背处理对背钝化晶体硅太阳电池性能的影响

■ 钱洪强 席曦 乔琦 陈丽萍 葛剑 吴文娟 陈如龙 杨健 朱景兵 施正荣 李果华

（1.江南大学理学院；2.无锡尚德太阳能电力有限公司）

0 引言

光伏行业虽然是新型绿色产业，但由于受到现国内生产过剩和无序竞争，以及各种“双反”和削减补贴等影响，光伏企业的生存压力增大。在此背景下，如何降低生产成本和提高太阳电池效率是企业最重视的两个方面。不管是为了降低成本减薄硅片，还是高效电池如PERC(passivated emitter and rear cell)和PERL电池(passivated emitter and rear locally diffused)，都需通过背处理结合背钝化来提高电池对长波段的反射和再吸收利用。

本文采用生产所使用的p型CZ单晶硅片进行实验，并采用大规模应用的Roth&Rau平板PECVD沉积正反两面钝化减反膜(SiNx)。SiNx膜是目前太阳电池最常用的钝化减反膜，Schmidt J 等人使用HF-PECVD沉积SiNx在1 Ω·cm的SiNx型硅片上得到低于10 cm/s的复合速率[1]。由于SiNx膜固有正束缚电荷(约1×1012cm-2)[2]，在p型硅片背表面会形成反型层而造成电池的寄生电容效应[3]，因此本文使用含有固定负束缚电荷的AlOx(电荷密度在1012～1013 cm-2)钝化膜来消除该负面影响[4-7]。

本文首先使用PC1D模拟研究不同背反射对电池电性能参数的影响，在此基础上理论和实验分析碱性和酸性背面处理的差异，以及背处理对晶体硅太阳电池性能的影响。

1 PC1D模拟

采用常用的PC1D模拟软件进行电池理论模拟，其中，设定面积1 cm2、标准绒面结构(绒面大小在3 μm)、表面沉积厚80 nm、折射率为2的减反膜，本体p型硅片(电阻率1.5 Ω·cm，体少子寿命150 μs)，扩散方块电阻85 Ω/□，结深控制在0.3 μm，固定电池正反面复合速率1000 cm/s的情况下进行模拟。不同背面反射率情况下，电池表征出来的短路电流密度(Jsc)和开路电压(Uoc)的变化情况如图1、2所示。

从模拟仿真结果看，背面反射率越高，电池的Jsc和Uoc就越高，综合而言，电池的转换效率应随着背面反射率的提高而增大。因此，提高背面反射率，进行背处理是制备高效太阳电池的关键工艺点之一。

2 实验与讨论

从以上PC1D的模拟可看出，对于如何提高电池背面反射率对太阳电池的电性能改善也尤为重要。采用常规p型CZ硅片，厚度200±20 μm，电阻率1～3Ω·cm，硅片尺寸156 mm×200 mm，经过正常制绒和清洗后进行后续实验。

2.1 酸性背处理和碱性背处理的比较

对制绒清洗后的硅片分别进行酸性背面处理(HNO3:HF:H2O=6:1:1)和碱性背面处理(NaOH 10 wt% 80 ℃)。酸处理采用水平链式腐蚀设备，背面腐蚀约5 min；碱处理采用恒温水浴浸泡式处理，时间约5 min。由处理后的形貌(图3、图4)可看出，各项同性腐蚀和各项异性腐蚀的差异。但是经过激光显微镜扫描测试粗糙度，得出酸处理平均粗糙度为0.6 μm，碱处理平均粗糙度为0.5 μm，相差不大。然后在处理过的硅片正反面上使用PECVD沉积SiNx膜后进行测试反射率。由于入射光波传输通过整个电池到达背面，中短波长的光基本全部被吸收，仅剩长波段的光可重新被背面反射回电池内部，因此电池内部背面反射情况可通过正常测试电池反射率曲线中的长波区域来考查，结果如图5所示。同时在此基础上，背面印刷铝浆后再次测试其反射率，结果如图6所示。

图3 酸性背面处理后的形貌

图4 碱性背面处理后的形貌

对比图5和图6可知，进行碱性背处理的背面反射率比酸性背处理的略高，这是由于碱性处理比酸性处理后的背面形貌更易趋向镜面抛光状态。不过该差距会在背面存在金属背场后缩小。

经过平整化后的晶体硅电池背面更加平缓，趋向于“镜面”，这样在太阳电池金属化方面会有很大帮助。主要作用是背场印刷的浆料和硅片更加紧密，经过烧结炉共烧时受热更加均匀，从而形成的合金层均匀性更好。将经过酸处理和碱处理的硅片，在不进行钝化的基础上直接印刷全铝背场，相同条件下进行合金层的考查，从而对比酸、碱处理的差别，如图7所示。

