提升晶硅太陽(yáng)能電池效率的工藝研究

提升晶硅太陽(yáng)能電池效率的工藝研究

本文在擴(kuò)散、燃燒和網(wǎng)格印刷三個(gè)方面研究了晶體電池電性能參數(shù)對(duì)藍(lán)晶池電性能參數(shù)的影響，并對(duì)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明，提高了晶硅電池的效率。通過(guò)柵線圖形線寬不細(xì)化來(lái)避免印刷質(zhì)量問(wèn)題的困擾,最終通過(guò)優(yōu)化擴(kuò)散和燒結(jié)工藝匹配網(wǎng)版圖形密化設(shè)計(jì)的工藝方案制備具有低表面濃度和高印刷質(zhì)量的晶體硅光伏電池。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下測(cè)試,該方案制備的晶硅電池片開(kāi)路電壓Uoc和短路電流Isc分別獲得了1mV和50mA的提升,光伏電池的效率提升0.15%以上。引言:隨著無(wú)網(wǎng)結(jié)和二次印刷等網(wǎng)版印刷技術(shù)的推廣應(yīng)用,柵線進(jìn)一步細(xì)化的空間已經(jīng)越來(lái)越小,對(duì)電池片印刷質(zhì)量的要求也在不斷的提高,在這種情況下,通過(guò)柵線細(xì)化提升晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率會(huì)越來(lái)越困難,本文通過(guò)對(duì)電池端的工藝進(jìn)行分析,在柵線寬度不變的前提下,確定了一套涉及擴(kuò)散、絲網(wǎng)印刷和燒結(jié)工藝的前后匹配方案,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證確定,最終獲得了晶硅電池轉(zhuǎn)換效率的提升,為以后進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用提供一些參考。晶硅太陽(yáng)能電池通過(guò)絲網(wǎng)印刷技術(shù)在電池的正面印刷絲網(wǎng)圖形,印刷技術(shù)已經(jīng)非常成熟。通過(guò)對(duì)絲網(wǎng)印刷圖形,包括對(duì)細(xì)柵線和主柵線的優(yōu)化,以提高電池效率、降低成本,是最終實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)的重要方式。絲網(wǎng)印刷技術(shù)已經(jīng)非常成熟,特別是隨著無(wú)網(wǎng)結(jié)網(wǎng)版技術(shù)的發(fā)展。雖然網(wǎng)版圖形的柵線細(xì)化已經(jīng)走在前面,但正電極銀漿的印刷質(zhì)量限制著印刷圖形的繼續(xù)細(xì)化。正電極銀漿的開(kāi)發(fā)需要時(shí)間,從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)到量產(chǎn)的時(shí)間段,決定了正電極銀漿對(duì)柵線細(xì)化的貢獻(xiàn)是臺(tái)階式進(jìn)步的。然而,光伏太陽(yáng)能的市場(chǎng)的總是倒逼著電池技術(shù)的不斷進(jìn)步,這也是光伏太陽(yáng)能走上成熟的過(guò)程。電池技術(shù)停滯不前,以后的日子將會(huì)越來(lái)越難過(guò)。PN結(jié)形成以后,載流子傳輸?shù)诫姵乇砻?再橫向傳輸?shù)秸鏂啪€的過(guò)程,也是一個(gè)載流子復(fù)合的過(guò)程。硅晶體的禁帶寬度Eg為1.2eV,載流子的壽命是有限的,載流子一邊擴(kuò)散、一邊復(fù)合所能夠走過(guò)的平均距離即為擴(kuò)散長(zhǎng)度,擴(kuò)散長(zhǎng)度越大,太陽(yáng)能電池的量子效率和轉(zhuǎn)換效率也就越高,它是反映半導(dǎo)體材料質(zhì)量很重要的一個(gè)參數(shù)。硅晶體的禁帶寬度是固定的,而從電池片表面?zhèn)鬏數(shù)秸鏂啪€的過(guò)程是載流子從電池片到外部輸出的最后一站,降低這一段的載流子復(fù)合是提高電池效率的重要手段。降低這一段的復(fù)合,我們確定了兩個(gè)方向,一個(gè)是降低電池片表面的摻雜濃度,也即需要改變擴(kuò)散過(guò)程中的工藝參數(shù);另一個(gè)是降低這一段的傳輸距離,這需要對(duì)正面柵線圖形進(jìn)行改變,也即增加細(xì)柵線的根數(shù)。今后,在如何開(kāi)發(fā)新技術(shù)以得到低價(jià)格、高效率的晶硅太陽(yáng)能電池,早日實(shí)現(xiàn)綠色能源的普及,晶硅太陽(yáng)能電池的工藝優(yōu)化等方面還有許多工作可做。1.實(shí)驗(yàn)計(jì)劃1.1擴(kuò)散工藝的確定擴(kuò)散層結(jié)深和濃度是影響電池核心部件PN結(jié)質(zhì)量的決定性因素,一個(gè)適合實(shí)際電池生產(chǎn)需求的擴(kuò)散工藝需要恰當(dāng)?shù)臄U(kuò)散結(jié)深和濃度,表面雜質(zhì)濃度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)散區(qū)能帶收縮、缺陷增加、“死層”明顯,低摻雜雖然死層小,但會(huì)導(dǎo)致表面接觸變差,引起串聯(lián)電阻增加。