PERC电池EL暗片研究

浙江正泰太阳能科技有限公司 ■ 康忠平 陈刚 江坚 张剑峰 王仕鹏 黄海燕 陆川

0 引言

我国光伏产业经历了欧盟和美国的“双反”后，行业洗牌，国内众多中小光伏企业破产倒闭，而大企业为了持续保证竞争力，纷纷采取了两种策略：一是提高电池片效率，研究主要集中在电池片背表面钝化上；二是提高电池片质量，在做组件之前，对电池片进行电致发光(Electroluminescence，EL) 测试。

背表面钝化研究主要是在电池片的背面采用原子层沉积(atomic layer deposition，ALD)工艺沉积一层Al2O3，降低背面复合，提高少子寿命。但ALD沉积Al2O3的过程会诱生缺陷[1]，导致少子寿命下降，且这些缺陷直接导致EL暗片产生，封装成组件后会造成组件局部发热，引发热斑效应和热击穿，从而导致组件使用寿命下降。

1 影响并联电阻的因素分析

1.1 PERC电池

钝化发射极背面接触(Passivated Emitter Rear Contact，PERC)电池是一种发射极与背面双面钝化的太阳电池。通过ALD技术，在电池片背表面沉积一层Al2O3，然后再使用等离子化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)在背面镀一层Si3N4薄膜，对Al2O3起保护作用；同时，这层Si3N4薄膜还能提高少子寿命，增加对长波的反射，对光进行充分利用，增加硅片对长波的吸收，显著提高开路电压和短路电流，极大地提高了电池片效率。

图1 PERC电池结构

1.2 EL测试原理

EL测试是利用载流子的电致辐射复合发光原理，对样品在外加偏压条件下发生的荧光收集成像。

在组件生产过程中，为了保证电池片的质量，通常都会对电池片进行EL测试图像分析。从EL的测试原理可以得知，对于电池片肉眼不可见的电池黑斑、暗片、隐裂、断栅、击穿、烧结不良等现象，EL测试仪可以准确的测试出来并以图像呈现。

若电池存在缺陷，会导致少子寿命降低，即扩散长度减小，由此电流密度相应减弱，电池发光强度减小，在EL测试仪上的图像就会显示出区域发暗。

1.3 PERC电池EL测试暗片

PERC电池的制作流程一般为：制绒-扩散-刻蚀-ALD-正面PECVD-背面PECVD-激光开槽-丝网印刷。随着PERC电池的量产，在EL测试中，EL测试仪总能测出正面发暗的电池片，如图2所示。这种EL测试暗片会在组件端大量出现，引发组件热斑效应，从而降低组件质量和寿命。

图2 PERC电池EL发暗

2 实验设计和结果讨论

选取同一批次的200片p型原硅片制作成电池片，其中，100片按照常规流程(制绒-扩散-刻蚀-正面PECVD-丝网印刷)制作，另外100片按照前文所述的PERC电池流程制作；同时，保证在电池片制作过程中都选用同种设备进行，以减小误差。制作结果如表1所示，PERC电池的暗片比例较高，档位从低效率档到高效率档都有；而常规电池的暗片数为零。

表1 PERC电池和常规电池在不同效率档位的暗片数量

PERC电池的制作流程比常规电池的多了3个工序，即ALD原子沉积Al2O3、背面PECVD镀Si3N4、背面激光开槽。由此推断，EL暗片的产生与这3个工序有关。

暗片的产生通常是因为有缺陷区域的少子扩散长度低、发光强度弱，通过EL测试仪进行图像分析会发现，这种电池片会区域发暗或正面发暗。

ALD是对电池片背表面镀上较薄的Al2O3，厚度在2～10 nm之间。电池片经过ALD后，每片厚度均在正常范围之内，且ALD只是对电池片表面提供一层钝化层，所以暗片的产生与这一工序无关。由于目前发现的EL发暗方向都垂直于主栅(图3a)，所以将PERC电池在二次清洗后旋转90°，然后发现EL发暗方向转变为平行于主栅(图3b)，扩散后旋转90°发现发暗方向又变为垂直，因此可判定EL暗片是由二次清洗造成的。二次清洗后背面产生杂质，在背面沉积一层Al2O3之后存在不均匀现象，导致背膜产生缺陷。

图3 PERC电池EL发暗位置

为消除这个缺陷，通常采用退火的方法，即在温度500～550 ℃、时间10～20 min的环境下，对电池片进行热处理[2]。

2.1 不同退火时间对暗片的影响

为了探究EL暗片与退火时间之间的关系，选取同一批次300片p型原硅片，固定退火温度为500 ℃，分别使用退火5 min、10 min和15 min的工艺对ALD后的电池片进行热处理，结果如表2所示。表3为500 ℃退火温度、不同退火时间的电池片电性能参数。

实验结果表明，退火在恒温500 ℃的情况下，热处理时间越长，EL测试暗片的数量就越少，到热处理15 min时，已完全无暗片。从表3可以看出，由于热处理减少了背面缺陷，电池片效率也得到了提高，尤其是在开路电压方面。

表2 退火恒温500 ℃、不同退火时间在不同效率档位的暗片数量

表3 退火恒温500 ℃、不同退火时间的电性能参数

2.2 不同退火温度对暗片的影响

为了探究EL暗片与退火温度之间的关系，选取同一批次的300片p型原硅片，固定退火时间为15 min，分别使用退火温度450 ℃、500 ℃、550 ℃工艺对ALD后的电池片进行热处理，结果如表4所示。表5为相同退火时间、不同退火温度时的电池片电性能参数。

由表4可以看出，制作PERC电池时，在对硅片表面进行ALD原子层沉积Al2O3后，需要再对其进行一次退火，且退火温度不低于500 ℃、时间不少于15 min，可有效消除暗片。消除暗片后电池片效率明显提升，如表5所示，退火温度500 ℃、退火时间15 min的电池片效率与退火温度550 ℃、退火时间15 min的电池片效率相差不大。这是因为消除了EL暗片以后，两种电池片的电性能参数已不会受到背面缺陷的影响，只会在退火处理后提高少子寿命方面有所差异。

表4 相同退火时间、不同退火温度在不同效率档位的暗片数量

表5 相同退火时间、不同退火温度的电性能参数

在实际生产过程中，ALD后可以先做正面PECVD后再做背面PECVD，也可以在ALD后先做背面PECVD再做正面PECVD，无论是哪种工序，在ALD后都需进入PECVD炉管进行Si3N4膜的制作。与此同时，可以将退火步骤同步进行，即在炉管里500 ℃环境下恒温15 min时，进行Si3N4膜的沉积，这样既减少了流程，缩短了制程时间，也提高了产能和效率。

3 结论

EL暗片由二次清洗产生，电池片背面经过二次清洗后背表面会残留杂质，再经过ALD原子层沉积Al2O3产生缺陷，但二次清洗的问题目前暂无法根治。本实验在不新增其他变量的情况下，通过对退火温度和时间的研究，得出电池片在退火加热到一定温度(＞500 ℃)且保持足够时间(＞15 min)的条件下，经过高温退火作用，能消除PERC电池EL暗片，并且提高电池片效率。

[1]孙昀. 用于高效硅太阳电池的原子层沉积Al2O3表面钝化特性研究[J]. 太阳能, 2013, (6)： 38－40.

[2]张鹏. 多晶硅太阳电池预处理及退火工艺研究[J]. 太阳能学报, 2014, 35(1)： 134 － 138.