单晶硅太阳能电池背抛光技术研究

2013 年七月刊 SOLARZOOM 光伏杂志技术工艺 / Technical Process摘要：本文介绍了对单晶硅电池背抛光工艺作用和条件的研究。通过对不同化学溶液、不同温度和不同腐蚀时间条件对硅片表面反射率和电池电学性能的影响，证实了背抛光在增加背面反射、提高电池与铝背场接触效果和加强背表面钝化方面的积极作用，并对背抛光工艺存在的问题和在新型电池开发中的应用进行了展望。关键词： 单晶硅 ; 太阳能电池 ; 背抛光0 引言太阳能发电作为二十一世纪经济发展中最具决定性影响的五个技术领域之一的新能源和可再生能源中的一种，由于其具有环保、高效、节能以及取之不尽、用之不竭等特点，已成为新能源中最受瞩目的能源。因此，着力加强对太阳能电池等光伏产业的研究开发，不断提高光电转换效率成为企业在今后激烈的市场竞争中取胜、不断推动光伏产业技术进步和更大规模推广应用的关键，晶体硅太阳能电池是目前光伏业的主流，为了提高企业在市场中竞争力，提高晶体硅太阳电池转换效率迫在眉睫。常规单晶硅太阳能电池由于陷光的需要，在表面采用化学方法织构绒面，增加了表面积，通过对光的对此反射 / 吸收降低反射率。但绒面的存在同时也产生了负面影响，绒面深凹的位置在与金属产生接触不良的现象。因此大家考虑对硅片背表面进行抛光，使硅片背表面更加光滑甚至达到镜面效果，背抛光后硅片的背面平整，一方面可以加强对透射光的反射减小透光率，另一方面可以使铝浆与硅片表面接触更加充分提高钝化效果。通过背表面抛光分别使电流密度 Jsc 和开路电压 Uoc 得到了提升，从而可以提高太阳能电池的转换效率，本文就是通过试验手段对此进行了验证。1 太阳能电池及工艺流程晶体硅太阳电池的基本结构如图 1 所示，基体材料为 p 型晶体硅，厚度在 200μm 左右；上表面为一层 n+ 型的扩散区，与基体共同构成光生伏特效应的基本结构 --pn 结；整个上表面均匀地覆盖着减反钝化膜；顶区表面有栅状的正面电极，背表面经丝网印刷、烧 结 后 形 成 铝 层 覆 盖 的 背 面 电 场 BSF（ Back Surface Field ） 和背面电极， 正电极与 n+区接触，BSF和背面电极与 p 区形成欧姆接触，生产流程如图 1.A 所示。此次实验是在传统工艺基础上增加背抛光工艺（图 2.B 所示）。2 背抛光试验内容参考到实际工艺应用的经验，试验过程使用5% wt NaOH和 5%wt KOH作为腐蚀液，对硅片背表面进行抛光，考察了反应时间、温度以及两种溶液的效果差异，最终优选 5% KOH作为腐蚀所用溶液观察最终性能。单晶硅太阳能电池背抛光技术研究晶澳太阳能有限公司 李吉，杨伟强，魏红军，严金梅图 1 晶体硅太阳电池结构示意图图 2 太阳电池生产工艺流程和试验流程《 SOLARZOOM 光伏杂志》 07/2013 152013 年七月刊 SOLARZOOM 光伏杂志技术工艺 / Technical Process《 SOLARZOOM 光伏杂志》 07/2013 162.1 研究不同溶液对反射率和电池性能的影响首先，我们对两种溶液的腐蚀差异做了一个简单的考查：分别在室温条件下，利用 5% wt NaOH和 5%wt KOH对硅片腐蚀 3min 和 10min，测定腐蚀后的硅片表面反射率以及制作成电池后的电学性能。可以发现在相同腐蚀时间下， KOH 腐蚀速率相对缓慢，硅片表现相对更平坦，表现出比 NaOH更高的反射率水平。仅分析 3min 条件下，两种溶液处理过的硅片制作成电池的电池性能参数（表 1 所示），KOH表现更优越，开路电压提升 2mV左右，短路电流 Isc 提升约 30mA， 转换效率 Eta 提升约 0.11%，所以后续的试验都在 5%wt KOH的条件下进行。2.2 研究不同腐蚀时间对反射率和电池性能的影响对不同腐蚀时间条件下的腐蚀差异做了一个考查：分别在室温条件下，利用 5%wt KOH对硅片腐蚀 30s、 1min、 3min、 6min 和 10min，测定腐蚀后的硅片表面反射率以及制作成电池后的电学性能。随着腐蚀时间的增加， 反射率上升速度加快，超过 6min 后表面基本形成镜面，反射率上升速度逐渐减慢， 10min 完全达到镜面的效果。从电池性能参数结果可以发现， 3min 左右效果相对最好，转换效率 Eta 提升幅度在 0.15% 左右，时间短的情况下背面抛光不显著，时间较长对硅片的腐蚀量较大，硅片减薄太多， Isc 的提升表现不明显。2.3 研究不同温度对反射率和电池性能的影响对不同温度条件下的腐蚀差异进行测试：分别在室温 25℃、 30℃、 45℃、 60℃条件下， 利用 5%wt KOH对硅片腐蚀 3min，测定腐蚀后的硅片表面反射率以及制作成电池后的电学性能。