图7 不同背处理后的背场合金情况

从图7可看到，两种处理结果对于合金层的影响几乎一样，没有太大差别。也就是说，当背面平整度达到一定程度后，合金层的厚度和均匀性都开始趋于稳定。

碱性背面处理过程必须先在制绒清洗后的片子单面镀较厚的保护膜(实验中使用SiNx)，然后背面平整化后再设法去除，工艺较为复杂。而且从结果来看，做成电池后两种方式背处理测试的背面反射率差异很小，故在现有条件状况下选择进行酸性背处理。

2.2 酸性背处理程度的比较

对制绒清洗后的硅片进行酸性背处理，分别采用3种方式：背面不处理、酸性背处理1次和酸性背处理3次，然后测试反射率查看背面反射情况。处理3次的总时间约5 min，与之前对比酸碱处理的时间一致。碱处理已经达到镜面的效果，继续增加酸处理时间或次数，背面平整度仅是趋于碱处理的效果。而上述已表明5 min的酸碱处理效果差异很小，因此这里对比的酸处理程度的上限设置为5 min。

从图8和图9可看出，酸性背面处理次数越多背面就越平整，其背面反射率会越高。

2.3 背面处理对电池性能影响的整体表现

根据实验确定酸性背面处理程度的情况下使用酸性背处理3次后正面沉积80 nm、折射率为2的SiNx膜，背面沉积AlOx/SiNx叠层膜，AlOx的厚度仅为数纳米，叠层膜的总膜厚为240 nm。有无背处理工艺的背钝化电池的整体电性能情况见表1，QE情况如图10所示。

表1 有无背处理工艺的背钝化电池整体电性能情况

由表1和图10可知，经过背处理后，电池的转换效率绝对值可提升0.12%以上。开路电压方面，相对于无背处理的电池而言基本无变化，变化主要来自于电池的短路电流密度。由于背处理后背面的反射率增强，长波段的光经过背反射后重新被电池吸收，光生载流子数量增加，因此电流会得到提升。

3 结论

PC1D模拟可知，较高的背面反射率对太阳电池电性能的改善很有帮助。从模拟计算可知，如果仅背反射率从40%提高到100%的情况下，Jsc提高5.31%，Uoc提高0.22%，短路电流密度的提升为主要贡献。通过实验可知，使用碱性背处理的电池背面反射率略高于酸性背处理，但仅限于未经过金属化前的半成品。碱处理在反射率方面的优势会在制作电池工艺过程中的印刷铝背场后被缩小，酸碱处理几乎无差别。考虑到工艺的复杂程度等方面因素，最终确定使用酸处理背面较为理想。酸处理过程中，酸处理时间越长或次数越多，背面的反射率将越高。但是酸处理最终也只是趋于碱处理的“镜面”效果。当背面平整度达到一定程度后，背处理的效果会趋于“饱和”，因此本文最终确定了背面酸处理的程度。在此基础上，正面使用SiNx作为减反膜，背面使用AlOx/SiNx叠层钝化膜，制备的电池背处理后电池转换效率绝对值可提高0.1%以上。

[1] Schmidt J, Kerr M.Highest-quality surface passivation of low-resistivity p-type silicon using stoichiometric PECVD silicon nitride[J].Solar Energy Material & Solar Cells, 2001, 65(1-4): 585－591.

[2] Mart n I, L vblom R, Alcubilla R.High-efficiency solar cells based on inversion layer emitters[A].Photovoltaic Solar Energy Conference[C], Hamburg, Germany, 2009.

[3] Dauwe S, Mittelstädt L, MetzA, et al.Experimental evidence of parasitic shunting in silicon nitride rear surface passivated solar cells[J].Photovoltaics, 2002, 10(4): 271－278.

[4] Hoex B, Schmidt J, Pohl P, et al.Silicon surface passivation by atomic layer deposited Al2O3[J].Journal of Applied Physics, 2008,104: 044903－044905.

[5] Schmidt J, Merkle Agnes, Hoex B, et al.Atomic-layerdeposited aluminum oxide for the surface passivation of highefficiency silicon solar cells[A].Photovoltaic Specialists Conference[C], San Diego, CA, USA, 2008.

[6] Terlinden N M, Dingemans G, van de Sanden M C M, et al.Role of field-effect on c-Si surface passivation by ultrathin (2-20 nm)atomic layer deposited Al2O3[J].Applied Physics Letters,2010, 96: 112101－112103.

[7] Werner F, Veith B, Zielke D, et al.Electronic and chemical properties of the c-Si/Al2O3interface[J].Journal of Applied Physics, 2011, 109: 113701－113703.