■ 姚劍 王龍成 李化陽 任海兵

（1.鎮(zhèn)江大全太陽能有限公司；2.浙江理工大學(xué)材料工程中心）

一 引言

對于傳統(tǒng)工藝的產(chǎn)業(yè)化晶硅太陽電池，其串聯(lián)電阻的組成主要由以下幾個方面構(gòu)成[1～2]：背面電極自身體電阻、背面電極與硅基體間金/半接觸電阻、硅基體電阻、正面發(fā)射極橫向電阻、正面電極與發(fā)射極結(jié)區(qū)金/半接觸電阻、正面電極細柵電阻、正面電極主柵電阻，如圖1所示。根據(jù)模型，電池總串聯(lián)電阻Rs=R0+R1+R2+R3+R4+R5+R6(實際電池電路模型中，R5為多個細柵并聯(lián)后得到的電阻）。

本文將主要研究R3、R4、R5對晶硅太陽電池串聯(lián)電阻的影響，并基于實驗數(shù)據(jù)給出有效提高晶硅太陽電池市場競爭力的改善方向。

二 實驗設(shè)計

為更好地研究晶硅太陽電池R3、R4、R5對電池串聯(lián)電阻的影響，特對實驗進行如下設(shè)計：

(1)降低硅基體電阻對實驗的干擾。采用一一洗牌(將整疊硅片按順序依次分成所需組別)的方式將硅片分成7組，每組實驗樣本均為500片。

(2)降低背面接觸電阻對整個串阻的影響。實驗生產(chǎn)過程，盡可能保證背面鋁漿印刷濕重一致，同時，所有其他工段工藝條件也盡可能保持一致。

(3)正面電極體電阻研究。固定正面電極細柵為79根，同時，固定擴散方阻為80?/。保證除電極自身體電阻外，其余各串阻分量均保持一致。對細柵自身串阻，主要通過網(wǎng)版開口(43μm和38μm)，及網(wǎng)版乳膠膜厚(15μm和20μm)差異進行調(diào)整。

(4)正面發(fā)射極橫向電阻研究。保證擴散方阻一致，通過改變電極柵線根數(shù)完成橫向電阻變化。

(5)發(fā)射極結(jié)區(qū)金/半接觸電阻研究。保證正電極圖形完全一致，僅通過改變擴散方阻來獲得不同的金/半接觸電阻。

(6)測試。對每組實驗電池片，均按常規(guī)晶硅太陽電池制造工藝完成電池片的制備；電池片Rs均采用Halm測試儀進行測量，型號為Halm-A-101244-b。

完整實驗設(shè)計及不同實驗組別引起的串阻變量對比匯總見表1。

表1 實驗設(shè)計匯總及影響的具體變量

三 實驗結(jié)果及討論

在研究正面電極柵線體電阻(R5)時，保持采用電極材料不變，因此，存在變量僅為細柵寬度及高度——即電極的橫截面積A發(fā)生改變。通過印刷網(wǎng)版的細柵寬度和網(wǎng)版的膜厚可調(diào)節(jié)橫截面積；一般通過直觀的電極顯微結(jié)構(gòu)測量可觀測電極橫截面積的變化。在實際生產(chǎn)中， 一般通過測量電極印刷銀漿的濕重來得到相關(guān)信息，重量低表明截面積減少。表2為實驗組A1、A2、A3的印刷濕重對比，圖2則為對應(yīng)實驗組A1、A2、A3晶硅電池的Rs對比。

