湖南紅太陽(yáng)光電科技有限公司 ■ 周小榮 謝湘洲 劉文峰 周子游 蔡先武

0 引言

目前，鈍化發(fā)射極背面接觸(Passivated Emitter Rear contact，PERC)技術(shù)已在晶體硅太陽(yáng)電池領(lǐng)域批量使用，可商業(yè)化生產(chǎn)的PERC 太陽(yáng)電池效率約在21.5%[1]。據(jù)中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(CPIA)統(tǒng)計(jì)，2018年我國(guó)PERC 太陽(yáng)電池產(chǎn)能將超過(guò)87.2 GW 。而隨著光伏“領(lǐng)跑者”項(xiàng)目的實(shí)施，對(duì)高效太陽(yáng)電池的需求量加大，傳統(tǒng)的300 W 和305 W 光伏組件(60 片)已不能滿足市場(chǎng)需求，市場(chǎng)需要315 W 及更高功率的光伏組件。而當(dāng)前傳統(tǒng)的PERC 太陽(yáng)電池的提效空間已不大，難有進(jìn)一步突破[3]。因此，為了滿足市場(chǎng)對(duì)高功率組件的需求，雙面PERC 太陽(yáng)電池應(yīng)運(yùn)而生。

雙面PERC 太陽(yáng)電池(也稱(chēng)PERC+太陽(yáng)電池)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1a 所示，其背面采用鋁柵線結(jié)構(gòu)，代替常規(guī)的單面PERC 太陽(yáng)電池(圖1b)的全鋁背場(chǎng)結(jié)構(gòu)。雙面PERC 太陽(yáng)電池正、背面均可受光發(fā)電[4]，其背面可收集10%～30%[5]的太陽(yáng)光，每W 組件發(fā)電量可增加20%[6]，每W度電成本可降低7%～10%[7]。由于雙面PERC 技術(shù)與現(xiàn)有PERC 產(chǎn)線的兼容度較高，適合大規(guī)模量產(chǎn)，是后PERC 時(shí)代降本提效的熱門(mén)技術(shù)。

圖1 雙面與單面PERC 太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)示意圖

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與測(cè)試

1.1 實(shí)驗(yàn)主設(shè)備與儀器

本實(shí)驗(yàn)基于單面PERC 太陽(yáng)電池產(chǎn)線，調(diào)整局部工藝生產(chǎn)雙面PERC 太陽(yáng)電池。實(shí)驗(yàn)所用主設(shè)備和儀器型號(hào)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)所用主設(shè)備與儀器型號(hào)表

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)原則：在保證雙面PERC 太陽(yáng)電池正面效率無(wú)損失或損失較小的前提下，盡可能提高其背面效率。

實(shí)驗(yàn)主要探討背面反射率、背面鋁柵線間距和寬度對(duì)雙面PERC 太陽(yáng)電池電性能的影響?；谇捌诖罅康奶荻葘?shí)驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)有設(shè)備的精度范圍，來(lái)確定適合當(dāng)前實(shí)驗(yàn)的最佳工藝范圍。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)：激光開(kāi)膜窗口圖形為直線型，開(kāi)窗寬度為40 μm，激光頻率為20 kHz，激光功率介于14～16 W；其余工藝參數(shù)均與單面PERC 太陽(yáng)電池相同。實(shí)驗(yàn)共分為3 組，設(shè)計(jì)方案如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)試

運(yùn)用二次元檢測(cè)儀來(lái)分析背面鋁柵線與激光圖形的對(duì)位偏移情況；運(yùn)用D8 積分式反射儀測(cè)試背面拋光后的背面反射率；通過(guò)分選測(cè)試儀測(cè)試雙面PERC 太陽(yáng)電池正、背面效率。

由于雙面PERC 太陽(yáng)電池正、背面均能接收太陽(yáng)光，因此，測(cè)試其中一面的效率時(shí)需要對(duì)機(jī)臺(tái)進(jìn)行黑布處理，以保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同背面反射率對(duì)雙面PERC太陽(yáng)電池電性能的影響

