皮秒激光与纳秒激光在PERC电池背面去膜的对比分析-尹庆磊-顺德中山大学.pdf

第第第 第 14 届中国光伏大会届中国光伏大会届中国光伏大会届中国光伏大会（ （（ （ CPVC14））） ）论文集 论文集论文集论文集 125 皮秒激光与纳秒激光在皮秒激光与纳秒激光在皮秒激光与纳秒激光在皮秒激光与纳秒激光在 PERC 电池电池电池电池 背面去膜的对比分析背面去膜的对比分析背面去膜的对比分析背面去膜的对比分析 尹庆磊1，王学孟1，文 峰3，沈 辉1,2 (1.顺德中山大学太阳能研究院 ,佛山 528300； 2.中山大学太阳能系统研究所 ,广州 510006； 3.国家光 伏装备工程技术研究中心、中国电子科技集团公司第四十八研究所 ) 摘摘摘 摘 要要要 要： ERC 太阳电池结构主要针对电池的背面进行优化，形成局域背场，大大减少 了背表面的复合，提高了电池的效率。采用 532nm 的皮秒和纳秒激光烧蚀掉背面膜层 来实现背面的局部接触区域，对比了去膜后的表面形貌，硅片损伤情况，然后通过适当 的烧结工艺，形成较好的局域 Al 背场，最后分析了两种激光器制作的电池的效率差别 的原因。 关键词关键词关键词关键词：局域背场；烧蚀；烧结 1 引言引言引言 引言 PERC 晶体硅电池自问世以来，已有 十余年的历史，但其仍是目前高效率电池 之一。与传统电池相比， PERC 电池结构 侧重于双面钝化和 Al 背场的局域接触： 采用较高质量的钝化膜层取代全铝背场， 局域开膜的方式实现 Al 与硅基体的接触， 有效减少了复合面积，同时减少了红外波 段的反射 [1]，加上氧化铝优良的钝化性能， 提高了少数载流子寿命，进而提高电池的 效率 [2]。 激光因其方向性好、能量集中、非接 触加工、易控制等优点在现代精密加工中 起着越来越重要的作用，激光切割、激光 开膜 [3]、激光烧结 [4]等技术正成为制造太 阳电池的一些重要手段。激光开膜可以将 能量精准的作用于硅片表面，经一系列复 杂的作用过程，使得表面膜层被去除，性 能优良的激光对硅基底的损伤几乎可以 忽略。激光开膜被广泛用来制作 PERC电 池，以形成背面局域接触区域，只需在印 刷烧结之前，完成开膜即可，与太阳电池 常用的丝网印刷技术可形成良好的匹配。 2 实验设计实验设计实验设计实验设计 实验采用 156×156的 p型 单晶硅 片，制绒后厚度为 180µm，经测试掺杂后 的硅片的少子寿命为 5µs左右，硅片为同 批次切割产品，各项参数基本一致。 将硅片按照常规工艺制绒后进行扩 散，采用液态的 PClO3进行双面扩散，然 后再用一定浓度的 HF清洗，去除表面的磷 硅玻璃层，发射极的方阻为 60～ 65Ω/□,再 将样品通过 ALD沉积技术在所有的样品 上沉积一层 20nm厚的膜层，之后再通过 PECVD沉积一层 80nm厚的 SiNx，然后在 N2的保护氛围中进行退火处理，激活 ALD沉} 正面PE 去膜 第第第 第 14 届中国光伏大会届中国光伏大会届中国光伏大会届中国光伏大会（ （（ （ CPVC14））） ）论文集 论文集论文集论文集 126 Al2O3的钝化活性，然后对处理过的样品进 行少子寿命测试。 所用激光器分别为 532nm的皮秒和纳 秒激光器，工作时电机平台和振镜平台协 调工作：电机工作后可以在激光出光口位 置不变情况下改变硅片相对激光出光口 的位置，振镜平台平台则相反，这样设定 每次激光作用区域为 50mm×50mm，在电 机移动至加工区域后，振镜平台则可以高 速工作，对硅片进行加工处理。此区域处 理完后，移至另一区域工作。每次的加工 区域之所以设置的较小，是为了保证振镜 平台工作时激光光束尽量没有差别。 图 1 激光加工示意图 表 1 皮秒与纳秒激光器参数 Model Picosecond Nanosecond Wavelength 532nm 532nm Duration 10ps 6ns Power P 30W 10W Frequency f 10-2000KHz 10-100KHz Speed 1200mm/s 600mm/s 两种激光器去膜之后采用丝网印刷、 烧结，烧结温度为 930℃，制作完成之后 即可进行各项测试，整个电池的制作流程 如图 2所示。 图 2 电池制作流程 3 实验结果实验结果实验结果实验结果 3.1 开膜对比开膜对比开膜对比开膜对比 一般情况下烧蚀会采用边长为 50～ 80µm的正方形开膜区域 [5]，如图 3所示， 烧蚀区域为边长 85µm的正方形，间距为 600µm,可见背电极是通过一些贯穿钝化 层与衬底接触，因此如果空间距过大，会 导致横向电阻过大，对短路电流和填充因 子有较大影响 [6]。一般 PERC电池背面烧蚀 去膜会采用点开孔形式，因此本次试验开 膜图案如图 4中所示： 去 膜 区 域 分 别 为 60µm×60µm 、 85µm×85µm、 105µm×105µm，间距均为 600µm，烧蚀部分的面积不同导致开膜区 域占整个面的比例不同，分别为 1.05%、 2%、 3.1%。图 5是去膜区域的图像 图 3 开膜图案（ 85µm×85µm） l 第第第 第 14 届中国光伏大会届中国光伏大会届中国光伏大会届中国光伏大会（ （（ （ CPVC14））） ）论文集 论文集论文集论文集 127 a.