據(jù)圖2可知，平均Rs方面，A3>A1>A2，這與印刷銀漿濕重結(jié)果完全吻合，即印刷濕重越大，Rs越小。進一步對Rs的離散性(以標準差Std Dev：Standard Deviation表示)進行分析可知， Std DevA3>A2>A1。造成該現(xiàn)象的主要原因為：在特定漿料粘度下，更高的乳膠膜厚，或更窄的網(wǎng)版線寬降低了電極印刷過程的漿料過墨性，造成了一些輕微、甚至嚴重的虛印、斷柵現(xiàn)象，從而導(dǎo)致部分電池片Rs過高，相應(yīng)地，Rs離散也隨之增大。就A3組而言，實驗設(shè)計的38μm網(wǎng)版線寬相對于實驗所用的銀漿是不匹配的。印刷過程的過墨不良導(dǎo)致電池片Rs過于離散，同時，該組實驗平均Rs同比其余各組也無任何優(yōu)勢，這一問題的存在，導(dǎo)致該組電池片因相對較小遮光面積所帶來的短路電流增益無任何優(yōu)勢，柵線細化在該組實驗中對于提高電流的效果并不顯著。對A1、A2組， A2組Rs較低，同時因兩組實驗線寬基本一致，A2組實驗電池片平均效率較A1組略高是必然的。雖然如此，兩者接近0.02g/pcs的單耗(單耗是指每片銀漿耗費量)漿料差異，導(dǎo)致A2組小幅度的效率提升并不能體現(xiàn)出任何經(jīng)濟效益優(yōu)勢。因此，綜合銀漿單耗及電池片效率差異，在搭配實驗正面電極銀漿的前提下，A1組對應(yīng)的正電極網(wǎng)版設(shè)計具有最高的性價比。

表2 實驗組A1、A2、A3印刷濕重對比

對于發(fā)射極橫向電阻，根據(jù)實驗設(shè)計，主要通過細柵間距d的改變來完成。根據(jù)電池橫向電阻R3的計算公式[1，3](Rs=，其中R0為通稱的擴散方阻)可知，隨d值增大，R3將線性增大，相應(yīng)地，電池片總Rs也相應(yīng)增大。當然，在該組實驗中，在改變柵線間距的同時，電池片細柵線的總串阻也相應(yīng)發(fā)生改變。這里，盡管單根細柵串阻并未發(fā)生變化，但細柵與主柵間為并聯(lián)關(guān)系，因此，就電池片最終串聯(lián)電阻而言：柵線根數(shù)增加，電池細柵總串阻將一定程度下降。盡管如此，因?qū)嶒灲M細柵根數(shù)多達79、85、90根，柵線根數(shù)變化對電池總串阻的影響微乎其微。圖3為不同細柵根數(shù)實驗組別下，晶硅太陽電池Rs箱線對比圖。

據(jù)圖3可知，隨柵線根數(shù)增加，柵線間距d減小，橫向電阻Rs近似線性地下降。對于柵線擇優(yōu)選擇，盡管柵線根數(shù)增加可有效降低晶硅太陽電池串阻，改善填充，但隨柵線根數(shù)的增加，電池正面遮光面積以及銀漿單耗也將相應(yīng)增加。因此，細柵根數(shù)的最終確定，需要權(quán)衡細柵根數(shù)增加帶來的填充改善、遮光面積增加導(dǎo)致的短流損失，以及細柵根數(shù)增加帶來銀漿單耗增加導(dǎo)致的成本上升三個方面。一般而言，在固定擴散方阻、保證細柵自身體結(jié)構(gòu)不變的前提下，通過優(yōu)化實驗，均可便捷地得出最經(jīng)濟高效的柵線圖形設(shè)計。對于這部分實驗，澳洲新南威爾士大學(xué)在研究金屬鑄造網(wǎng)版的圖形優(yōu)化時，也得出了類似的優(yōu)化實驗結(jié)果[4]。盡管如此，在他們的實驗設(shè)計中，銀漿單耗改變對晶硅電池成本的影響并未考慮在內(nèi)。

電池發(fā)射極結(jié)區(qū)與電極間金/半接觸電阻的研究，主要通過調(diào)整晶硅太陽電池擴散表面濃度來完成。實驗過程中為便于研究，保證不同組實驗間擴散工藝具有相同的高斯分布，晶硅太陽電池表面擴散濃度的變化將直接反映在擴散方阻的改變上[5]。

實驗中，因擴散方阻的變化，晶硅電池擴散橫向電阻也不可避免地會發(fā)生改變。盡管如此，隨擴散方阻的抬升，晶硅太陽電池的表面磷濃度相應(yīng)降低，晶硅電池的橫向電阻及金/半接觸電阻均會升高。橫向電阻及金/半接觸電阻隨方阻變化的方向一致性，降低了擴散橫向電阻變化對實驗的干擾。為獲得各組擴散硅片的實際擴散方阻，實驗采用Semilab方阻測試儀對每組實驗片進行固定位置單點測量，結(jié)果如圖4所示。對于各組實驗電池片的Rs，同樣通過Halm測試儀進行測試，結(jié)果如圖5所示。

