單晶硅片表面金字塔尺寸對太陽電池電性能的影響

郭望東，趙 環(huán)，張繩亮，晏海剛，王少穎，李守衛(wèi)

(義烏晶澳太陽能科技有限公司，金華 322000)

0 引言

單晶硅太陽電池具有光電轉(zhuǎn)換效率高、技術(shù)成熟、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，且規(guī)?；a(chǎn)成本優(yōu)勢明顯。制絨是生產(chǎn)單晶硅太陽電池的第一道工序，制絨后單晶硅片表面的金字塔結(jié)構(gòu)直接影響太陽電池的電性能。目前，成熟的單晶硅片制絨工藝均會使用制絨添加劑。制絨添加劑可以改善制絨液與硅片表面的親水性，加速硅片表面氣泡脫離，去除硅片表面油污，控制硅片在堿溶液中的腐蝕速率；利用分子中的有機(jī)基團(tuán)作為硅片表面的成核點(diǎn)，提高金字塔織構(gòu)的成核密度，改善金字塔絨面形貌，增強(qiáng)反應(yīng)的各向異性。制絨添加劑的成分主要包括表面活性劑、消泡劑、乙酸鈉、山梨酸鉀、去離子水等。不同廠家生產(chǎn)的添加劑配方略有差異，但其目的均是為了在硅片表面制成金字塔大小均勻的絨面，提高絨面質(zhì)量，獲得最佳的太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率[1]。

1 單晶硅片制絨原理

未經(jīng)處理的硅片表面的光反射率大于35%，為減少對太陽光的反射損失，提高硅片的光吸收效率，必須進(jìn)行表面織構(gòu)化處理，即在硅片迎光表面形成織構(gòu)，利用NaOH對太陽電池表面進(jìn)行腐蝕處理。單晶硅片在一定濃度的堿溶液中被腐蝕時(shí)是各向異性的，(100)晶向面比(111)晶向面的腐蝕速率快數(shù)十倍以上。因此，(100)晶向硅片經(jīng)過表面腐蝕后，硅片表面可以形成很多個(gè)(111)晶向的四面方錐體，稱為金字塔形織構(gòu)，它們密布于硅片的表面，形成“絨面”。由于絨面具有陷光作用，可使硅片表面的反射率降低到10%左右，從而提高單晶硅太陽電池的短路電流及其轉(zhuǎn)換效率[2]。本文對比3款制絨添加劑A、B、C對金字塔絨面尺寸、均勻性、出絨率、比表面積及反射率的差異，分析單晶硅片表面金字塔絨面對太陽電池電性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

利用掃描電子顯微鏡(SEM)獲取金字塔形貌；利用超景深顯微鏡捕捉金字塔尖亮度，根據(jù)金字塔與周圍6個(gè)金字塔的平均距離測量得出金字塔絨面尺寸；絨面和塔基高度通過測試塔尖與塔底距離差計(jì)算得出；出絨率通過捕捉測試區(qū)域的金字塔塔尖個(gè)數(shù)測量得出；比表面積為測量區(qū)域的外表面積與測量區(qū)域的平面面積的比值；利用系科光電科技(上海)有限公司生產(chǎn)的反射率測試儀測量絨面反射率，反射率測試波長范圍為300～1100 nm，測試單片硅片9個(gè)等距點(diǎn)位的反射率，然后取平均值；利用美國4D公司生產(chǎn)的四探針方阻測試儀測試方塊電阻；利用HALM檢測機(jī)測試太陽電池的電性能。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)硅片為p型摻鎵單晶硅片，尺寸為182 mm×182 mm，厚度為160 μm，電阻率在0.4～1.1 Ω·m。使用RENA槽式制絨設(shè)備進(jìn)行金字塔絨面制備，硅片依次放入以下槽內(nèi)：預(yù)清洗槽→水洗槽→前臭氧清洗槽→制絨槽→水洗槽→后臭氧清洗槽→酸洗槽→水洗槽→慢提拉槽→烘干槽。其中，制絨槽內(nèi)的堿溶液為NaOH(體積分?jǐn)?shù)為30%)、添加劑和熱水(80 ℃)的混合液，工藝時(shí)間為 420 s。

將3000片實(shí)驗(yàn)硅片均分為a、b、c 3組，每組1000片，分別在3臺由相同廠家生產(chǎn)的制絨設(shè)備上制絨，并分別添加A、B、C 3款添加劑，以得到大小、高度不同的絨面；除制絨槽內(nèi)添加劑和堿溶液配方不同外，其他參數(shù)均設(shè)置一致。不同添加劑時(shí)對應(yīng)的工藝配方如表1所示。