根據(jù)前期雙面PERC 太陽(yáng)電池工藝調(diào)試結(jié)果和現(xiàn)有單面PERC 太陽(yáng)電池(經(jīng)背面拋光后)的背面反射率，選取背面反射率為20%、25%、28%的雙面PERC 太陽(yáng)電池，電性能數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同背面反射率對(duì)雙面PERC 太陽(yáng)電池電性能的影響

由表3可知，雙面PERC 太陽(yáng)電池的背面反射率越低，其背面效率就相對(duì)越高，但正面效率的趨勢(shì)卻相反。這與理論情況相符，背面反射率越低，其背面吸光性就越好，背面短路電流就越高，則背面效率就高；但對(duì)于正面效率而言，背面反射率降低，正面入射光光子反射路程變短，光吸收變差，短路電流下降較快。因此，不能只考慮背面效率，背面反射率選取太低會(huì)浪費(fèi)電池的正面效率。

后續(xù)優(yōu)化的調(diào)控目標(biāo)是在保證背面微觀平整度的同時(shí)，通過(guò)調(diào)整 HF/HNO3的濃度配比適當(dāng)降低雙面PERC 太陽(yáng)電池的背面反射率。

綜上所述，選擇背面反射率為28%的雙面PERC 太陽(yáng)電池。

2.2 背面鋁柵線間距對(duì)雙面PERC太陽(yáng)電池電性能的影響

背面鋁柵線間距主要影響電池背面的受光面積和橫向傳輸電阻，因此需要權(quán)衡二者的影響。實(shí)驗(yàn)選取了鋁柵線間距為0.8、1.0 和1.35 mm 的雙面PERC 太陽(yáng)電池，其電性能數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 不同鋁柵線間距對(duì)雙面PERC 太陽(yáng)電池電性能的影響

由表4可知，背面鋁柵線間距越大，背面受光面積就越大，背面效率就越高。但由于背面鋁柵線距離的加大，使得收集電子時(shí)電子的橫向傳輸電阻就越大，Rs相應(yīng)增加，使電池正面的FF降低，從而使電池正面效率降低。通過(guò)前期梯度實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，當(dāng)背面鋁柵線間距為 1.0 mm 時(shí)，雙面PERC 太陽(yáng)電池可獲得較好的正面效率和背面效率，過(guò)寬或過(guò)窄的鋁柵線間距都不利于其綜合電性能的提高。

2.3 背面鋁柵線寬度對(duì)雙面PERC太陽(yáng)電池電性能的影響

根據(jù)太陽(yáng)電池基礎(chǔ)原理和工藝設(shè)計(jì)方案等相關(guān)理論，背面鋁柵線寬度設(shè)計(jì)需要滿足2 個(gè)條件：鋁柵線寬度能與激光開(kāi)膜窗口圖形精確對(duì)位；背面鋁柵線設(shè)計(jì)需保證電池背面有良好的受光面積，以保證背面效率。

2.3.1 與激光開(kāi)膜窗口圖形精確對(duì)位

因絲網(wǎng)印刷定位系統(tǒng)存在精度誤差，所以激光開(kāi)膜窗口圖形也會(huì)出現(xiàn)畸變。圖2為背面鋁柵線與激光開(kāi)膜窗口圖形的對(duì)位效果圖，圖中灰色粗線為太陽(yáng)電池背面印刷的鋁柵線，底層紫白色細(xì)線為激光開(kāi)膜窗口的直線。

從圖2可以看出，底層紫白色細(xì)線并未與灰色粗線完全居中對(duì)應(yīng)，存在偏移；鋁柵線寬度越窄，偏移的風(fēng)險(xiǎn)就越大。當(dāng)鋁柵線未印在激光開(kāi)膜窗口線處時(shí)，就不能形成較好質(zhì)量的局域鋁背面場(chǎng)(LBSF)；且因?yàn)殇X漿的特性決定了其不能穿透SiNx:H 膜和AlOx膜，鋁柵線與激光開(kāi)膜窗口圖形對(duì)位不準(zhǔn)，造成電池邊角EL 圖形出現(xiàn)發(fā)黑現(xiàn)象，影響了雙面PERC 太陽(yáng)電池效率，如圖3所示。前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋁柵線寬度小于150 μm，對(duì)位偏移的風(fēng)險(xiǎn)變大。

