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PERC电池激光开窗技术应用研究 浙江正泰太阳能科技有限公司 ■陈龙卢玉荣王仕鹏黄海燕陆川 摘 要背钝化技术以能有效提高电池片性能在工业化生产中得到广泛应用，本文通过比较PERC电 池激光开窗技术的激光频率、开窗形貌、设备功率对电池片性能的影响，优化生产工艺，为 激光开窗在背钝化技术上的应用提供参考。 关键词晶体硅电池片背钝化技术；激光；电性能 0引言 晶体硅太阳电池作为光伏市场的主流产品， 量产工艺已日渐成熟。为进一步优化其生产工艺、 提高晶体硅太阳电池片效率、降低生产成本，此 前已有诸多研究，目前厚度为200 p．m的硅片已 经实现了商业化生产。20世纪80年代，澳大 利亚新南威尔士大学光伏实验室研究出了PERC 电池，其转换效率达到了22．8％，打破了当时晶 体硅太阳电池的纪录【2]。此后，背钝化技术作为 一种相对普及的新型工艺，以可有效降低电池片 背表面复合率、提升电池片内部光学反射机制等 特性在工业化生产中得到广泛应用。PERC电池 与常规电池片结构相比，区别主要在以下两个方 面如图l所示 1PERC电池在晶体硅电池背表面有一层钝 化介质层多为AIO，和保护层多为Si，N．．。 2常规电池片铝背场与硅片完全接触，而 PERC电池Al背场是通过激光开窗的空洞区域 与硅片进行局部接触。 图I常规电池片结构左和PERC电池结构右 由于在硅片表面含有原子结构周期性排列中 断而形成的未饱和的悬挂键，使得晶体结构表面 和界面产生空间电荷和表面势垒，形成不稳定的 表面态，从而影响了载流子的正常输运口】。常规 工艺一般直接在电池片背表面烧结铝浆形成Al 背场，从而在一定程度上减少载流子在电池背表 面的复合速率，形成p合金结，提高电池片开 路电压。PERC电池使用钝化介质膜Ai，O，将电 池片背表面的悬挂键进行保护，形成固定电场产 生钝化效应，从而降低表面复合，提升效率。目 收稿日期2016．0712 通信作者陈龙1993一，男，本科，主要从事工艺管理方面的研究。850238508qq．tom _l枣一～ SOLAR ENERGY 01／201 7 万方数据 SOLAR ENERGY舅舅舅墼圆 前实现电池片背点接触的方法有化学开窗、机械 开窗、激光开窗等。随着激光技术的日益成熟， 激光开窗也以其精准快捷、适用范围广、性价比 高、无接触污染等优点，逐渐成为实现背点接触 的一种成熟的生产工艺。激光开窗技术使铝背场 与硅片形成局部点状接触，减少了金属背极与背 表面的接触，从而使开路电压得到提升。有研究 表明，激光开窗在加工过程中不仅不会对A1，O， 钝化层的钝化效果产生任何负面影响，而且对 电池片性能也几乎无影响【4】。本实验主要探究了 PERC电池生产过程中激光开窗技术对电池片性 能的影响因素。 1实验设计 1．1实验样品 本实验选取的样品采用成熟的PERC技术， 每组样品激光开窗处理之前工艺完全相同，且背 面Si，N。颜色相近Si，N。颜色随着厚度呈周期性 变化1，以保证实验样品的一致性和实验数据的 准确性。 1．2实验研究内容 实验研究背钝化技术在激光开窗过程中激光 设备各项参数等对电池性能的影响，主要研究内 容为 1不同激光功率对电池片性能的影响。实验 根据激光器固定参数设定不同的输出功率，以研 究不同功率条件下电池片的性能。 2不同输出频率对电池片性能的影响。实验 通过调整激光器输出频率，探究不同频率条件下 的开窗平滑度及电池片性能。 3不同开窗形貌对电池片性能的影响。实验 通过改变激光开窗线宽及开窗线型，探究不同开 窗形貌条件下的电池片性能。 1．3实验工艺流程 原硅片经过成熟的常规工艺制绒、扩散、开 窗后，使用PECVD技术在硅片正表面镀一层厚 度约为80 gm的Si，N．．减反膜然后在硅片背表 面生长一层厚度约5～8 p．m的AI，O，，本实验采 用原子层淀积ALD的方式生长Al，0，；最后在 A1203表面镀一层约1 50 jam的SiN、．