随着温度的升高， 硅片表面反射率快速增加，在试验条件范围内，温度越高，反射率增加幅度越大，背表面越趋于镜面效果。图 3 不同条件腐蚀后硅片表面的反射率表 1 太阳能电池电池性能参数图 4 不同条件腐蚀后硅片表面的反射率表 2 太阳能电池电池性能参数图 5 不同条件腐蚀后硅片表面的反射率2013 年七月刊 SOLARZOOM 光伏杂志技术工艺 / Technical Process《 SOLARZOOM 光伏杂志》 07/2013 17在更快速腐蚀的条件下，反射率的增加很明显，电池性能的提升幅度并不随腐蚀温度升高单方向递增，类似于上述试验内容，镜面的腐蚀效果并没有表现出最优的电池性能，估计是硅片的减薄或腐蚀缺陷造成了上述影响， 仍需继续考察。2.4 研究优选条件对电池性能的影响根据上述试验结果，优选 5%KOH/30℃ /3min条件对硅片进行腐蚀，测试抛光相对于绒面状态对电池性能的影响。从电池性能参数中可以看出，在优选的条件下，抛光后的电池效率比绒面状态能有 0.11% 的效率提升，开路电压 Uoc 提高约 2mV，短路电流Isc 提高 27mV，总体来说两者分别提升的相对幅度基本相同。通过对比截面的 SEM图像，背面抛光电池与绒面状态电池的 Al-Si 截面没有明显差异，但是对比 BSF合金层发现，前者的 BSF平均宽度6.45 μ m，后者为 6.33 μ m，从这一角度还是能够发现平坦的表面容易与金属浆料良好接触，形成的 BSF层更厚更均匀，这是开路电压提升的主要来源。而电池的 QE测试也可以发现明显的提升，尤其在 900-1050nm 的长波部分提升比较明显，这部分证实了抛光后的背反射作用对于增加长波吸收的贡献，也是短路电流 Isc （或电流密度Jsc）增加的主要原因。3 结论通过试验测定，确定了背面抛光最优的腐蚀条件，效率有 0.10% 以上的增益，且对于开路电压和短路电流的相对提升幅度基本相同，经过对电池截面 SEM和 QE的测量，证实了 BSF厚度的增加和量子效率的提高是电池性能增益的主要原因，但在腐蚀至接近镜面状态时并不能表现出最高的电性优势，这一方面可能受硅片减薄和腐蚀缺陷的影响，需要继续研究，尤其是腐蚀量较大情况下对于未来更薄硅片的适用性就越差。另外，单晶硅电池背表面抛光技术，无需使用 HNO3和 H2SO4，比较环保，化学品耗用成本，表 3 太阳能电池电池参数表 4 太阳能电池电池参数图 6 电池背表面截面 SEM 照片a：抛光的； b：绒面的图 7 电池量子效率2013 年七月刊 SOLARZOOM 光伏杂志技术工艺 / Technical Process抛光效果容易控制，结合有效的设备可以实现高产量、低成本、低污染运行，并且与 Selective Emitter 、 LBSF、 Double Printing 、 MWT等 主 流技术可叠加，兼容性好，可以进一步提高这些技术的电池性能，具有比较好的应用前景。参考文献[1] 刘恩科，朱秉升，罗晋升，等。半导体物理学 [M]: 第 6 版。北京：电子工业出版社，2006:151- 164.[2] 杜永超，陈伟平，刘汉英，等。太阳电池用硅表面钝化研究 [J]. 电源技术， 28（ 10）： 641-643.[3] 管绍茂，王迅。半导体表面钝化技术及其应用 [M]. 北京：国防工业出版社， 1981:6-7.[4] A Dastgheib-Shirazi,F Book et al.Proceeding of the 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference Hamburg. Germany, 2009,1600[5] Shreesh Narasimha,Ajeet Rohatgi. An optimized rapid aluminum back surface field technique for silicon solar cell[J] IEEE Trans Electron Devices,1999,46:1363-1370.[ 6 ] L e e J i Yo u n , Gl u n z S W. I n v e s t i g a t i o n o f v a r i ou s s u r f ac e passivation schemes for silicon solar cell[J].Solar Energy Materials&Solar Cells,2006,90:82-92.《 SOLARZOOM 光伏杂志》 07/2013 18