黑硅PERC 多晶太陽電池采用背拋光工藝，其背面刻蝕深度在4.0±0.2 μm，在800～1050 nm的光學(xué)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，其反射率較常規(guī)刻蝕制備的黑硅多晶太陽電池提升了10% 左右；采用氧化鋁及氮化硅鈍化制備的黑硅PERC 多晶太陽電池，WT-2000 測(cè)得其少子壽命達(dá)到33 μs；開路電壓提升了15.2 mV，短路電流提高了0.372 A，效率達(dá)到20.06%。
01實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及制備流程
1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備
1) 物料：采用p 型多晶硅片，尺寸規(guī)格為156.75±0.25 mm，厚度為190 μm，電阻率為1～3 Ω?cm。
2) 化學(xué)品：時(shí)創(chuàng)PS30 拋光劑，臺(tái)灣長(zhǎng)陽IP1257-L 型氧化鋁漿料。
3) 檢測(cè)設(shè)備：膜厚測(cè)試設(shè)備SE400 橢偏儀、D8-4 積分反射儀、少子壽命測(cè)試儀WT-2000、JJ224BC 電子天平、蔡司Axio Scope A1 顯微鏡、Gemini Sigma 300 SEM 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、I-V 測(cè)試設(shè)備Berger PSS10。
1.2 制備流程
采用氧化鋁漿料制備黑硅PERC 多晶太陽電池的工藝流程為：①黑硅制絨→②擴(kuò)散→③刻蝕去PSG →④背面拋光→⑤印刷氧化鋁漿料/ 燒結(jié)→⑥ PECVD 正面鍍膜→⑦ PECVD 背面鍍膜→⑧激光開槽→⑨印刷燒結(jié)測(cè)試→⑩電注入退火。相對(duì)黑硅多晶太陽電池的制備，增加了步驟④、⑤、⑦、⑧、⑩。
02結(jié)果討論
2.1 背拋光效果
化學(xué)清洗對(duì)PERC 結(jié)構(gòu)的太陽電池的開路電壓有影響。Huang 等[5] 發(fā)現(xiàn)， 使用HF → SC1 → SC2 → HF 溶液清洗硅片后制備的太陽電池，較使用常規(guī)HCl → HF 溶液清洗的開路電壓提升了3～4 mV。由于黑硅制絨已經(jīng)使用SC1 去除金屬污染，因此背面拋光及清洗采用槽式設(shè)備依次經(jīng)過KOH+H2O2 → KOH+PS30→DI→HCl+H2O2(SC2)→DI→HCl+HF→DI→加熱DI → N2 烘干。其中，拋光槽體積配比為DI:KOH:PS30=280:13.5:7.5，溫度為70 ℃，時(shí)間為200～240 s，硅片減重在0.22～0.24 g/ 片，背面刻蝕深度在4.0±0.2 μm。使用Gemini Sigma 300SEM 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察拋光效果，如圖1 所示。
從圖1 中可以看出，5000 倍放大觀察，硅片部分區(qū)域存在凹凸；而圖1b 是20000 倍觀察，硅片表面相對(duì)平整，拋光效果較好。
背拋光后硅片背面反射率為47%～50%，比常規(guī)刻蝕后的背面反射率高15% 左右，如圖2 所示。由于短波段(<500 nm) 在硅片表面 1 μm深度內(nèi)會(huì)被吸收，所以主要考慮硅片背面在長(zhǎng)波段(800～1050 nm) 的情況。背拋光硅片背面反射率為42.67%，較常規(guī)刻蝕的31.19% 高出10%左右，結(jié)果也優(yōu)于鏈?zhǔn)綕窨痰?1.90%[6]。這表明，背拋光工藝在提升硅片背面反射率方面起到了重要作用。
2.2 印刷氧化鋁
