fù)合產(chǎn)生的飽和暗電流密度（Jo2）、理想填充因子（pFF）以及模擬開壓（Voc）。使用成品電池片測試更能直觀的反映出電池片整體的鈍化效果，測試結(jié)果如表3所示。

表3 不同試驗(yàn)條件電池片WCT-120測試數(shù)據(jù)

由表3中可見，因各試驗(yàn)條件使用同一切片硅棒，經(jīng)同一工序，故Jo2與pFF差異基本一致。條件5中對應(yīng)的Voc最高，Jo1最低；結(jié)合各試驗(yàn)條件電性能分析，條件5中對應(yīng)的開路電壓最高。其他幾個條件SunsVoc測試結(jié)果顯示，Voc偏低、Jo1偏高，而Jo2和pFF基本持平，表明其鈍化效果差主要受表面鈍化影響。

由此可知，條件5的氧化鋁+預(yù)淀積+氮氧化硅+氧化硅+氮化硅背鈍化工藝，對硅片具有更好的鈍化效果，可以提高太陽電池的開路電壓，提升太陽電池的少子壽命[6]。

2.3 量子效應(yīng)EQE測試

電池片的量子效率為太陽能電池的電荷載流子數(shù)目與照射在太陽能電池表面一定能量的光子數(shù)目的比率，在不考慮電池片表面對光的反射時稱為電池片的外部量子效率External Quantum Efficiency，簡稱 EQE[7]。

將上述5個試驗(yàn)條件的成品電池片進(jìn)行EQE測試，主要分析不同背鈍化工藝下電池片EQE的變化。以條件5為基準(zhǔn)條件，分別與其他條件進(jìn)行兩兩對比，并進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示，圖中EQE為電池片外量子效率，λ為波長。

圖3 不同試驗(yàn)條件下太陽電池EQE情況對比

由以上各試驗(yàn)條件成品片EQE測試結(jié)果可知，太陽電池的量子效應(yīng)由于正表面的復(fù)合作用，會影響光子的利用率。入射光通過正膜投射、折射方式進(jìn)入硅基體，在PN結(jié)位置進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，部分長波段的光會達(dá)到背面，在背膜位置產(chǎn)生復(fù)合[8]，背鈍化效果直接影響背面復(fù)合速率和少子壽命，所以試驗(yàn)各條件在該波段出現(xiàn)差異。此差異源于不同試驗(yàn)條件下的鈍化效果不同，需要通過優(yōu)化背鈍化膜層工藝，來減少背面復(fù)合速率，提升電池片量子效應(yīng)。

結(jié)合表2電性能數(shù)據(jù)分析，EQE長波段趨勢與電性Uoc趨勢一致，條件5電池片測試EQE，長波段量子效應(yīng)最優(yōu)，對應(yīng)少子壽命最高；條件1電池片測試EQE，長波段量子效應(yīng)最差，對應(yīng)少子壽命最低。

試驗(yàn)表明，在使用二合一管P做SE-PERC太陽電池背鈍化工藝時，使用氧化鋁+預(yù)淀積+氮氧化硅+氧化硅+氮化硅背鈍化工藝，可獲得最優(yōu)電池片光電轉(zhuǎn)換效率。

3.結(jié)論

為提升晶硅SE-PERC電池光電轉(zhuǎn)換效率，使用二合一管P做背鈍化工藝產(chǎn)線，其背鈍化工藝宜采用氧化鋁+預(yù)淀積+氮氧化硅+氧化硅+氮化硅多層疊膜背鈍化工藝，可對電池片光電轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生增益效果。

實(shí)際在晶硅SE-PERC電池的具體生產(chǎn)制程中，還會有其他很多因素會影響電池片光電轉(zhuǎn)換效率，二合一管式PECVD背鈍化工藝較為復(fù)雜，且發(fā)展空間大，此文為SE-PERC電池二合一管P背鈍化工藝選擇提供參考。