保护层后， 采用激光技术在硅片背面开窗，打通铝背场与硅 片基本的连接通道，使铝背场在印刷烧结后能与 硅片产生有效欧姆接触；硅片开窗后采用相同工 艺经过印刷烧结，在相同机台对电池片性能进行 测试对比分析，以保证实验数据准确性。其中， 背钝化量产激光设备为常州镭射激光设备有限公 司制造，型号为SolarLasePr02000，主要参数见 表1。 睾1学州镡黔滞．t，l／-．s．，圳asePro000谚备参数 波长／nm 脉冲宽度／ps 激光功率／W 激光频率／MHz 加工线速度／mS 532 约10 13～20 1～3．5 15～25 2结果分析 2．1不同功率的对比 实验采用相同批次片源进行多组对比，在 保证前段工艺与激光设备其他参数完全一致的 条件下，调节激光器输出功率，比较不同功率 条件下成品电池片的电性能差异。实验数据如 表2所示。 毒。彳同二力蚕i冬i生。卜F邑j1卫{生茸E工i，}， 14 】．642 9．1 83 0．00212 5．6 78．89 19．I l I 5 ．638 9．1 79 0．00226 165．9 78．56 18．91 】6 0．642 9．195 0．00221 126．9 78．81 19．12 1 7．0．642．9．188．0．0021 8 1 14．9 78．75 19．08 从表2的实验数据可看出，在激光设备功率 调节范围内，在实验功率递增的条件下，电池效 率波动不明显且无线性变化的趋势，这说明激光 设备功率在调节范围内对电池片性能影响并不大。 SOLAR ENERGY 01／201 7 万方数据 SOLAR ENERGY墼画曼曼曼篡舅曼 一 二。 二 2．2不同频率的对比 实验选取相同批次片源进行多组对比，在控 制其他变量的条件下，研究不同激光频率对电池 性能的影响。在实验原有工艺基础上调节激光 设备的输出频率，设置激光频率梯度，研究了 在1．0、1．5、2．0、2．5、3．0、3．5 MHz频率条件 下电池片的性能差异，用3D显微镜比较了高频 与低频工艺条件下开窗后电池结构的微观形貌， 在相同机台对其电性能进行测试对比，验证激光 频率对电池性能的影响。实验数据如表3所示。 表3不同频率对电，池片t『生胄E的影响 1．o o．640}9．526 0．00232 5；0．640 9538 000221 2．0 0．642 9．557【0．00227 2．5 0．642 9．569 0．00219 3．o o．64小．53l 0．00225 3．5 0．640 9．523 0．00226 138．6 78．76【 141-2 7905| 145．7 79．16 149．3 79．29 126．3 79．01 96．6 78．94 19．89 19．95 20．05 20．12 19．97 19．86 b．0．U“ 图2不同频率开窗结构对比 从3D显微镜测试结果来看，低频工艺条件 下激光开窗深度较浅，疑似有Si。N，残留物，且 开窗临界面呈锯齿状结构；高频工艺条件下激光 开窗深度相对较深，且开窗临界面十分平整。这 可能是因为在一定频率范围内，当激光脉冲作用 于电池表面时，频率越高激光能量释放越大，因 此开窗效果也相对较好。从电性能数据来看，2．0 MHz工艺条件下的电池片性能要优于1．0 MHz 工艺。 从图3可知，电池片效率随着激光输出频 率逐渐增加呈先升后降的趋势。当激光频率低 于2．5 MHz时，电池片性能随着频率升高而呈递 增趋势；当激光频率高于2．5 MHz时，电池片性 能随着频率升高而呈递减趋势。对比表3实验数 据不难看出，当频率超过2．5 MHz时，电池片填 充因子FF也呈下降趋势，进一步影响了电池片 效率。这可能是由于在激光开窗的过程中，激光 能量被Si。N，／A 120，钝化介质膜吸收的同时，少 部分溢出的能量也会被硅衬底吸收【4l；事实上， 激光能量大部分还是被SixNJAl20，钝化介质膜吸 收，以减少对原硅片的损伤。