薄单晶硅PERC太阳电池纯铝背电极快速烧结研究-罗鹏飞-中山大学.pdf

45卷Ig 6期 人 工 晶 体 学 报 v 01．45 N0．6 垫!鱼生鱼旦 !Q旦垦堕些Q!璺!堕!旦垦旦垦竺型坐堡 垒竺：兰Q!鱼 薄单晶硅PERC太阳电池纯铝背电极快速烧结研究 罗鹏飞1，王殿磊1，眭 山2，沈 辉1 2 (1．中山大学太阳能系统研究所广东省光伏技术重点实验室，广州510006；2．顺德中山大学太阳能研究院，佛山528300) 摘要：利用热蒸发设备在30 mln x 30 mm的单晶硅PERC太阳电池背表面蒸镀约2斗m厚的纯铝电极，采用工业链 式烧结炉对该背电极进行烧结，发现当烧结峰值温度913．8℃及铝硅固溶时间13s左右时电池效率最大。进而，以 硅片厚度和背电极材料为变量，设置4组(100斗m背铝浆、100 Ixm背纯铝、170 Ixm背铝浆、170斗m背纯铝)156 mm ×156 am单晶硅PERC电池，利用各背电极材料相应优化温度场进行烧结，发现170肛m纯铝背电极电池效率最高 达16．42％，平均效率相对于同厚度背铝浆电池高0．37％，且100 Ixm纯铝背电极电池翘曲度可忽略，因而认为纯 铝电极相较于铝浆电极有利于提升电池效率以及能够有效降低大面积薄电池的翘曲程度。 关键词：纯铝背电极；快速烧结；薄单晶硅太阳电池；翘曲 中图分类号：TM911．4 文献标识码：A 文章编号：1000-985X(2016)06-1445-05 Rapid Sintering of Rear Pure AI Electrodes of Thin Monocrystalline Silicon PERC Solar Cells LUO Peng-feil。WANG Dian-leil，SUI Sh口n2，SHEN Huil，2 (1．Guangdong Provincial Key Laboratory of Photovoltaic Technology，Institute for Solar Energy Systems，Sun Yat—sen University，Gua．gzhou 510006，China； 2．Shunde SYSU Institute for Solar Energy，Foshan 528300，China) (Received 19 January 2016，accepted 20 March 2016) Abstract：2斗m pure A1 electrodes were deposited on the rear suiface of 30 mm x 30 mm monocrystalline silicon PERC solar cells by thermal evaporation instruments，then processing the rear electrodes by industrial chained sintering furnace．The cells efficiency obtained the maximal value when the rear electrodes sintering had the properties of peak temperature 913．8 oC and A1-Si solution time 13 S．Four groups(100斗m rear A1 paste／rear pure A1，170斗m rear A1 paste／rear pure A1)of 156 mm×156 mm monocrystalline silicon PERC solar cells were set in terms of the thicknesses of silicon wafers and the materials of rear electrodes，then this cells were sintered by optimized temperature fields respectively． The results show that 170斗m rear pure A1 cells had the highest efficiency 16．42％，and the average efficiency is 0．37％higher than the same thickness rear A1 paste cells，moreover，the bowing of 100 p．