摘要：背鈍化技術(shù)以能有效提高電池片性能在工業(yè)化生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，本文通過(guò)比
較PERC電池激光開窗技術(shù)的激光頻率、開窗形貌、設(shè)備功率對(duì)電池片性能的影響，優(yōu)

　　晶體硅太陽(yáng)電池作為光伏市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，量產(chǎn)工藝已日漸成熟。為進(jìn)一步優(yōu)化其生產(chǎn)工藝、提高晶體硅太陽(yáng)電池片效率、降低生產(chǎn)成本，此前已有諸多研究，目前厚度為200μm的硅片已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)[1]。20世紀(jì)80年代，澳大利亞新南威爾士大學(xué)光伏實(shí)驗(yàn)室研究出了PERC電池，其轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了22.8％，打破了當(dāng)時(shí)晶體硅太陽(yáng)電池的紀(jì)錄[2]。此后，背鈍化技術(shù)作為一種相對(duì)普及的新型工藝，以可有效降低電池片背表面復(fù)合率、提升電池片內(nèi)部光學(xué)反射機(jī)制等特性在工業(yè)化生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。PERC電池與常規(guī)電池片結(jié)構(gòu)相比，區(qū)別主要在以下兩個(gè)方面(如圖1所示)：

　　1)PERC電池在晶體硅電池背表面有一層鈍化介質(zhì)層(多為Al2O3)和保護(hù)層(多為SixNy)。

　　2)常規(guī)電池片鋁背場(chǎng)與硅片完全接觸，而PERC電池Al背場(chǎng)是通過(guò)激光開窗的空洞區(qū)域與硅片進(jìn)行局部接觸。

　　由于在硅片表面含有原子結(jié)構(gòu)周期性排列中斷而形成的未飽和的懸掛鍵，使得晶體結(jié)構(gòu)表面和界面產(chǎn)生空間電荷和表面勢(shì)壘，形成不穩(wěn)定的表面態(tài)，從而影響了載流子的正常輸運(yùn)[3]。常規(guī)工藝一般直接在電池片背表面燒結(jié)鋁漿形成Al背場(chǎng)，從而在一定程度上減少載流子在電池背表面的復(fù)合速率，形成p+合金結(jié)，提高電池片開路電壓。PERC電池使用鈍化介質(zhì)膜Al2O3將電池片背表面的懸掛鍵進(jìn)行保護(hù)，形成固定電場(chǎng)產(chǎn)生鈍化效應(yīng)，從而降低表面復(fù)合，提升效率。目前實(shí)現(xiàn)電池片背點(diǎn)接觸的方法有化學(xué)開窗、機(jī)械開窗、激光開窗等。隨著激光技術(shù)的日益成熟，激光開窗也以其精準(zhǔn)快捷、適用范圍廣、性價(jià)比高、無(wú)接觸污染等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為實(shí)現(xiàn)背點(diǎn)接觸的一種成熟的生產(chǎn)工藝。激光開窗技術(shù)使鋁背場(chǎng)與硅片形成局部點(diǎn)狀接觸，減少了金屬背極與背表面的接觸，從而使開路電壓得到提升。有研究表明，激光開窗在加工過(guò)程中不僅不會(huì)對(duì)Al2O3鈍化層的鈍化效果產(chǎn)生任何負(fù)面影響，而且對(duì)電池片性能也幾乎無(wú)影響[4]。本實(shí)驗(yàn)主要探究了PERC電池生產(chǎn)過(guò)程中激光開窗技術(shù)對(duì)電池片性能的影響因素。

　　1.1實(shí)驗(yàn)樣品

　　本實(shí)驗(yàn)選取的樣品采用成熟的PERC技術(shù)，每組樣品激光開窗處理之前工藝完全相同，且背面SixNy顏色相近(SixNy顏色隨著厚度呈周期性變化)，以保證實(shí)驗(yàn)樣品的一致性和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

　　1.2實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容

　　實(shí)驗(yàn)研究背鈍化技術(shù)在激光開窗過(guò)程中激光設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)等對(duì)電池性能的影響，主要研究?jī)?nèi)容為：

