SE+PERC高效太阳电池激光掺杂研究

（晶澳太阳能有限公司，河北邢台 055550）

0.引言

太阳能资源丰富，是洁净的一次能源及无污染的可再生能源。近年来，晶硅太阳电池取得了一系列新突破、新成果，光伏产业化及持续研发日新月异。先进技术不断向产业扩散，大大降低了太阳能光伏的发电成本。当前环保需求日趋严峻，在国家政策对太阳能光伏行业扶持的下、在行业提效降本的核心宗旨下，技术进步已成为降低太阳能光伏发电成本、提高转换效率、促进晶硅太阳电池发展的重要因素。

在太阳能电池的众多参数中，发射极[1]是最能影响转换效率的因素之一，SE+PERC高效电池是其中最典型的产业化应用，图1为SE+PERC高效电池制备工艺流程示意图。

图1 SE+PERC单晶硅太阳电池制备工艺示意图

选择性发射极(SE, selective emitter,)晶硅太阳电池，即在金属栅线与硅片接触部位进行高浓度掺杂，在电极以外的区域进行低浓度掺杂。这种结构设计，通过选用功率小、成本低的波长532nm绿光激光器来实现，对扩散后硅片按照既定图形进行扫描掺杂，利用激光能量对扩散磷硅玻璃层熔融形成金属化重掺区域，既降低了硅片基体与正面金属电极间的接触电阻，又降低了表面扩散层的复合[2]，提高光线的短波响应，使得短路电流、开路电压及填充因子都得到较好的改善，从而转换效率得到提升。

本文在保证太阳电池转换效率及和良品的前提下，主要研究SE激光掺杂工艺条件及窗口优化，分析激光功率对硅片表面微观损伤[3]、光斑间距掺杂效果及光斑大小等与转换效率的关系，寻找提升电池效率的方案。

1.试验仪器与原料

1.1 试验仪器

本文采用DR纳秒激光器进行激光掺杂，采用奥林巴斯显微镜测试样品微观结构，采用四探针方阻测试仪测试激光掺杂后方块电阻，采用WT-1200A测试少子寿命，采用天准轮廓仪测试激光光斑形貌，采用德国Halm高精度I-V测量系统表征电池电性能。

1.2 试验原料

本文采用太阳能级掺镓P型金刚线切割单晶硅片衬底，尺寸158mm×158mm，厚度165μm～175μm，电阻率范围0.4Ω·cm～1.1Ω·cm。试验样品为同一根硅棒切割硅片。

2.试验设计与结果分析

2.1 试验设计

试验样品分为14组，每组50片，分别在同一制绒机台采用相同工艺配方进行制绒，然后将试验样品同一扩散炉管采用相同扩散工艺配方进行扩散，扩散方阻值控制在150±3Ω。14组样品扩散后分别采用表1试验方案进行处理，然后按照SE+PERC工艺路线，相同机台相同工艺配方下传至印刷，收集各样品电性数据。

表1 试验方案

2.2 试验结果与分析

2.2.1 不同激光功率

由试验设计可知，在扩散方阻150Ω同一条件下，样品1～样品5对应设计激光功率由低逐渐升高，正方形光斑大小固定120μm、光斑间距0μm、激光速度28m/s、激光频率230kHz。

由图2趋势可见，伴随激光功率升高，扩散150Ω硅片经激光掺杂后，重掺方阻逐渐降低，与激光功率成反比关系；方阻降幅逐渐升高，与激光功率正相关；即激光功率越高，PSG层中的过量磷单质被掺杂深入PN结越多，结深会越深。

图2 不同功率方块电阻变化趋势

图3为不同试验条件，激光掺杂后硅片正面激光线二次元状态。可以明显看到二次元外观光斑随激光功率提高而形态明显，即随激光能量增高，激光熔融性增加，光斑发白发亮。单一光斑在激光低功率时，光斑显虚，掺杂程度较轻，在高功率下整体光斑线条充实，无虚打现象，掺杂程度较深。