皮秒激光处理 b.纳秒激光处理，去膜区域形貌 (200 倍 ) 图 4 3.2 退火退火退火 退火、 、、 、激光烧蚀及清洗去损伤处理对 激光烧蚀及清洗去损伤处理对激光烧蚀及清洗去损伤处理对激光烧蚀及清洗去损伤处理对 少子寿命的影响少子寿命的影响少子寿命的影响少子寿命的影响 ALD沉积的 Al2O3能够有效钝化背表 面，减少复合速率，一是因为薄膜中含有 一定原子态的 H，可以饱和界面上的悬挂 键 [7]，二是此种方法沉积的膜层中含有大 量的负束缚电荷，这些负束缚电荷能够降 低电子到达背面的几率，进而减少电子和 空穴在背面的复，同时也有减少 [8]。但是， Al2O3的必须要经过退火流程才能激活，实 验将硅片放置于以 N2和 H2混合气体的双 管 炉 内 在 400℃ 的 温 度 下 快 速 退 火 30min[9]。少子寿命测试采用 WCT120少子 寿命测试仪，经退火处理的硅片平均少子 寿命为 70µs左右，最好的可达 89µs,而未经 退火的硅片平均寿命只有 17µs左右。 Rsh 无论何种性能的激光器，烧蚀去除表 面膜层后，或多或少都会有多余能量作用 于硅基底，进而造成激光损伤。皮秒激光 烧蚀处理后，平均少子寿命仍有 60µs以 上，对少子寿命影响较小，去除烧蚀区域 不再有 Al2O3钝化作用的影响，皮秒激光烧 蚀去膜区域因为皮秒激光损伤的因素将 会更小，而纳秒激光去膜前后的少子寿命 差异较大，平均少子寿命只有 30～ 40µs的 范围，可见纳秒激光对硅基底损伤较大。 3.2 IV测试测试测试 测试 背面铝浆中铝粉颗粒直径在 4～ 6µm 以内 [10],近年来有浆料研发公司开发出了 专门针对局域点接触的背铝浆料。这种浆 料主要针对很小面积的接触电极 ,烧结后 能有效减少铝硅的接触电阻，进而提升短 路电流密度。本实验采用的浆料是专门针 对局域点接触的铝浆，皮秒激光和纳秒激 光各自按照面积比分成三组，每组 10片， 共计测试 60片，表 2是三种去膜比例下的 两种激光器制作电池的对比结果，不同面 积的开膜比例并没有导致电池性能呈现 出较大的差异。如表 2所示 ,为各组的最高 效率， A1、 A2、 A3为皮秒激光器制作， 分别对应 1.05%、 2.1%、 3.1%的面积比； B1、 B2、 B3为纳秒激光器制作，也依次 对应 1.05%、 2.1%、 3.1%的面积比。 fm L m) {■-_ 第第第 第 14 届中国光伏大会届中国光伏大会届中国光伏大会届中国光伏大会（ （（ （ CPVC14））） ）论文集 论文集论文集论文集 128 表 2 电池的在标准测试条件下测试的最优结果 电池组 Voc(mV) Jsc(mA/cm2) FF（ %） η（ %） Rsh（ mΩ） A1 629 37.3 79.59 18.69 0.0099 A2 631 37.0 78.95 18.44 0.0118 A3 624 37.9 79.08 18.66 0.0048 B1 609 35.6 69.46 17.01 0.0112 B2 594 35.1 72.36 16.60 0.0108 B3 599 35.0 71.06 16.27 0.0102 注： 1.Voc为开路电压， Jsc为短路电流， FF为填充因子， η为电池效率， Rs为串联电阻； 2.测试结果来源于广东顺德国家光伏质量检测中心（广东省质量检测中心） 4 结果分析结果分析结果分析结果分析 A1-A3组开路电压在 628mV左右，短 路电流在 37.4mA/cm2左右； B1-B3组开路 电 压 在 600mV 左 右 , 短 路 电 流 在 35.3mA/cm2左右。皮秒激光制作的电池效 率可达到 18.69%，平均效率可达到 18.4%， 而纳秒激光的效率只有 16.7%左右。皮秒 激光制作的电池各方面的参数都优于纳 秒激光，平均效率比纳秒激光高了 1.7%， 各组别中效率最高相差 3.5%。两种电池只 是激光类型有差异，可见激光器的不同是 造成各方面差异的主要因素。 激光作用于膜层表面后 ,硅片不可避 免地会产生激光损伤 ,损伤主要是激光的 热效应产生 [11]，不同的脉冲时间和能量密 度是造成损伤不同的主要原因。 532nm的 绿光其光子能量大于硅的禁带宽度 ,硅除 了有一定的本征吸收外 ,载流子吸收也参 与作用 ,而载流子的吸收以热能的形式传 给晶格 [12]。图 6[13]是激光与硅片作用示意 图：纳秒激光脉冲时间较长 ,载流子有足够 时间将能量传递给晶格 ,使得晶格温度上 升 ,对硅片而言 ,这种吸收形式 ,使得硅片处 于熔融状态甚至于气态 ,热膨胀使得表面 的膜层脱落 [14]，同时这种高温过程也会使 得少许的单晶硅转变成多晶硅。纳秒激光 对表面形貌改变较大，表面引入了较多的 复合中心，严重影响了电池的短路电流和 填充因子。而皮秒激光脉冲时间较短，激 光与物质作用时，晶格温度虽然也会上 升，但更多的是等离子体的产生 [14]，表面 物质多以这种形式被玻璃。皮秒激光引起 的热损伤也远远小于纳秒激光。因而皮秒 激光去膜后的效率肯定高于纳秒激光。 