顧此失彼,都無(wú)法獲得最佳的電池轉(zhuǎn)換效率。為了確定合適的擴(kuò)散工藝。本文選擇不改變通入三氯氧磷的流量及時(shí)間,即不改變擴(kuò)散的總摻雜量的情況下,通過(guò)改變有氧高溫推進(jìn)的溫度和時(shí)間,實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)散表面濃度和結(jié)深的調(diào)整,提升方塊電阻,獲得如圖1中實(shí)線2的ECV曲線效果圖,最終實(shí)現(xiàn)電性能參數(shù)的提升。1.2金屬化柵線增強(qiáng)設(shè)計(jì)絲網(wǎng)印刷正面柵線起到與硅形成良好的歐姆接觸,收集電子、空穴并導(dǎo)出到外電路的作用,所以為了提高歐姆接觸和電子傳輸能力,需要進(jìn)行必要的柵線細(xì)化和根數(shù)增加,也即金屬化柵線的細(xì)化和密化,在減小柵線寬度的同時(shí)增加?xùn)啪€橫截面積,降低正面柵線遮光面積和提升正面銀漿接觸性能。然而隨著無(wú)網(wǎng)結(jié)和二次印刷等網(wǎng)版印刷技術(shù)的應(yīng)用,柵線進(jìn)一步變細(xì)的空間已經(jīng)越來(lái)越小,圖2為ITRPV2017年對(duì)于正面柵線寬度的細(xì)化趨勢(shì)預(yù)測(cè),從中可以看出,柵線的細(xì)化趨勢(shì)會(huì)變緩,細(xì)化的幅度會(huì)變小,因此本實(shí)驗(yàn)在保持柵線寬度不變的前提下,通過(guò)增加?xùn)啪€的根數(shù)提高電流收集能力,提高金屬化柵線接觸橫截面積,最終實(shí)現(xiàn)電性能參數(shù)的提升。1.3燒結(jié)對(duì)晶硅電池的影響燒結(jié)的目的是干燥硅片上的漿料,燃盡漿料的有機(jī)組分,使?jié){料和硅片形成良好的歐姆接觸。雖然高溫在晶硅電池的制作過(guò)程中普遍存在,但在燒結(jié)工序,在極短時(shí)間內(nèi)使硅片達(dá)到共晶溫度,才能減少高溫對(duì)硅片的損傷。滿足燒結(jié)需求的情況下,為了提升晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率,需要盡量降低高溫對(duì)晶硅電池的損傷。所以本實(shí)驗(yàn)通過(guò)降低燒結(jié)爐的最高溫度,增加燒結(jié)爐的帶速,因此需要使用更低軟化溫度的正銀漿料,對(duì)比不同軟化溫度正銀對(duì)Rs和Eff的影響,本實(shí)驗(yàn)在保持良好歐姆接觸的同時(shí),通過(guò)減少硅片在高溫中的時(shí)間,最終實(shí)現(xiàn)電性能參數(shù)的提升。2.試驗(yàn)過(guò)程的評(píng)估2.1tempps擴(kuò)散采用P型單晶硅片作為襯底,面積為156.75mmX156.75mm,厚度為200±20nm,使用Tempress擴(kuò)散和ASYS印刷設(shè)備。2.2燒結(jié)爐參數(shù)優(yōu)化采用匹配疊加實(shí)驗(yàn)方案,即通過(guò)增加絲網(wǎng)印刷網(wǎng)版圖形的細(xì)柵線根數(shù),同步調(diào)整燒結(jié)爐的燒結(jié)溫度和時(shí)間,通過(guò)精確對(duì)比確定印刷圖形和燒結(jié)爐的參數(shù)優(yōu)化幅度;在確定后道工序參數(shù)的基礎(chǔ)下,以相同方式匹配疊加擴(kuò)散優(yōu)化工藝。擴(kuò)散優(yōu)化工藝是在不改變通入磷源總量的情況下,通過(guò)改變低溫、高溫推進(jìn)的時(shí)間和溫度,提高方塊電阻。2.3網(wǎng)面板形和燒結(jié)優(yōu)化前后工藝的電性能參數(shù)以下數(shù)據(jù)是持續(xù)精確對(duì)比試驗(yàn)中的代表性數(shù)據(jù)。表1的對(duì)比數(shù)據(jù)中,實(shí)驗(yàn)組-A組是采用網(wǎng)版圖形和燒結(jié)優(yōu)化后工藝的電性能參數(shù),對(duì)比組-B組是采用網(wǎng)版圖形和燒結(jié)優(yōu)化前工藝的電性能參數(shù)。表2的對(duì)比數(shù)據(jù)中,實(shí)驗(yàn)組-A組是采用擴(kuò)散、網(wǎng)版圖形和燒結(jié)優(yōu)化后工藝的電性能參數(shù),對(duì)比組-B組是采用擴(kuò)散、網(wǎng)版圖形和燒結(jié)優(yōu)化前工藝的電性能參數(shù)。2.4擴(kuò)散工藝的優(yōu)化后提升效率通過(guò)后道工序的優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)效率提升0.1%以上,疊加前道擴(kuò)散工藝的優(yōu)化,累計(jì)實(shí)現(xiàn)0.15%的效率提升。效率提升主要來(lái)源于開(kāi)路電壓和短路電流的提升,電性能參數(shù)的變化符合實(shí)驗(yàn)的預(yù)期。3.印刷網(wǎng)麻黃形的優(yōu)化本文從影響晶體硅電池轉(zhuǎn)換效率的主要因素進(jìn)行研究,分別從擴(kuò)散、燒結(jié)和絲網(wǎng)印刷圖形三方面著手。通過(guò)擴(kuò)散和燒結(jié)工藝與絲網(wǎng)印刷網(wǎng)版圖形的優(yōu)化搭配,分析得出一種提升晶體硅太陽(yáng)能電池的工藝方案