图3 不同功率激光形貌

不同激光功率下各条件对应激光后硅片的微观形貌，通过奥林巴斯显微镜进行测试，如图4所示。在激光功率60%～90%逐渐提高时，硅片掺杂区域的表面微观损伤在逐渐加重。微观下金字塔尖被激光能量逐渐熔融烧蚀掉，功率越大金字塔烧蚀越严重，表明掺杂损伤明显。金子塔尖损伤会影响到硅片表面光学吸收以及钝化效果，进而影响成品电性能[4]。

图4 不同功率金字塔损伤

激光掺杂后电性数据如表2所示，样品2功率在70%，即27W时，电性表现最优、效率表现最高，低功率或高功率均对电性产生劣势。尤其高功率电流、电压偏低较多，漏电较大，受高激光功率对微观金字塔损失，影响光学吸收以及钝化效果；而且过高激光功率导致的机械损伤，也会影响发射极与金属电极之间欧姆接触；反之激光功率过低，重掺方阻会高，也会影响发射极与金属电极之间欧姆接触，从而影响效率。

表2 不同功率电性数据

2.2.2 不同光斑叠率影响

由试验设计可知，在扩散方阻150Ω同一条件下，通过调节打标速度将样品6～样品11对应设计激光重叠率由高逐渐降低，正方形光斑大小固定120μm、激光功率27W、激光频率230kHz。

测试各条件掺杂后重掺方阻及方阻降幅趋势如图5所示，光斑重叠率越高重扩降幅越高，重扩后方阻越低。结合轮廓仪测试二次元成像，如图6所示，重叠区域受到激光二次扫描打斑，其二次元下颜色尤为白亮，与激光高功率条件颜色表现接近。

图5 不同重叠率方块电阻变化趋势

图6 不同重叠率激光形貌

对比激光掺杂后成品电性[5]数据，随着重叠率的升高，电性电流、开压均有不同程度下降。与激光高功率电性能表现一致；重叠率越低，光斑呈现为相离状态，表面轻掺区域相对增加，重扩降幅逐渐降低，重扩后方阻升高，激光重叠-10%～-50%效率先升高后降低，激光重叠-30%效率最优，表面损伤相对较少，钝化面积被破坏相对较少，光学吸收较好，开压相对较高，同时不影响欧姆接触，轻、重掺杂区域匹配达到最优。

表3 不同重叠率电性数据

由试验设计可知，在扩散方阻150Ω同一条件下，通过调节激光线宽将样品12～样品14对应设计激光线宽由高逐渐降低，激光功率27W、激光频率230kHz、打标速度28m/s。

激光打斑扫描后得到不同条件光斑二次元形貌，见图7。结合电性数据表4分析，显示光斑越小，重掺区面积越小，表面钝化受到损伤越少，绒面损伤越少，由此增加轻掺受光面积，提升电流、开路电压。但是激光线宽也不能无限制减小，当激光线宽过小，印刷套印容易出现异常，从而导致云状发黑以及FF异常，最终出现电性异常情况。受现有印刷机台以及掺杂激光精度限制，激光线宽最低95μm。

图7 不同线宽激光形貌

表4 不同线宽电性数据

在套印正常情况下，效率随光斑尺寸减小而提高，结合具体电性中开压、电流提升明显，表明整体小光斑效率优势主要来源于遮光面积减小，表面钝化、微观损伤小的贡献。

3.结论

本文通过对激光功率高低、光斑重叠率、光斑大小三个方面进行分析研究，得出激光功率在70%～80%对掺杂效果最佳，并且微观表面损伤较小，效率最优；激光相同功率下重叠率越高微观表面损伤越严重，重掺结深越深，表面浓度越低，光学吸收影响越严重，效率损失越大，重叠率越低为-50%时出现效率损失；叠率影响重掺面积，重掺区域面积减少，影响金属接触区域面积，对光生电流传导与金属栅线接触产生影响，重叠率-30%效率最优，主要为遮光面积增加贡献。相同激光工艺下，光斑越小、表面遮光面积越小，微观、钝化越好，丝网印刷套印匹配度要求越高，效率越高。本文研究结果可在太阳电池产线推广。