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内容摘要

      介绍了一种通过调整背钝化工艺改善多晶硅背钝化电池缺陷的方法。采用背钝化新型电池片工艺,在正常生产过程中EL会呈现有规律的区域发暗,严重影响电池片性能。本文通过优化PECVD工艺时间和退火温度,使电池片EL区域发暗得到解决,同时还提升了电池片效率。


1 影响并联电阻的因素分析

1.1 PERC 电池


        钝化发射极背面接触(Passivated EmitterRear Contact,PERC) 电池是一种发射极与背面双面钝化的太阳电池。通过ALD技术,在电池片背表面沉积一层Al2O3,然后再使用等离子化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition,PECVD) 在背面镀一层Si3N4 薄膜,对Al2O3 起保护作用;同时,这层Si3N4薄膜还能提高少子寿命,增加对长波的反射,对光进行充分利用,增加硅片对长波的吸收,显著提高开路电压和短路电流,极大地提高了电池片效率。

        


1.2 EL 测试原理


        EL 测试是利用载流子的电致辐射复合发光原理,对样品在外加偏压条件下发生的荧光收集成像。在组件生产过程中,为了保证电池片的质量,通常都会对电池片进行EL 测试图像分析。从EL 的测试原理可以得知,对于电池片肉眼不可见的电池黑斑、暗片、隐裂、断栅、击穿、烧结不良等现象,EL 测试仪可以准确的测试出来并以图像呈现。

        

        若电池存在缺陷,会导致少子寿命降低,即扩散长度减小,由此电流密度相应减弱,电池发光强度减小,在EL 测试仪上的图像就会显示出区域发暗。

        

        

1.3 PERC 电池EL 测试暗片


        PERC 电池的制作流程一般为:制绒- 扩散-刻蚀-ALD- 正面PECVD- 背面PECVD- 激光开槽- 丝网印刷。随着PERC 电池的量产,在EL测试中,EL 测试仪总能测出正面发暗的电池片,如图2 所示。这种EL 测试暗片会在组件端大量出现,引发组件热斑效应,从而降低组件质量和寿命。

        

        

2 实验设计和结果讨论


        选取同一批次的200 片p 型原硅片制作成电池片,其中,100 片按照常规流程( 制绒- 扩散-刻蚀- 正面PECVD- 丝网印刷) 制作,另外100片按照前文所述的PERC 电池流程制作;同时,保证在电池片制作过程中都选用同种设备进行,以减小误差。制作结果如表1 所示,PERC 电池的暗片比例较高,档位从低效率档到高效率档都有;而常规电池的暗片数为零。

        


        PERC 电池的制作流程比常规电池的多了3个工序,即ALD 原子沉积Al2O3、背面PECVD镀Si3N4、背面激光开槽。由此推断,EL 暗片的产生与这3 个工序有关。

        

        暗片的产生通常是因为有缺陷区域的少子扩散长度低、发光强度弱,通过EL 测试仪进行图像分析会发现,这种电池片会区域发暗或正面发暗。

        

        ALD 是对电池片背表面镀上较薄的Al2O3,厚度在2~10 nm 之间。电池片经过ALD 后,每片厚度均在正常范围之内,且ALD 只是对电池片表面提供一层钝化层,所以暗片的产生与这一工序无关。由于目前发现的EL 发暗方向都垂直于主栅( 图3a),所以将PERC 电池在二次清洗后旋转90°,然后发现EL 发暗方向转变为平行于主栅( 图3b),扩散后旋转90°发现发暗方向又变为垂直,因此可判定EL 暗片是由二次清洗造成的。二次清洗后背面产生杂质,在背面沉积一层Al2O3 之后存在不均匀现象,导致背膜产生缺陷。

        


        为消除这个缺陷,通常采用退火的方法,即在温度500~550 ℃、时间10~20 min 的环境下,对电池片进行热处理[2]。

        

2.1 不同退火时间对暗片的影响


        为了探究EL 暗片与退火时间之间的关系,选取同一批次300 片p 型原硅片,固定退火温度为500 ℃,分别使用退火5 min、10 min 和15min 的工艺对ALD 后的电池片进行热处理,结果如表2 所示。表3 为500 ℃退火温度、不同退火时间的电池片电性能参数。

        

        实验结果表明,退火在恒温500 ℃的情况下,热处理时间越长,EL 测试暗片的数量就越少,到热处理15 min 时,已完全无暗片。从表3 可以看出,由于热处理减少了背面缺陷,电池片效率也得到了提高,尤其是在开路电压方面。

        


        

2.2 不同退火温度对暗片的影响


        为了探究EL 暗片与退火温度之间的关系,选取同一批次的300 片p 型原硅片,固定退火时间为15 min,分别使用退火温度450 ℃、500 ℃、550 ℃工艺对ALD 后的电池片进行热处理,结果如表4 所示。表5 为相同退火时间、不同退火温度时的电池片电性能参数。

        

        由表4 可以看出,制作PERC 电池时,在对硅片表面进行ALD 原子层沉积Al2O3 后,需要再对其进行一次退火,且退火温度不低于500 ℃、时间不少于15 min,可有效消除暗片。消除暗片后电池片效率明显提升,如表5 所示,退火温度500 ℃、退火时间15 min 的电池片效率与退火温度550 ℃、退火时间15 min 的电池片效率相差不大。这是因为消除了EL 暗片以后,两种电池片的电性能参数已不会受到背面缺陷的影响,只会在退火处理后提高少子寿命方面有所差异。

        

        

        在实际生产过程中,ALD 后可以先做正面PECVD 后再做背面PECVD,也可以在ALD 后先做背面PECVD 再做正面PECVD,无论是哪种工序,在ALD 后都需进入PECVD 炉管进行Si3N4 膜的制作。与此同时,可以将退火步骤同步进行,即在炉管里500 ℃环境下恒温15 min 时,进行Si3N4 膜的沉积,这样既减少了流程,缩短了制程时间,也提高了产能和效率。

        

3 结论


        EL 暗片由二次清洗产生,电池片背面经过二次清洗后背表面会残留杂质,再经过ALD 原子层沉积Al2O3 产生缺陷,但二次清洗的问题目前暂无法根治。本实验在不新增其他变量的情况下,通过对退火温度和时间的研究,得出电池片在退火加热到一定温度( > 500 ℃ ) 且保持足够时间( > 15 min) 的条件下,经过高温退火作用,能消除PERC 电池EL 暗片,并且提高电池片效率。

        

原标题:《PERC 电池EL 暗片研究》

浙江正泰太阳能科技有限公司 

■ 康忠平* 陈刚 江坚 张剑峰 王仕鹏 黄海燕 陆川

来源《太阳能》杂志社2018 年第4 期( 总第288 期)




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