氧化鋁漿料的主要成分為：納米級(jí)氧化鋁前驅(qū)物、穩(wěn)定劑、四配位誘導(dǎo)劑。印刷氧化鋁后電池增重為0.22～0.24 g/ 片，漿料膜厚約20 μm。氧化鋁分子間主要由穩(wěn)定劑的空間位阻進(jìn)行分散與支撐，使用Despatch 燒結(jié)爐預(yù)燒結(jié)，氧化鋁分子開始聚集，經(jīng)過860 ℃峰值溫度燒結(jié)后形成較為致密的鈍化層，如圖3 所示。鈍化層與硅接觸部分形成正四面體結(jié)構(gòu)，晶體中多了1 個(gè)氧的負(fù)電荷，可將p 型電池的少子( 電子) 反射回去減少?gòu)?fù)合，實(shí)現(xiàn)電池背面的有效鈍化。
峰值溫度過高將導(dǎo)致Al-O4減少，氧化鋁漿料燒結(jié)溫度通常低于金屬化燒結(jié)溫度，介質(zhì)層中H 的含量隨著氧化鋁沉積溫度的升高而降低，所以降低溫度有利于氫鈍化與氧化鋁鈍化平衡，以形成良好的鈍化效果[8]。氧化鋁燒結(jié)后膜厚約為110～130 nm，如圖4 所示。
使用Roth & Rau SiNA XXL 平板式鍍膜設(shè)備制備厚度為84～88 nm 的正面氮化硅膜和厚度為130～140 nm 的背面氮化硅膜，折射率范圍為2.08～2.10，背面氮化硅膜較厚是因?yàn)樾枰苊怃X漿中的侵蝕性成分腐蝕減薄氮化硅層，最后形成的氧化鋁/ 背面氮化硅疊層厚度約為230～250 nm，如圖5 所示。
背拋光后硅片印刷氧化鋁并燒結(jié)，使用WT-2000 設(shè)備測(cè)試少子壽命值在10 μs 左右；完成氧化鋁及正、背面氮化硅鍍膜后進(jìn)行燒結(jié)，測(cè)試少子壽命，達(dá)到33 μs 以上，如圖6 所示；這與采用ALD 方式制備的黑硅PERC 多晶太陽電池的少子壽命38.92 μs 相近[9]，但存在一定的波動(dòng)性。
使用蔡司Axio Scope A1 顯微鏡觀察氧化鋁燒結(jié)后的硅片背面，如圖7 所示。背面局部存在一些微小的孔隙，造成這一現(xiàn)象的原因是燒結(jié)后氧化鋁漿料厚度驟降約200 倍，分子成膜存在不均勻性。采用PECVD、ALD 技術(shù)制備的氧化鋁膜厚度分別在8～20 nm、4～7 nm 以內(nèi)[10-11]，印刷氧化鋁膜厚是前者的幾十倍，其膜層較厚處比較薄處增加了10 nm 以上( 見圖4)。采用ALD技術(shù)制備氧化鋁膜，隨著膜厚增加，樣品的少子壽命退化，由此推測(cè)印刷氧化鋁膜厚差異會(huì)影響少子壽命的穩(wěn)定性。
鍍膜鈍化后的硅片進(jìn)行激光開槽，使用PERC 經(jīng)印刷燒結(jié)進(jìn)行五主柵太陽電池的制備；制備完成后使用時(shí)創(chuàng)Anti-LID 4800 電注入設(shè)備進(jìn)行退火處理，然后測(cè)試電池效率達(dá)到了20.06%，具體如表1 所示。表1 中的對(duì)比組為未經(jīng)過電注入處理的黑硅多晶太陽電池。
采用背拋光結(jié)合氧化鋁/ 氮化硅疊層鈍化制備的電池的短路電流比黑硅多晶太陽電池提升了0.372 A；少子壽命達(dá)到33 μs，開路電壓提升了15.2 mV；激光開槽造成電池背面鈍化層損傷，降低了填充因子；電注入退火后測(cè)試電池效率提升了0.98%，效率達(dá)到20% 以上。
2017 年12 月，協(xié)鑫集成、上海神舟新能源采用PECVD/ALD 技術(shù)制備PERC 多晶硅太陽電池，效率分別達(dá)到了20.15% 和20.32%。采用印刷氧化鋁方式制備的太陽電池效率較前者約低0.1%～0.2%，可能的原因在于：
1) 燒結(jié)過程中氧化鋁膜厚急劇降至100 nm 左右，顯微鏡觀察到膜存在一些孔隙，因此，成膜存在不均勻性；
2) 氧化鋁燒結(jié)后成膜的厚度差異超過10nm，場(chǎng)鈍化存在不均勻性。
03結(jié)論
本文制備了黑硅PERC 多晶太陽電池，采用拋光工藝使硅片背面反射率較黑硅多晶太陽電池提升了10% 以上；結(jié)合印刷氧化鋁及氮化硅鈍化后，制備的電池的少子壽命達(dá)到33 μs，開路電壓提升了15.2 mV，效率提升了0.98%，達(dá)到了20.06%。
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