m rear pure A1 cells is negligible，it was considered that pure A1 electrodes relative to A1 paste electrodes were contribute to higher cell efficiency and lower bowing of thin cells consequently． Key words-rear pure A1 electrode；rapid sintering；thin monocrystalline silicon solar cell；bowing 1 引 言 薄(150¨m)及超薄(100¨m)硅片的应用能大幅降低晶体硅太阳电池成本，利用薄硅片制备电池主要 收稿日期：2016-0l一19；修订日期：2016-03-20 基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)(2012AA050302) 作者简介：罗鹏飞(1990一)，男，湖南省人，硕士。 通讯作者：沈辉，教授。 万方数据 人工晶体学报 第45卷 有两个缺陷：一方面硅的能带结构决定了硅片厚度降低将会导致电池因光吸收下降而引起转化效率下降；另一 方面薄电池采用现有铝浆背电极及其匹配烧结工艺会导致严重翘曲，封装难度增大。Christoph Mader等人依据 力学理论，模拟出在硅片厚度和尺寸确定时，电池的翘曲仅正比于背电极厚度¨。|。但受制于背铝浆较低电导 特性及丝网印刷技术较大的最小印刷厚度，通过丝网印刷薄层铝浆来控制翘曲的方法难以应用于薄电池。而 在电池背面沉积纯铝电极能够有效解决上述难题，一方面铝层沉积厚度可控，且纯铝更优的导电性允许以较小 的背电极厚度来有效收集光生电流；另一方面，Thomas Lauermann等人曾实验证实背钝化层及纯铝背电极可将 光反射率从常规铝背场的65％提升至90％～95％【41(1000 nm波长)，有利于薄电池效率提升。 纯铝背电极处理方法主要有2种：一种为A．Uruena等人采用的，先沉积薄铝层，进行高温热处理形成 铝背场后再沉积较厚铝层作为电极层，并进行低温退火∞’6 o；另一种为Wenjia Li等人采用的，直接沉积较厚 铝层，采用快速热处理(RTP)方法对电极层进行热处理，同时完成铝背场形成和电极制备¨o。工业链式烧结 炉具有30 c|C／s以上的升降温速率，可以近似看成为RTP设备的一种，利用该设备对纯铝背电极进行烧结除 能有效利用现有生产线外，其连续送料方式相较于其他R卯设备更具有产能优势。铝背电极烧结的过程是 一个铝一硅二元合金的形成过程，依据Meemongkolkiat等人理论，在铝背电极厚度确定的情况下铝背场的厚 度仅正比于烧结峰值温度¨1，则烧结峰值温度和铝硅固溶时间是烧结的两个重要指标。 本文利用工业链式烧结炉对单晶硅PERC电池确定厚度(2斗m)的纯铝背电极进行烧结，探究固定常规 带速下的合适烧结温度场。进而利用前述优化温度场对仅硅片厚度不同(100／170斗m)的大面积(156 mm ×156 mm)电池进行烧结，同时，设置同厚度背铝浆电池组作为对照，探究纯铝背电极在消除大面积薄电池 翘曲上的作用以及硅片厚度降低对电池效率的影响。 2 买 验 选取110斗m、156 mm×156 mm、2．0 n·cm的P型单晶硅片，按图1中PERC电池制备流程进行至步骤 擀嚣嚣8考9赞嚣嚣嚣篇篇 _嬲豳|一_的小片，再进行、步。8步中纯铝背电极采用铝源■■_黧豳曩圈■_ 粪淼茹嬲鞘罢薹要毳曩／I…簟一ll／8 10 Pa 一_曩全覆盖沉积，相应沉积参数为：真空度× 4 、沉积兰差磊鎏差案篇毫嚣翥圣兰篓篓篆舞_一髑／9 I…230具体金属层厚度采用轮廓仪测定。 步中工业链式烧■■_蠹墨—■结炉带速设置为 mm／min，硅片在各温IX时间因红 一镛8醺目9。。9 一～ 外灯管均匀排布而相同；温度场设置如表1所示，采用 图1 PERc晶体硅太阳电池制备流程 Datapaq炉温仪进行检定，其中B组为常规电池背铝 Fig·1 simpli6ed pmdu。‘i。n p瑚888 of 浆≤结妊彦场T组为常柳铝审糨低漏愕谏；艮．k T尹．PERC crystauine silic。n s。1ar cells 共计6组(每组5片)电池，分别按照表1温度场烧结后测试，-y特性，从电池效率来判定最优烧结工艺。 表1 背纯铝电极烧结温度场设置 Table 1 Temperature fields setting of rear pure AI electrodes sintering 选取156 mm×156 ml／1、2．0 Q·cm的1 10斗m和180斗m P型单晶硅片。按图1流程处理至步骤7，在 步骤8中设置成等量4组，分别为100斗m铝浆(AP)组、100斗m纯铝(PA)组、170 pm铝浆组、170斗m纯铝 万方数据 第6期 罗鹏飞等：薄单晶硅PERC太阳电池纯铝背电极快速烧结研究 1447 组(背纯铝厚度为2仙m，背铝浆采用常规丝网印刷制备)。