而随着激光频率增 加，激光脉冲能量随之增大，开窗效果也相对越 好；当激光频率超过2．5 MHz时，激光能量在刻 穿Si。N、／AI0，钝化介质膜的基础上对硅片表面产 生了损伤，从而影响了电池片性能。 频率／Mltz a频率对FF的影响 频率7Mlt／ b频率对～、的影响 图3不同频率对腰、Ⅳc。。的影响 2．3不同形貌对比 实验选取相同批次片源进行多组对比，在 一 SOLAR ENERGY 01／2017 万方数据 保证其他工艺条件完全一致的情况下，研究不同 开窗形貌线宽、线型对电池性能的影响。两 组实验分别选取相同片源，其中实验通过3D显 微镜测试对比了不同开窗线宽时电池性能的差 异；而后选取A组实验样品采用连续线开窗工 艺，B组实验样品采用间断线开窗0．8 mm， 不开窗0．2 mm开窗工艺，比较不同开窗线型条 件下电池片性能，实验数据如表4、表5所示。 衰．i，j、『了强-、r f-越joj【∽≯。_ 33-35 0．641 9．202 0．0026 3l 7．2 78．08 1 8．93 3436 0．64l 9．1 79 0125 338．2 78 36 18 95 3638 0．640 9．254 0．0025 348．3 78．10 19．01 表5不同线型对电池片性能的影响圜哪圜圜圜鄙圜回皿 连续1．639 9．210 o．0026 325．2 78．29 l 8．85 M19i l．640 l．2540025 314．7 78 37 1 H．95 3结论 本实验采用控制变量法研究了PERC电池激 光开窗时的激光频率、开窗形貌、设备功率对电 池片性能的影响。实验表明 1激光器输出功率在14～17 w范围内，设 备功率对电池片性能并无直接影响。 2激光频率在1．0～3．5 MHz范围内，当输 出频率低于2．5 MHz时，电池片性能随着激光器 输出频率升高而呈递增趋势；当激光器输出频率 高于2．5 MHz时，设备输出频率升高则会影响 FF，从而使电池片性能降低，这可能与激光开 窗深度有关。 3当开窗线型相同时，开窗线宽在33～38 llm范围内时电池片性能随着开窗线宽增加而提 升，这可能是由于相对较大的开窗面积增进了铝 背场与硅片的有效欧姆接触，从而提升了电池性 能；而就开窗线型而言，间断型开窗工艺要优于 连续型开窗工艺。 从表4可知，在控制其他变量的条件F，当 开窗线宽逐渐增加时，电池片性能也随之提高， 参考文献 这可能是因为相对大的开窗面积提高了电池片表 卢景霄，张宇翔，王海燕，等硅太阳电池稳步走向薄膜化面载流予的运输嶙，从而使电黼龇得到提 出嚣意掣裟鬻i纛枞撇加电 升。从表5可知，间断线开窗工艺生产的电池片 池中的应用【J】．材料导报，201I，2513124129． 效率要比连续线开窗工艺高O．10％。而在其他实 [3】朱庆冉，王立建，吴坚，等单晶硅太阳能电池的背场钝化 验中发现，在烧结炉温和铝浆相同时，连续线开 兰妻t熹}1_第十一届中国光伏大会暨展览会会议论文集‘c1 窗工艺所生产的电池片在经过印刷烧结后背场更 [4]王仕建，贾锐，张希清，等．激光在PERC晶硅电池中背面 易产生铝珠和铝刺，而间断线开窗工艺所生产的 点接触电极制备中的应用[J】-发光学报，2013，345634 电池片则几乎没有，这也从侧面证实了间断线开 638-圆 窗工艺的优越性。 接第60页 印刷返工片的清洗需要，清洗效果好、操作方便， 大幅提高了印刷次品的再次利用率，减少了产能 损失，具有一定的使用价值。 参考文献 【l】陈贵财．太阳能多晶硅片表面污染物去除技术的研究[D] 辽宁大连Jt．7-大学，2011． [2】邱明波，黄因慧，刘志东，等．太阳能硅片制造方法研究现 状【J】．机械科学与技术，2008，278lOl71020． [3】冯文红，刘俊飞．硅片处理过程中产生的费硅料的清洗方 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