表1 不同添加劑對應(yīng)工藝配方Table 1 Corresponding process formula for different additives

制備太陽電池的工藝流程為：制絨→擴(kuò)散→選擇性發(fā)射極(SE)激光→鏈氧→去PSG→堿拋→退火→背膜二合一→正膜→絲網(wǎng)印刷燒結(jié)→檢測。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 制絨后的減重、發(fā)射率數(shù)據(jù)及硅片表面形貌

測試硅片分別采用3款制絨添加劑后的數(shù)據(jù)，具體如表2所示。

表2 采用不同添加劑后的制絨效果Table 2 Texturing effect after using different additives

測試分別采用3款添加劑制絨后硅片表面織構(gòu)形貌，具體如圖1所示。

圖1 選取性發(fā)射極制絨后的硅片表面織構(gòu)形貌圖Fig.1 Surface texture morphologies of silicon wafer after texturing with different additives

金字塔形貌方面，采用添加劑A后制絨形成的金字塔大小不均勻，高度差異較大，金字塔數(shù)量最多，金字塔棱角圓滑，四面方錐體結(jié)構(gòu)不規(guī)則，屬于小型金字塔類型；采用添加劑B后制絨形成的金字塔尺寸變大，大小相對較均勻，高度差異較小，金字塔頂端可見部分毛刺，棱角突出，結(jié)構(gòu)規(guī)則，屬于中型金字塔類型；采用添加劑C后制絨形成的金字塔尺寸最大，高度差異較小，棱角分明，結(jié)構(gòu)規(guī)則，屬于大型金字塔類型。

反射率方面，采用添加劑B后制得的絨面反射率最低，說明其金字塔大小較均勻，結(jié)構(gòu)完整，對光的反射、吸收效果最佳；然而由于采用添加劑A后制絨形成的金字塔大小不一、小金字塔堆疊嚴(yán)重、棱角圓滑，采用添加劑C后制絨形成的金字塔過大、斜面傾角小、部分光未能得到二次反射、吸收，導(dǎo)致采用這兩種添加劑后制絨形成的絨面反射率均較高[3]，可以得出3款添加劑對制絨時(shí)腐蝕反應(yīng)的抑制作用強(qiáng)弱排序?yàn)锳＞B＞C。

3.2 輕擴(kuò)和重?cái)U(kuò)后的方塊電阻

在同爐管內(nèi)對分別采用3款添加劑的3組硅片進(jìn)行擴(kuò)散，并保證擴(kuò)散工藝參數(shù)的一致性，SE激光在同機(jī)臺進(jìn)行。測試擴(kuò)散工藝后的輕擴(kuò)方塊電阻和SE激光后的重?cái)U(kuò)方塊電阻，具體數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 輕擴(kuò)和重?cái)U(kuò)后的方塊電阻Fig.2 Square resistance after light and heavy diffusion

從圖2可以看出：采用添加劑A的輕擴(kuò)和重?cái)U(kuò)后的方塊電阻均最低，采用添加劑C的輕擴(kuò)和重?cái)U(kuò)后的方塊電阻均最高；輕擴(kuò)和重?cái)U(kuò)后的方塊電阻整體降幅持平。這主要是因?yàn)椴捎锰砑觿〤制絨后得到的大尺寸金字塔增加了絨面面積，其比表面積為1.45，在擴(kuò)散爐內(nèi)同等濃度的磷摻雜環(huán)境下，單位面積的摻雜總量減少，方塊電阻增加。

3.3 堿拋減重、反射率測試和硅片背面形貌

堿拋在同廠家生產(chǎn)的機(jī)臺上進(jìn)行，參數(shù)均設(shè)置一致，分別采用3款添加劑后的堿拋效果數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 采用不同添加劑后的堿拋效果數(shù)據(jù)Table 3 Alkali polishing effect data after using different additives

從表3中數(shù)據(jù)可知：分別采用3款添加劑后的減重差異不大；采用添加劑A后硅片的背面反射率最高，背面塔基最大，塔基高度最低；采用添加劑B后硅片的背面反射率比采用添加劑A后的偏低，背面塔基偏??；采用添加劑C后硅片的背面反射率最低，背面塔基最小，塔基高度最高。

采用不同添加劑時(shí)，堿拋后硅片背面的形貌圖如圖3所示。

圖3 采用不同添加劑時(shí)，堿拋后的硅片背面形貌圖Fig.3 Morphologies of backside of silicon wafer after alkali polishing with different additives

