栅线细化与富氧扩散在多晶硅电池上的应用

本文分析了栅线细化和富氧扩散对电池性能的影响,开发适用于常规多晶电池的工艺方案,即在扩散过程总使用富氧工艺扩散,匹配印刷图形的栅线细化密化工艺。通过大量的持续性试验验证,电性能表现上,在保持了短路电流Isc稳定的情况下,开路电压Uoc获得了1mV以上的提升,填充因子FF获得了0.2以上的提升,转换效率Ncell得到了0.1%的提升,基本达到了本试验的最初设计结果。
摩尔光伏     2017-3-15 21:06:16


摘要:扩散和丝网印刷在多晶硅电池上是极其关键的两道工序,本文通过在多晶硅电池上提高扩散钝化效果及更改丝网印刷网版的图形设计,我们发现两者的深度匹配使得多晶硅电池的开路电压Uoc获得了1mV以上的提升,填充因子FF获得了0.1以上的提升,短路电流Isc保持了稳定,转换效率Ncell获得了0.1%的提升。


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引言

  对于太阳能电池来说,为了获得尽可能高的光电转换效率,对于扩散和丝网印刷工艺必须进行深度的匹配。扩散负责形成P-N结[1],对效率起着决定性的影响,丝网印刷负责在电池表面形成金属化,收集并传导电流,是生产太阳能电池的重要工序。传统的效率提升手段是尽可能的提高扩散方阻,提升短路电流Isc,但这样会影响丝网印刷工序的银硅欧姆接触效果,同时在组件客户端会产生明显的短波光学损失[2];本文通过提高扩散工艺过程中的氧气流量,提高形成的P-N结的质量,同时细化密化丝网印刷正电极栅线,增强栅线对电子的收集传导作用,以提升电池转换效率,并通过试验进行验证为以后进行相关的试验和实际应用提供一些参考。

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原理

  1.1细栅工艺在光伏太阳能电池上的应用

  近几年随着硅材料成本的不断降低,金属化成本越来越凸显,金属化占太阳电池非硅成本的大部分,所以栅线的细化越来越被重视。细化密化栅线工艺可在控制银浆耗量的同时实现更好的高宽比[3],从而进一步提升效率,成为不断被采用的手段。栅线电极对太阳电池钝化的影响,如下图1所示:主要体现在随着金属电极所占百分比的增加,其饱和电流所会迅速增加

对于实际的太阳电池表面,总有部分面积被金属电极遮挡,可以看出随着栅线面积的不断增加,电池表面的复合明显呈上升趋势,其影响如下图2,具体来讲,栅线细化有以下几个优势:①可以减少遮光面积,提高短路电流Isc②可以减小金属半导体接触区域复合,提高开路电压Uoc③可以增加正电极栅线根数,提升栅线对电流的收集能力,减少在电池表面的电流传输损失,提高填充因子FF④可以降低丝网印刷正银湿重,降低成本。通过降低细栅线的线宽,实现更好的细栅线高宽比,同时提高细栅线的根数。在试验过程中,可以根据不同的期望选择相应的细栅密栅工艺。

  1.2扩散钝化工艺在光伏太阳能电池上的应用

  少子寿命是表征硅晶体质量的主要参数之一,而热氧化钝化可以在硅片表面产生一层高质量的、有较低的表面态密度的Si-SiO2界面,可以有效地消除表面复合[4],如下图3所示。

  根据热氧化钝化原理,在扩散工艺方面,我们通过提高扩散工艺过程中的通氧量,来达到降低电池表面的掺杂浓度,减少表面复合的效果[5],提高电池的转换效率。

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试验

  2.1试验材料

  采用P型硅多晶硅片作为衬底,面积为156mmX156mm,厚度为200±20nm,使用Tempress扩散和ASYS印刷设备。

  2.2试验方案

  对扩散工艺的调整,主要表现在整个扩散运行过程中增加氧气流量和降低三氯氧磷流量,实现电池表面的低掺杂浓度并提高电池的钝化效果;丝网印刷将细栅线线宽从原来基础上降低8um,同时细栅线根数从原来数目基础上再增加6根细栅线。每次试验均进行精确对比,具体试验流程如下图:

  2.3试验数据

  细栅密栅印刷的效果对比图如下,在3D显微镜下观察,可以看出栅线细化的效果比较明显,能有8-10um左右的细化收窄效果。

下表1和表2是持续对比试验中的两次代表性数据,其中A组是采用扩散调整工艺,并在丝网印刷使用细栅密栅图形制作,B组为采用正常扩散工艺,使用正常网版印刷。

  从对比的试验数据上来看,在短路电流稳定的基础上,开压有1mV以上的提升,填充因子有0.1以上的优势,整体效率上有0.1%的提升。

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结论

  本文分析了栅线细化和富氧扩散对电池性能的影响,开发适用于常规多晶电池的工艺方案,即在扩散过程总使用富氧工艺扩散,匹配印刷图形的栅线细化密化工艺。通过大量的持续性试验验证,电性能表现上,在保持了短路电流Isc稳定的情况下,开路电压Uoc获得了1mV以上的提升,填充因子FF获得了0.2以上的提升,转换效率Ncell得到了0.1%的提升,基本达到了本试验的最初设计结果。

参考文献:

[1]马丁.格林.太阳电—工作原理、工艺和系统的应用.北京:电子工业出版社,1987

[2]陈如龙,汪义川,孔凡建,等.封装材料对太阳能电池组件输出影响的初步研究[J].太阳能学报,2003(3):28

[3]施小忠,汪乐,太阳电池栅线的设计[J].电子学报,1999,27(11):126-127

[4]杨德仁,姚鸿年,阙端磷.微氮硅单晶中氧沉淀,半导体学报,1994,15(6):422

[5]贾锐,张希清,等晶体硅太阳电池表面钝化技术[J].微纳电子技术,2011,4,48(2)


李跃恒 杨爱静 李翔虹

中电投西安太阳能电力有限公司

中国化工贸易

 

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