如前文所述，隨方阻增大，電池金/半接觸電阻將相應(yīng)上升，同時，電池方阻的增大也增加了電池的橫向電阻，因此，電池的最終串阻結(jié)果即如圖5所示，A1為80ohm/sqr；C2為70ohm/sqr；C3為90ohm/sqr，則C3>A1>C2。繼續(xù)對電池片串阻離散性進行分析發(fā)現(xiàn)：當電池片擴散方阻達到90ohm/sqr時，其串阻離散性同比70、80ohm/sqr實驗組顯著增大。造成該現(xiàn)象的可能原因為：隨方阻抬升，硅片表面磷源濃度持續(xù)下降，當磷源濃度下降至一定程度，硅片與電極間獲得良好歐姆接觸的條件變得更為苛刻，相應(yīng)地，電池片串阻更易出現(xiàn)更大的離散。

匯總各組實驗，實驗結(jié)果與理論預(yù)期保持良好的一致性。對于產(chǎn)業(yè)化晶硅太陽電池制造，高效低成本是提升產(chǎn)品競爭力的核心要素。綜合考量正面電極體電阻、正面發(fā)射極橫向電阻、正面電極金/半接觸電阻對晶硅太陽電池最終串阻、最終電性能的影響，可按照如下思路進行：

(1)正面電極體電阻方面，保證印刷良好的前提下，盡可能做到柵線細化，在降低銀漿單耗的同時，細柵細化可有效減少太陽電池的遮光面積，從而帶來短路電流增益。

(2)對于正面發(fā)射極橫向電阻，通過降低細柵間距，可以有效降低電池片的橫向電阻，從而獲得相對較優(yōu)的填充因子。

(3)正面金/半接觸電阻方面，盡管擴散方阻的抬升會適當增加電池片的金/半接觸電阻，并使得硅片與電極間形成良好歐姆接觸的條件更為苛刻，但方阻抬升帶來的硅片表面磷源濃度下降可有效降低電池片的死層效應(yīng)，進而顯著改善電池片短波響應(yīng)。因此，對于電池片擴散方阻的擇優(yōu)，在保證擴散均勻的前提下，適當?shù)靥姵仄瑪U散方阻將有助于提升電池片的最終轉(zhuǎn)換效率。

四 結(jié)論

本文詳細討論了產(chǎn)業(yè)化晶硅太陽電池生產(chǎn)中正面電極體電阻、擴散橫向電阻以及發(fā)射極結(jié)區(qū)與電極間金/半接觸電阻對電池最終串阻 的影響?；趯嶒灁?shù)據(jù)，得出如下結(jié)論：

(1)正面電極體電阻，柵線橫截面積的減小(包括柵線細化，柵線高度下降等)將導(dǎo)致電池片串阻上升。盡管如此，在保證印刷良好的前提下，柵線細化帶來的銀漿單耗節(jié)省、遮光面積減小帶來的效率提升將有效彌補因串阻上升導(dǎo)致的效率損失。

(2)擴散橫向電阻，當擴散方阻固定后，柵線間距d是影響擴散橫向電阻的主要因素。擴散方阻固定前提下，可通過非常簡單的優(yōu)化實驗，同時適當考慮柵線根數(shù)改變帶來的銀漿單耗變化，即可得出最佳的細柵根數(shù)選擇。

(3)金半接觸電阻，當電極圖形固定，金半接觸與擴散方阻直接相關(guān)。低的擴散方阻盡管獲得相對較低的金半接觸電阻。但其高表面磷源濃度將帶來嚴重的死層效應(yīng)，從而難以獲得較高轉(zhuǎn)換效率的晶硅太陽電池。在保證擴散方阻均勻的前提下，盡可能抬升電池擴散方阻，是獲取高效晶硅太陽電池的一個重要方向。

綜上，在常規(guī)工藝晶硅太陽電池規(guī)?；a(chǎn)中，確保印刷質(zhì)量良好的前提下，柵線細化結(jié)合高擴散方阻、密排柵線，是進一步提高晶硅太陽電池市場競爭力的重要方向。

[1] Goetzberger A, Knobloch J, Voss B.Crystalline silicon solar cells[M].Freiburg, Germany: Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, 1998.

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