其中铝浆组采用常规电池工艺B进行烧结，纯铝 组采用前述实验优选工艺E组进行烧结。利用分光光度计测量不同厚度的半成品电池光透射曲线；测量各 组电池QE；利用游标卡尺测量各组电池翘曲值；利用SEM观察电池横截面微观结构，以进行铝浆和纯铝烧 结所产生的铝背场对比。 3 结果与讨论 3．1纯铝背电极烧结温度场优化 图2为经Datapaq炉温仪检定的实际烧结温度场，考察指标为峰值温度及高于577℃的时间。表2为经 A～T温度场烧结的小片电池Ly特性。 ．0：20 00 0：00 00 0：20 OO 0：40 00 0l：00 00 01：20 00 0l：40 00 0二20 00 TlmGJmm SS．II 图2背纯铝电极烧结温度场测定值 Fig．2 Measurements of temperature fields of rear pure A1 electrodes sintering 表2不同温度场烧结小片电池(100岬)厶y特性(测量数据来自于广东质检院顺德基地) Table 2 I-V characters of chip ceHs sintered by different temperature fields (The data were confirmed by quality and technology supervision of Guangdong province) 姚剑等人依据合金理论指出，热力学上，只要烧结温度高于固溶温度577℃即可形成铝硅合金；但动力 学上，铝和硅的相互扩散需要高于固溶温度来提供驱动力∽1；故而烧结过程中高于577℃的时间是一个重 要考察指标。本实验带速固定、仅调节温区温度，该指标维持12～13 S时能够取得较好的烧结效果。但后 续实验中可探究，带速可变时，高温／快带速及低温／慢带速的烧结效果与本实验最优结果组对比。 优良的铝背场一方面起到背面钝化作用，另一方面可获得较低铝硅接触电阻。Meemongkolkiat等人指出， 在铝背电极厚度确定的情况下，铝背场的厚度仅正比于烧结峰值温度∽1，故而本实验中具有较高峰值温度的E 组取得了最高的电池效率。考虑到常规铝浆烧结温度低是由于其中添加的玻璃料成分能够降低铝浆烧结温 度，故而E组实际烧结温度913．8℃是可以接受的。更高的烧结温度有利于铝背场的形成，从而提升电池效 率，但正面银浆烧结温度一般为910℃左右，且银硅的欧姆接触较铝硅欧姆接触对电池电学性能影响更大，背 电极烧结温度过高可能会对电池正面银硅欧姆接触有不良影响，故而本实验未继续升温探究。 3．2铝背场微观结构对比 图3a为背纯铝采用E组烧结工艺所得电池铝背场，图3b为背铝浆采用常规铝浆烧结工艺B所得电池铝 背场，二者均为横截面微观形貌图。可见背铝浆电池铝背场厚度约为7．2斗m，而背纯铝电池铝背场厚度在4．5 万方数据 1448 人工晶体学报 第45卷 一11．7肌m浮动，平均厚度与背铝浆电池相近。表明本实验中采用的背纯铝电极及其相应的优化烧结工艺能 够有效形成铝背场，但其均匀性尚待优化。根据Kamal Katkhouda等人的研究‘10 3，作者认为这种不均匀性是由 于铝在硅中的“钉扎效应”(spiking)导致的，后续实验中可通过在铝硅中间添加金属夹层来控制。 【墅 ．．] 图3电池横截面形貌图 Fig．3 Morphology of cross section(a)rear pure A1 cells；(b)rear A1 paste cells 3．3电池翘曲度对比 利用游标卡尺测量100斗m铝浆组(AP)、100斗m纯铝组(PA)、1701xm铝浆组、1701山m纯铝组电池的翘 曲度(测量方式为将电池正置，测量电池最高点至水平面高度差。数据如表3所示，示意图为图4。 表3不同厚度及背电极电池的厶y及翘曲特性 Table 3 I-V and bowing characters of cells with different rear electrodes and thicknesses (The data were confirmed by quality and technology supervision of Guangdong province) 图4 3种不同结构及背电极材料的100斗m厚电池翘曲示意图 Fig．4 Schematic of bowing of three kinds 100pLnl cells with different structures and rear electrode materials．