图 5 纳秒与皮秒激光与硅片作用示意图 5 结语结语结语 结语 纳秒激光的热效应相比皮秒激光要 大得多，烧蚀去膜对对硅片的损伤远大于 纳秒激光，纳秒激光在太阳电池的应用 中，更多的是利用其热效应来做掺杂，制 第第第 第 14 届中国光伏大会届中国光伏大会届中国光伏大会届中国光伏大会（ （（ （ CPVC14））） ）论文集 论文集论文集论文集 129 作发射极，因为热损伤比较大，不得不在 后续工艺中，加上用碱液去除热损伤这一 步，但如果用皮秒激光来烧蚀去膜，其热 损伤很小，就不必用碱液去除损伤。 参考文献参考文献参考文献参考文献 [1] Zhihao Yue, Honglie Shen, Ye Jiang,et al. Novel and low reflective silicon surface fabricated by Ni-assisted electroless etching and coated with atomic layer deposited Al2O3 film [J]. Applied Physics A, 2014, 114(3): 813-817. [2] 吴大卫 ,贾瑞 ,武德起等 . 氧化铝钝化在 晶体硅电池中的应用 [J]加工、测量与设 备 , 2011, 8(8): 528. [3] Kim, M., S. Park, D. Kim. Highly efficient PERC cells fabricated using the low cost laser ablation process [J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2013, 117: 126-131. [4] Nagarajan Balaji, Kyuwan Song, Jaewoo Choi, et al. Si-rich SiNx rear passivated c-Si solar cell with a novel antimony Local Back Surface Field formed by Laser Fired Contact [J]. Current Applied Physics, 2013, 13(8): 1826-1829. [5] Kapila Wijekoon, Fei Yan, Yi Zheng, et al. Optimization of Rear Local Contacts on High Efficiency PERC Solar Cells Structures [J]. International Journal of Photoenergy, 2013, 2013: 1-8. [6] 沈辉 , 梁祖勤 . 太阳能光伏发电技术 [M]. 北京 : 化学出版社 , 2004, 47. [7] M. Salem, M.Ben Rabha, B. Bessais, et al. Novel silicon surface passivation by porous silicon combined with an ultrathin Al2O3 film [J]. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2013, 24(12):5035- 5039. [8] 朱彦斌 . 晶体硅电池 Al2O3钝化工艺研 究 [D]. 中山大学 , 2011: 15. [9] Jianhua Zhao, Aihua Wang, Martin A. Green. High-efficiency PERL and PERT silicon solar cells on FZ and MCZ substrates [J]. Solar Energy Materials& Solar Cells, 2001, 65: 430. [10] http://www. docin.com/ p-673235939. html. [11] G. Poulain, D. Blanc, A. Focsa, et al. Characterization of laser-induced damage in silicon solar cells during selective ablation processes[J]. Materials Science and Engineering: B, 2013, 178(9): 682-685. [12] 韩振春 , 薛伟 , 冯爱新等 . 不同波长 的纳秒脉冲激光对多晶硅损伤特性研究 [J]. 应用激光 , 2013, 3(33): 314. [13] 宋经纬 . 采用皮秒激光与纳秒激光实 现硅片钻孔的对比分析 [C]. 第 13届中国 光伏大会暨国际光伏展览会 ,北京 , 2013. [14] 沈中华 , 陆建 , 倪晓武 . 皮秒和纳秒 脉冲激光作用于半导体材料的加热机理 研究关 [J]. 中国激光 ,2013, 9(26): 860-863. 项目来源项目来源项目来源项目来源： ：： ：国家高科技研究发展计划（ 863 计划），编号 2012AA050302。 邮邮邮 邮 箱箱箱 箱： ：： ： shenhui1956@163.com