圖2 背面鋁柵線與激光開(kāi)膜窗口圖形對(duì)位圖

圖3 因?qū)ξ徊粶?zhǔn)導(dǎo)致的EL 發(fā)黑圖像

2.3.2 保證背面有良好的受光面積

鋁柵線寬度設(shè)計(jì)需保證電池背面有良好的受光面積，以保證其背面效率。鋁柵線寬度不同時(shí)，背面受光面積比和背面效率數(shù)據(jù)如表5所示。

背面接收的光照量是影響背面效率的關(guān)鍵。由表5可知，背面鋁柵線越窄，背面受光面積越大，背面效率越高。不同背面鋁柵線寬度下雙面PERC 太陽(yáng)電池的正、背面效率如表6所示。

表5 不同背面鋁柵線寬度與背面效率的關(guān)系

表6 不同背面鋁柵線寬度對(duì)雙面PERC 太陽(yáng)電池正、背面效率的影響

綜合考慮電池正、背面效率后決定，背面鋁柵線寬度選取150 μm。

3 優(yōu)化后的雙面PERC太陽(yáng)電池中批量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 中批量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)前文實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化后的雙面PERC 太陽(yáng)電池工藝參數(shù)為：背面反射率為28%，鋁柵線間距為1.0 mm，鋁柵線寬度為150 μm。根據(jù)此工藝參數(shù)進(jìn)行雙面PERC 太陽(yáng)電池中批量實(shí)驗(yàn)，并選擇與雙面PERC 太陽(yáng)電池正面版式相同的單面PERC 太陽(yáng)電池作為基準(zhǔn)組進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)如表7所示。

由表7可知，與單面PERC 太陽(yáng)電池相比，優(yōu)化后的雙面PERC 太陽(yáng)電池工藝能取得較好的效果：其正面效率損失在0.05%以內(nèi)，背面效率大于16%，雙面因子大于74%。中批量生產(chǎn)的優(yōu)化后的雙面PERC 太陽(yáng)電池的正、背面如圖4所示。

表7 優(yōu)化后的雙面PERC 太陽(yáng)電池中批量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 優(yōu)化后的雙面PERC 太陽(yáng)電池正、背面圖(深色為正面，淺色為背面)

3.2 后續(xù)優(yōu)化方向

1)優(yōu)化背面鈍化膜AlOx與SiNx:H 的膜厚[8]，提高雙面PERC 太陽(yáng)電池正面外量子效率，以提升其正面效率。2)W?hrl 等[9]通過(guò)模擬結(jié)果顯示，更細(xì)的鋁柵線是雙面PERC 太陽(yáng)電池的發(fā)展方向。在提高對(duì)位精度的基礎(chǔ)上，需進(jìn)一步細(xì)化優(yōu)化鋁柵線寬度，以形成良好質(zhì)量的LBSF 層，提高電池的正面效率。3)Kranz 等[10]通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了不同的激光開(kāi)膜窗口寬度對(duì)LBSF層中的空洞和深度的影響。我們后續(xù)將設(shè)計(jì)不同的激光開(kāi)膜窗口圖形來(lái)獲得質(zhì)量更好的LBSF 層質(zhì)量，提高電池的正面效率。

4 結(jié)論

本文著重研究了背面反射率、背面鋁柵線間距與寬度對(duì)雙面PERC 太陽(yáng)電池電性能的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得到背面反射率為28%、鋁柵線間距為1.0 mm、鋁柵線寬度為150 μm 的優(yōu)化工藝條件。優(yōu)化后的雙面PERC太陽(yáng)電池的平均正面效率大于21.7%，平均背面效率大于16%，雙面因子大于74%。后續(xù)將繼續(xù)研究從不同角度提高電池的正面效率。