改善多晶硅背鈍化電池缺陷，解決電池片EL區域發暗，提升電池片效率
內容摘要
介紹了一種通過調整背鈍化工藝改善多晶硅背鈍化電池缺陷的方法。採用背鈍化新型電池片工藝，在正常生產過程中EL會呈現有規律的區域發暗，嚴重影響電池片性能。本文通過優化PECVD工藝時間和退火溫度，使電池片EL區域發暗得到解決，同時還提升了電池片效率。
1 影響並聯電阻的因素分析
1.1 PERC 電池
鈍化發射極背面接觸(Passivated EmitterRear Contact，PERC) 電池是一種發射極與背面雙面鈍化的太陽電池。通過ALD技術，在電池片背表面沉積一層Al2O3，然後再使用等離子化學氣相沉積法(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，PECVD) 在背面鍍一層Si3N4 薄膜，對Al2O3 起保護作用；同時，這層Si3N4薄膜還能提高少子壽命，增加對長波的反射，對光進行充分利用，增加矽片對長波的吸收，顯著提高開路電壓和短路電流，極大地提高了電池片效率。
1.2 EL 測試原理
EL 測試是利用載流子的電致輻射複合發光原理，對樣品在外加偏壓條件下發生的熒光收集成像。在組件生產過程中，為了保證電池片的質量，通常都會對電池片進行EL 測試圖像分析。從EL 的測試原理可以得知，對於電池片肉眼不可見的電池黑斑、暗片、隱裂、斷柵、擊穿、燒結不良等現象，EL 測試儀可以準確的測試出來並以圖像呈現。
若電池存在缺陷，會導致少子壽命降低，即擴散長度減小，由此電流密度相應減弱，電池發光強度減小，在EL 測試儀上的圖像就會顯示出區域發暗。
1.3 PERC 電池EL 測試暗片
PERC 電池的製作流程一般為：制絨- 擴散-刻蝕-ALD- 正面PECVD- 背面PECVD- 激光開槽- 絲網印刷。隨著PERC 電池的量產，在EL測試中，EL 測試儀總能測出正面發暗的電池片，如圖2 所示。這種EL 測試暗片會在組件端大量出現，引發組件熱斑效應，從而降低組件質量和壽命。
2 實驗設計和結果討論
選取同一批次的200 片p 型原矽片製作成電池片，其中，100 片按照常規流程( 制絨- 擴散-刻蝕- 正面PECVD- 絲網印刷) 製作，另外100片按照前文所述的PERC 電池流程製作；同時，保證在電池片製作過程中都選用同種設備進行，以減小誤差。製作結果如表1 所示，PERC 電池的暗片比例較高，檔位從低效率檔到高效率檔都有；而常規電池的暗片數為零。
PERC 電池的製作流程比常規電池的多了3個工序，即ALD 原子沉積Al2O3、背面PECVD鍍Si3N4、背面激光開槽。由此推斷，EL 暗片的產生與這3 個工序有關。
暗片的產生通常是因為有缺陷區域的少子擴散長度低、發光強度弱，通過EL 測試儀進行圖像分析會發現，這種電池片會區域發暗或正面發暗。
ALD 是對電池片背表面鍍上較薄的Al2O3，厚度在2～10 nm 之間。電池片經過ALD 後，每片厚度均在正常範圍之內，且ALD 只是對電池片表面提供一層鈍化層，所以暗片的產生與這一工序無關。由於目前發現的EL 發暗方向都垂直於主柵( 圖3a)，所以將PERC 電池在二次清洗後旋轉90°，然後發現EL 發暗方向轉變為平行於主柵( 圖3b)，擴散後旋轉90°發現發暗方向又變為垂直，因此可判定EL 暗片是由二次清洗造成的。二次清洗後背面產生雜質，在背面沉積一層Al2O3 之後存在不均勻現象，導致背膜產生缺陷。
為消除這個缺陷，通常採用退火的方法，即在溫度500～550 ℃、時間10～20 min 的環境下，對電池片進行熱處理[2]。
2.1 不同退火時間對暗片的影響
為了探究EL 暗片與退火時間之間的關係，選取同一批次300 片p 型原矽片，固定退火溫度為500 ℃，分別使用退火5 min、10 min 和15min 的工藝對ALD 後的電池片進行熱處理，結果如表2 所示。表3 為500 ℃退火溫度、不同退火時間的電池片電性能參數。
實驗結果表明，退火在恆溫500 ℃的情況下，熱處理時間越長，EL 測試暗片的數量就越少，到熱處理15 min 時，已完全無暗片。從表3 可以看出，由於熱處理減少了背面缺陷，電池片效率也得到了提高，尤其是在開路電壓方面。
2.2 不同退火溫度對暗片的影響
為了探究EL 暗片與退火溫度之間的關係，選取同一批次的300 片p 型原矽片，固定退火時間為15 min，分別使用退火溫度450 ℃、500 ℃、550 ℃工藝對ALD 後的電池片進行熱處理，結果如表4 所示。表5 為相同退火時間、不同退火溫度時的電池片電性能參數。
由表4 可以看出，製作PERC 電池時，在對矽片表面進行ALD 原子層沉積Al2O3 後，需要再對其進行一次退火，且退火溫度不低於500 ℃、時間不少於15 min，可有效消除暗片。消除暗片後電池片效率明顯提升，如表5 所示，退火溫度500 ℃、退火時間15 min 的電池片效率與退火溫度550 ℃、退火時間15 min 的電池片效率相差不大。這是因為消除了EL 暗片以後，兩種電池片的電性能參數已不會受到背面缺陷的影響，只會在退火處理後提高少子壽命方面有所差異。
在實際生產過程中，ALD 後可以先做正面PECVD 後再做背面PECVD，也可以在ALD 後先做背面PECVD 再做正面PECVD，無論是哪種工序，在ALD 後都需進入PECVD 爐管進行Si3N4 膜的製作。與此同時，可以將退火步驟同步進行，即在爐管里500 ℃環境下恆溫15 min 時，進行Si3N4 膜的沉積，這樣既減少了流程，縮短了製程時間，也提高了產能和效率。
3 結論
EL 暗片由二次清洗產生，電池片背面經過二次清洗後背表面會殘留雜質，再經過ALD 原子層沉積Al2O3 產生缺陷，但二次清洗的問題目前暫無法根治。本實驗在不新增其他變數的情況下，通過對退火溫度和時間的研究，得出電池片在退火加熱到一定溫度( > 500 ℃ ) 且保持足夠時間( > 15 min) 的條件下，經過高溫退火作用，能消除PERC 電池EL 暗片，並且提高電池片效率。
原標題：《PERC 電池EL 暗片研究》
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■ 康忠平* 陳剛 江堅 張劍峰 王仕鵬 黃海燕 陸川
來源《太陽能》雜誌社2018 年第4 期( 總第288 期)
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