由圖3可知：采用添加劑A時(shí)堿拋后硅片背面的塔基最大，整體拋光效果最佳，表面平整；采用添加劑B時(shí)堿拋后硅片的背面拋光度略差，線痕區(qū)域較突出；采用添加劑C時(shí)堿拋后硅片背面的塔基最小，背面凹凸不平，線痕明顯。這主要是由制絨后金字塔形貌不同導(dǎo)致的，采用添加劑A時(shí)得到的金字塔最小，高度最低，比表面積最??；采用添加劑C時(shí)得到的金字塔最大，高度最高，比表面積最大；在堿拋槽內(nèi)，相同反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度和溶液濃度的情況下，硅片腐蝕量基本相同，導(dǎo)致采用添加劑A時(shí)的金字塔幾乎完全被腐蝕，表面平整。而采用添加劑C時(shí)的金字塔少部分被完全腐蝕，大部分只腐蝕了金字塔的上半部分，從而出現(xiàn)背面塔基凹凸不平的現(xiàn)象。

3.4 堿拋后SE激光線區(qū)域的表面形貌

堿拋后，測試得到的SE激光線區(qū)域金字塔形貌如圖4所示。

圖4 采用不同添加劑時(shí)，堿拋后SE激光線區(qū)域內(nèi)的形貌圖Fig.4 Morphologies in SE laser line area after alkali polishing with different additives

采用添加劑A和C時(shí)，SE激光線區(qū)域內(nèi)的金字塔完整，說明堿拋時(shí)對其的保護(hù)效果較佳；采用添加劑B時(shí)，SE激光線區(qū)域內(nèi)的金字塔塔尖處出現(xiàn)凹坑，已被堿腐蝕，說明堿拋時(shí)對其的保護(hù)效果較差。分析主要原因是采用添加劑B時(shí)得到的金字塔更尖銳，塔尖處有毛刺導(dǎo)致的，金字塔塔尖過尖，在堿拋時(shí)對金字塔的保護(hù)效果更差，毛刺處容易被堿腐蝕，產(chǎn)生凹坑，此區(qū)域的p-n結(jié)被破壞，導(dǎo)致出現(xiàn)漏電流。

3.5 電性能

按照上文所述工序完成太陽電池的制備，并對采用不同添加劑時(shí)得到的3類太陽電池進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換效率Eta、短路電流Isc、開路電壓Voc、填充因子FF，串聯(lián)電阻Rs、并聯(lián)電阻Rsh、漏電流Irev2等的電性能數(shù)據(jù)測試，測試結(jié)果取平均值，具體如表4所示。

根據(jù)表4可知：隨著絨面高度和比表面積的增大，光電轉(zhuǎn)換效率呈上升趨勢，高金字塔、大比表面積的絨面可以有效提升短路電流和開路電壓，因此光電轉(zhuǎn)換效率最高；反之，光電轉(zhuǎn)換效率有降低趨勢；在采用添加劑B條件下，并聯(lián)電阻最低，漏電流是采用添加劑A時(shí)的近2倍，這主要是因?yàn)榧怃J的絨面在SE激光工序后p-n結(jié)被破壞，導(dǎo)致漏電流升高。

表4 采用不同添加劑時(shí)得到的太陽電池電性能數(shù)據(jù)Table 4 Solar cells electrical performance data with different additives

綜上所述，單晶硅片表面金字塔絨面平均大小在1.5 μm以上，平均高度在1.4 μm以上，比表面積在1.4以上的單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高，出絨率及反射率對光電轉(zhuǎn)換效率影響不大。

4 結(jié)論

本文針對采用不同制絨添加劑時(shí)硅片表面金字塔絨面對太陽電池電性能的影響進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：金字塔大小均勻的絨面可有效提升太陽電池的短路電流；比表面積高可增加輕擴(kuò)方塊電阻，減少硅片表面復(fù)合，增加短路電流，從而提升單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率；但隨著絨面高度增加，金字塔塔尖變尖銳，SE激光重?fù)綍r(shí)容易對塔尖造成消融，堿拋時(shí)對正面的保護(hù)作用減弱，易對重?fù)絽^(qū)p-n結(jié)產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致并聯(lián)電阻降低，出現(xiàn)漏電流。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可通過調(diào)整制絨添加劑中表面活性劑的成分，抑制(111)晶向面反應(yīng)，促進(jìn)(100)晶向面反應(yīng)，使金字塔尖端輕微腐蝕，金字塔側(cè)面減少腐蝕，增加金字塔底部尺寸，使金字塔塔尖變圓潤。