　　1)不同激光功率對(duì)電池片性能的影響。實(shí)驗(yàn)根據(jù)激光器固定參數(shù)設(shè)定不同的輸出功率，以研究不同功率條件下電池片的性能。

　　2)不同輸出頻率對(duì)電池片性能的影響。實(shí)驗(yàn)通過(guò)調(diào)整激光器輸出頻率，探究不同頻率條件下的開窗平滑度及電池片性能。

　　3)不同開窗形貌對(duì)電池片性能的影響。實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變激光開窗線寬及開窗線型，探究不同開窗形貌條件下的電池片性能。

　　1.3實(shí)驗(yàn)工藝流程

　　原硅片經(jīng)過(guò)成熟的常規(guī)工藝制絨、擴(kuò)散、開窗后，使用PECVD技術(shù)在硅片正表面鍍一層厚度約為80μm的SixNy減反膜；然后在硅片背表面生長(zhǎng)一層厚度約5～8μm的Al2O3，本實(shí)驗(yàn)采用原子層淀積(ALD)的方式生長(zhǎng)Al2O3；最后在Al2O3表面鍍一層約150μm的SixNy保護(hù)層后，采用激光技術(shù)在硅片背面開窗，打通鋁背場(chǎng)與硅片基本的連接通道，使鋁背場(chǎng)在印刷燒結(jié)后能與硅片產(chǎn)生有效歐姆接觸；硅片開窗后采用相同工藝經(jīng)過(guò)印刷燒結(jié)，在相同機(jī)臺(tái)對(duì)電池片性能進(jìn)行測(cè)試對(duì)比分析，以保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。其中，背鈍化量產(chǎn)激光設(shè)備為常州鐳射激光設(shè)備有限公司制造，型號(hào)為SolarLase-Pro2000，主要參數(shù)見表1。

　　2.1不同功率的對(duì)比

　　實(shí)驗(yàn)采用相同批次片源進(jìn)行多組對(duì)比，在保證前段工藝與激光設(shè)備其他參數(shù)完全一致的條件下，調(diào)節(jié)激光器輸出功率，比較不同功率條件下成品電池片的電性能差異。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

　　從表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，在激光設(shè)備功率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，在實(shí)驗(yàn)功率遞增的條件下，電池效率波動(dòng)不明顯且無(wú)線性變化的趨勢(shì)，這說(shuō)明激光設(shè)備功率在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)對(duì)電池片性能影響并不大。

　　2.2不同頻率的對(duì)比

　　實(shí)驗(yàn)選取相同批次片源進(jìn)行多組對(duì)比，在控制其他變量的條件下，研究不同激光頻率對(duì)電池性能的影響。在實(shí)驗(yàn)原有工藝基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)激光設(shè)備的輸出頻率，設(shè)置激光頻率梯度，研究了在1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5MHz頻率條件下電池片的性能差異，用3D顯微鏡比較了高頻與低頻工藝條件下開窗后電池結(jié)構(gòu)的微觀形貌，在相同機(jī)臺(tái)對(duì)其電性能進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，驗(yàn)證激光頻率對(duì)電池性能的影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

　　從3D顯微鏡測(cè)試結(jié)果來(lái)看，低頻工藝條件下激光開窗深度較淺，疑似有SixNy殘留物，且開窗臨界面呈鋸齒狀結(jié)構(gòu)；高頻工藝條件下激光開窗深度相對(duì)較深，且開窗臨界面十分平整。這可能是因?yàn)樵谝欢l率范圍內(nèi)，當(dāng)激光脈沖作用于電池表面時(shí)，頻率越高激光能量釋放越大，因此開窗效果也相對(duì)較好。從電性能數(shù)據(jù)來(lái)看，2.0MHz工藝條件下的電池片性能要優(yōu)于1.0MHz工藝。