(a)traditional structure and rear A1 paste electrodes；(b)PERC cell with rear A1 paste electrodes；(c)PERC cell with rear pure AI electrodes Mohamed M．Hilali等人指出，按封装标准，丝网印刷背电极电池翘曲度小于1 mm是可以接受的¨1|。表3 中，硅片厚度较大时，背电极材料对电池翘曲影响不大；而硅片厚度为100肌m时，背纯铝电池由于薄硅片柔韧 性，翘曲度可以忽略；但传统的背铝浆应用于PERC电池会导致约6 mln的翘曲量；如果应用于常规结构电池， 则会导致图4a中非常严重的翘曲。所以，纯铝是有效控制薄PERC电池翘曲的理想背电极材料。 3．4电池光透射率及QE对比 利用分光光度计对100斗m及170¨m的半成品电池(图1中4～5步之间)进行透射测试，所得如图5 所示。可见当硅片厚度从170斗m降至100¨m时，电池全波段(300—1200 nm)光透射率从3．47％上升至 4．00％，而光透射增加是薄电池效率较低的因素之一。 对不同厚度、不同背电极的PERC电池进行QE测试，所得如图6所示。可见硅片厚度相同时，纯铝组 (PA)具有比铝浆组(AP)更高的IQE，这可以认为是由于纯铝相对于铝浆具有更高的光反射率H]。Christoph 万方数据 第6期 罗鹏飞等：薄单晶硅PERC太阳电池纯铝背电极快速烧结研究 1449 Mader等人模拟证实纯铝背电极相对于铝浆背电极，因纯铝的高反射性和低电阻率，能最多提升电池效率约 0．6％m1。本实验中，纯铝组相对于铝浆组约有0．37％的效率提升，与模拟最优值还有一定差距，作者认为 这有可能是因为背电极厚度尚需优化的原因，2斗m的背纯铝厚度是从满足光生电流收集需要考虑的，还应 结合光学因素考量。 WavelengtbJnm 图5不同厚度PERC电池光透射曲线 Fig．5 Light transmission curves of PERC cells with Wavelength／nm 图6 4种PERC电池长波段IQE曲线 Fig．6 IQE curves of four kinds of PERC cells in different thicknesses long wavelength(‘700—1100 nm) 4 结 论 利用工业链式烧结炉对具有约2¨m厚纯铝背电极PERC电池进行背面烧结，从合金理论出发，选定峰 值温度及高于固溶温度577 oC的时间这两个参量，设置6组对比试验。得出在常规固定带速及考量银硅欧 姆接触时，较高的峰值温度(913．8℃)及13 S左右的铝硅固溶时间，电池效率最高。 制备2种厚度的156 mm x 156 mm大片电池，按硅片厚度和背电极材料这两个参量，设置4组实验，分 别利用上述实验中各背电极材料优化温度场烧结，得出：(1)纯铝背电极及其配套优化温度场能制备出与传 统铝浆背电极类似的铝背场，但均匀性方面需要提升；(2)纯铝背电极应用于薄硅片，能有效控制电池翘曲 度；(3)纯铝背电极因其较高的光反射和低电阻，相较于传统背铝浆能提升电池效率，但本实验中0．37％的 提升量相较于模拟最优值仍有进步空间；(4)薄硅片会因光吸收减少而导致电池效率下降，本实验中当单晶 硅片厚度从170斗m降至100卜m时，电池效率下降约1．86％。 参考文献 [1] Christoph M，Ulrich E，Sarah K S，et a1．Bow of Silicon Wafers After In—Line High—Rate Evaporation of Aluminum[J]．1EEE Journal of Photovoltaics，2013，3(1)：212-216． [2]Popovich V A，JanssenM，RichardsonIM，et a1．Microstrueture andMechanicalProperties ofAluminum Back Contact Layers[J]．S01．Energ． Mat．S01．C，201 1，95：93-96． [3]PhilyoungY，Taehyeon B，HaseungC，etal．Numerical Simulation ofBowing Phenomenonin Ultra—Thin Crystalline Silicon SolarCeHs[J]．S01． Energ．，2014，105：705-714． [4]Thomas L，Benjamin F，Giso H，et a1．Design Considerations for Industrial Rear Passivated Solar Cells[C]．Proceedings of the 38th IEEE Photovohaic Specialists Conference，Austin，2012． [5] Umena A，Hemandez J L，John J，et a1．ContmNing The Depth of The Local A1 BSF in PERC Crystalline Solar Cells Using Alternative Back Side Metallization[C]．Proceedings ofthe 25th European Photovoltaic SolarEnergy Conference and Exhibition，Valencia，2010． [6]Yue M，Patrick C，Guido A，et a1．Industrial—Type PERC Solar Cell：Towards 80 Micron Thickness[C]．Proceedings of the 23th European Photovohaic Solar Energy Conference and Exhibition，Valencia，2008． [7]Wenjia L，ZhenjiaoW，PeiyuH，et a1．Study ofDifferentThermal Processes on Boron—Doped PERL Cells[J]．Appl．Surf．Sci．，2014，311：344-350． [8]Meemongkolkiat V，Hilali M，Rohatgi A．Investigation of RTP and Belt Fired Screen Printed AL·BSF on Textured and Planar Back Surfaces of Silicon Solar Cells[C]．Proceedings ofthe 3th World Conference on Photovohaic Energy Conversion，Osaka，2003． [9]姚剑，蔡万华，席珍强，等．单晶硅太阳电池铝背场的快速热处理制备[J]．太阳能学报，2009，30(6)：784-787． (下转第1457页) 万方数据 第6期 易欢等：ce“在Ba：ZnB：O。中的晶体学格位及其发光性能研究 1457 [13] [14] [15] [16] [17] Crystallographica Section A：Crystal Physics．Diffraction，Theoretical and General Crystallography，1976，32(5)：751-767． Rodriguez-Carvajal J．Program FullProf．2k，Version 4．00[R]．LLB—CEA—CNRS，France，2007． Rietveld H M．Line Profiles of Neutron Powder—diffraction Peaks for Structure Refinement[J]．Acta Crystallographica，1967，22(1)：151-152． Rietveld H M．A Profile Refinement Method for Nuclear and Magnetic Structures[J]．Journal ofappl&d Crystallography，1969，2(2)：65-71． Wu L，Wang B，Zhang Y，et a1．Structure and Photoluminescence Properties of a Rare—earth Free Red·emitting Mn“一activated KMgB03[J]． Dalton Transactions，2014，43(37)：13845—13851． Blasse G．Energy Transfer between Inequivalent Eu2+Ions[J]．Journal ofSolid State Chemistry，1986，62(2)：207-211． DexterD L，Schulman JH．Theory ofConcentrationQuenchinginInorganic Phosphors[J]．The Journal ofChemicalPhysics，1954，22(5)：1063— 1067． Lj Y，shi Y，Zhu G，et a1．A Single．component White—emitting CaSr2A1206：Ce3+，u+，Mn2+Phosphor via Energy Transfer[J]．