　　從圖3可知，電池片效率隨著激光輸出頻率逐漸增加呈先升后降的趨勢(shì)。當(dāng)激光頻率低于2.5MHz時(shí)，電池片性能隨著頻率升高而呈遞增趨勢(shì)；當(dāng)激光頻率高于2.5MHz時(shí)，電池片性能隨著頻率升高而呈遞減趨勢(shì)。對(duì)比表3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不難看出，當(dāng)頻率超過(guò)2.5MHz時(shí)，電池片填充因子FF也呈下降趨勢(shì)，進(jìn)一步影響了電池片效率。這可能是由于在激光開窗的過(guò)程中，激光能量被SixNy/Al2O3鈍化介質(zhì)膜吸收的同時(shí)，少部分溢出的能量也會(huì)被硅襯底吸收[4]；事實(shí)上，激光能量大部分還是被SixNy/Al2O3鈍化介質(zhì)膜吸收，以減少對(duì)原硅片的損傷。而隨著激光頻率增加，激光脈沖能量隨之增大，開窗效果也相對(duì)越好；當(dāng)激光頻率超過(guò)2.5MHz時(shí)，激光能量在刻穿SixNy/Al2O3鈍化介質(zhì)膜的基礎(chǔ)上對(duì)硅片表面產(chǎn)生了損傷，從而影響了電池片性能。

　　2.3不同形貌對(duì)比

　　實(shí)驗(yàn)選取相同批次片源進(jìn)行多組對(duì)比，在保證其他工藝條件完全一致的情況下，研究不同開窗形貌(線寬、線型)對(duì)電池性能的影響。兩組實(shí)驗(yàn)分別選取相同片源，其中實(shí)驗(yàn)通過(guò)3D顯微鏡測(cè)試對(duì)比了不同開窗線寬時(shí)電池性能的差異；而后選取A組實(shí)驗(yàn)樣品采用連續(xù)線開窗工藝，B組實(shí)驗(yàn)樣品采用間斷線(開窗0.8mm，不開窗0.2mm)開窗工藝，比較不同開窗線型條件下電池片性能，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4、表5所示。

　　從表4可知，在控制其他變量的條件下，當(dāng)開窗線寬逐漸增加時(shí)，電池片性能也隨之提高，這可能是因?yàn)橄鄬?duì)大的開窗面積提高了電池片表面載流子的運(yùn)輸性能，從而使電池片性能得到提升。從表5可知，間斷線開窗工藝生產(chǎn)的電池片效率要比連續(xù)線開窗工藝高0.10%。而在其他實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在燒結(jié)爐溫和鋁漿相同時(shí)，連續(xù)線開窗工藝所生產(chǎn)的電池片在經(jīng)過(guò)印刷燒結(jié)后背場(chǎng)更易產(chǎn)生鋁珠和鋁刺，而間斷線開窗工藝所生產(chǎn)的電池片則幾乎沒有，這也從側(cè)面證實(shí)了間斷線開窗工藝的優(yōu)越性。

　　本實(shí)驗(yàn)采用控制變量法研究了PERC電池激光開窗時(shí)的激光頻率、開窗形貌、設(shè)備功率對(duì)電池片性能的影響。實(shí)驗(yàn)表明：

　　1)激光器輸出功率在14～17W范圍內(nèi)，設(shè)備功率對(duì)電池片性能并無(wú)直接影響。

　　2)激光頻率在1.0～3.5MHz范圍內(nèi)，當(dāng)輸出頻率低于2.5MHz時(shí)，電池片性能隨著激光器輸出頻率升高而呈遞增趨勢(shì)；當(dāng)激光器輸出頻率高于2.5MHz時(shí)，設(shè)備輸出頻率升高則會(huì)影響FF，從而使電池片性能降低，這可能與激光開窗深度有關(guān)。

　　3)當(dāng)開窗線型相同時(shí)，開窗線寬在33～38μm范圍內(nèi)時(shí)電池片性能隨著開窗線寬增加而提升，這可能是由于相對(duì)較大的開窗面積增進(jìn)了鋁背場(chǎng)與硅片的有效歐姆接觸，從而提升了電池性能；而就開窗線型而言，間斷型開窗工藝要優(yōu)于連續(xù)型開窗工藝。