Inorganic Chemistry，2014，53(14)：7668-7675． SongH J，YimDK，RohH S，et a1．RbBaP04：Eu2+：aNewAlternative Blue—emittingPhosphorforUV—basedWhitelight—emittingDiodes[J]． Journal ofMaterials Chemistry C，2013，1(3)：500-505． Wang H，Wu L，Yi H，et a1．Abnormal Luminescent Property ofMn2+in 0【-LiZnB03：ce3+Mn2+[J]．Dalton Transactions，2015，44(3)：1427· 1434． [1 8]Xie R J，Hirosaki N，Kimura N，et a1．2-phosphor—convened White Light—emitting Diodes Using Oxynitride／Nitride Phosphors[J]．Appl&d Physics Letters，2007，90(19)：191101-191101-3． -“‰．’¨¨1．一一_。¨¨．·’¨hI．，-‘Ⅶ-．·。…ii q．．,*lll…-1¨¨p·。¨1．-’¨nr·”¨n．·。‰_．‘¨¨．．·。¨¨|．-‘¨¨．．·。Ⅶl_·。…i sr． ”‰．，“‰．‘¨¨．．“tllIl_·。。¨¨．nIIIIp”tllIl_-’Ⅶp，‘¨¨ IIh Ih* IIIi (上接第1449页) [10]Kamal K，Alberto M L，Lutz B．Aluminum—Based Rear．Side PVD Metallization for nPERT Silicon Solar CeBs[J]．厄髓Journal ofPhotovoltaics， 2014，4(1)：160·167． [11]Mohamed M H，James M G，Peter H．Bow in Screen-Printed Back—Contact Industrial Silicon Solar Cells[J]．S01．Energ．Mat．S01．C，2007，91： 1228．1233． [12]Christoph M，Jens M，Sebastian G，et a1．Rear-Side Point—Contacts by Inline Thermal Evaporation of Aluminum[C]．Proceedings of the 35th Photovohaic Specialists Conference，Honolulu，2010． 。lIIl。J*lll|。·_l II II, 111,*111 II II flI II II 4411 II II,ttlI *11fl II,411I II II II II II,b●lI IIII II ·信 息· 半导体所在Si衬底上生长Ga基半导体纳米线研究中取得进展 Si是现代CMOS工艺不可或缺的材料，而III—V族半导体广泛应用于光电子、超高速微电子和超高频微 波等器件中。长期以来，科学家们试图在Si衬底上外延高质量III-V族半导体。但由于晶格不匹配会导致 生长的III—V族半导体质量较差。当材料降低到纳米尺度，由于应力可以得到有效释放，上述困难得以缓解。 例如，一维III—V族半导体纳米线可以在si上很好地外延生长。但在Si上生长III—V族半导体纳米线时，在 表面氧化硅的作用下，常用的Au催化颗粒需要复杂的前期衬底处理工序，且难使III—V族半导体纳米线稳 定生长在si衬底上。作为一类重要的III—V族半导体，Ga-V半导体由于可以利用自身成份中的Ga作为催 化剂，很好地解决了这一问题。 中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室研究员赵建华团队近年来一直致力于半导体低 维材料的分子束外延生长，最近其团队俞学哲等人在他们前期工作(x．Z．Yu et a1．，Nano Lett．12，5436， 2012；Nano Lett．13，1572，2013)基础上，利用两步生长方法有效扩大了si衬底上GaAs纳米线的生长温度 范围。这是在相关工作中第一次关于Ga催化GaAs纳米线的生长温度这一重要晶体生长参数的深度研究， 而之前由于一步生长法的限制，GaAs纳米线只能生长在一个很窄的温度范围。在此基础上，他们利用Ga催 化率先制备了GaAs／GaSb轴向异质结纳米线，并且通过掺入适当As，合成了组分可调的GaAs／GaAsSb轴向 异质结纳米线，使能带工程在GaAsSb纳米线中得到应用。 (来源：中国科学院半导体研究所) 万方数据