“PERC+SE”单晶硅太阳电池氧化工艺研究

刘 苗，张建军，张 永，许志卫，李 景

(晶澳太阳能有限公司，邢台 055550)

0 引言

提升太阳电池的光电转换效率是光伏领域的重要研究方向。目前，太阳电池的PERC技术均已升级为“PERC+”技术，即“PERC+选择性发射极(SE)”技术，采用该技术的“PERC+SE”单晶硅太阳电池的制备流程如图1所示。

图1 “PERC+SE”单晶硅太阳电池的制备流程示意图Fig. 1 Preparation process of“PERC+SE”mono-Si solar cell

对于SE激光掺杂，光伏行业内通常是采用532 nm纳秒脉冲激光器在银栅线位置对扩散后的硅片进行重掺杂，从而降低银栅线与硅片的接触电阻，避免出现非栅线区域低浓度掺杂，以及提升开路电压和短路电流的同时降低填充因子的问题。“PERC+”技术的推广使单晶硅太阳电池的光电转换效率提升了0.2%～0.4%，但“PERC+SE”单晶硅太阳电池在采用SE激光掺杂工序的过程中，激光会熔融磷硅玻璃层，在高温下使磷向硅片推进、扩散，同时将部分区域的磷硅玻璃层完全破坏，尤其是金字塔塔尖区域的磷硅玻璃层很薄，因此更容易被破坏，从而露出太阳电池底部的硅基。

SE激光掺杂工序之后，在不影响硅片正面的前提下，利用酸抛或碱抛光工艺去除硅片四周的p-n结，以防止硅片正面与背面导通，并通过对硅片背面进行抛光增加其长波响应，提升入射光的利用率。在酸抛或碱抛光环节，如果生产线使用常规的采用HF/HNO3刻蚀液的链式湿法刻蚀设备，由于硅片在刻蚀槽内是以“水上漂”的方式运行，同时有水膜保护，则裸露处的硅片不容易接触到刻蚀液，避免了出现SE激光掺杂区域裸露硅被腐蚀的问题。而在采用槽式机的碱抛光工艺中硅片完全浸没在刻蚀液中，强碱溶液会刻蚀整个硅片，再加上SE激光掺杂区域因绒面发生变化，过腐蚀现象在该区域更容易发生。为了解决此问题，需要在SE激光掺杂后，即在氧化环节，在硅片正面制备一层SiO2膜作为掩膜，从而保护硅片正面，防止在碱抛光过程中SE激光掺杂位置发生过腐蚀现象。对于SiO2膜的制备，行业内目前主要有2种技术方案：一种是采用管式扩散炉高温快速制备SiO2膜；另一种是采用链式氧化炉，以略低于管式扩散炉的温度快速制备SiO2膜。本文从制备的SiO2膜厚度，氧化前、后和碱抛光后的方块电阻变化，以及制得的“PERC+SE”单晶硅太阳电池的电性能3方面对比了这2种设备的优劣，以期对生产线设备的选型提供一定参考。

1 试验准备

1.1 试验原材料

试验原材料采用从同一根硅棒上由金刚线切割的p型单晶硅片，尺寸为158.75 mm×158.75 mm，电阻率为0.4～1.1 Ω·cm，厚度为165～175 μm。

1.2 试验仪器

采用纳秒激光器进行SE激光掺杂，采用四探针方阻测试仪测试硅片的方块电阻，采用EMPro-PV椭偏仪测试SiO2膜厚度，采用Halm高精度I-V测量系统测试成品太阳电池的电性能。

1.3 试验设计

试验样品分为2组，每组800片，均按照图1所示的“PERC+SE”单晶硅太阳电池制备流程，采用相同机台、相同配方完成至SE激光掺杂环节，然后样品1采用管式扩散炉制备SiO2膜，样品2采用链式氧化炉制备SiO2膜，并对制备的2种SiO2膜的厚度，以及氧化环节前后和碱抛光环节后的方块电阻进行测试；最后将2种制备了SiO2膜的硅片完成“PERC+SE”单晶硅太阳电池的制备，并收集2种太阳电池的电性能数据。

氧化环节2种设备的氧化工艺参数对比如表1所示。其中，管式扩散炉[1]和链式氧化炉的结构示意图如图2所示。

表1 氧化环节2种设备的氧化工艺参数对比Table 1 Comparison of oxidation process parameters of two types of equipment in oxidation process

图2 2种设备的结构示意图Fig. 2 Schematic diagram of structure of two types of equipments

2 试验结果与分析

2.1 SiO2膜厚度测试结果与分析

高温时SiO2膜的生长机理是：初期O原子吸附在硅片表面的活性中心，吸附态的O原子与Si原子发生界面化学反应，生成SiO2，成为结晶核心；随着SiO2膜层生成过程的继续，SiO2向自由能低的方向生长，先以枝状晶的方式在二维方向生长，当枝状晶前沿彼此连接时，SiO2在二维方向的增长减缓，产生侧向应力，随着其厚度不断增长，枝状晶层次变得模糊，最后形成致密的SiO2膜[2]。2种设备制备的SiO2膜厚度如表2所示。

表2 不同设备制备的SiO2膜厚度Table 2 SiO2 film thickness prepared by different equipments

制备SiO2膜过程中，链式氧化炉与管式扩散炉的主要区别在于氧化时间，两者均是初期在高温条件下在硅片表面快速形成一层SiO2膜，膜层达到一定厚度后，Si-O反应不再由化学反应控制，而逐渐过渡到由Si原子和O原子的扩散控制。从表2中可以看出：链式氧化炉制备的SiO2膜的厚度均值为1.67 nm，比管式扩散炉制备的SiO2膜厚度均值低，SiO2膜的均匀性也较差，这可能与氧化时间有关。但延长氧化时间会影响设备的产能，增加太阳电池的非硅成本，因此在生产过程中需两者兼顾。本文在不增加氧化时间的基础上对比现有SiO2膜厚度对SE激光掺杂工序后硅片的保护效果。

2.2 方块电阻的变化

SE激光掺杂工序后硅片正面可以分为2个区域，一个是重掺区域，该区域为SE激光掺杂工艺的工作位置，激光线宽度一般为100～120 μm，在印刷工序会通过定位点的定位将金属栅线完全覆盖住；另一个是轻掺区域，即硅片上除重掺区域以外的区域，均为低浓度掺杂的区域。在经过SE激光掺杂处理后，重掺区域的金字塔塔尖会被消掉，从而裸露出硅基，并在碱抛光过程中被强碱溶液腐蚀。因此，行业内一般会在SE激光掺杂后在硅片正面制备一层SiO2膜，作为掩膜，从而保护硅片正面[3]。

选取SE激光掺杂工艺后相同机台上相邻的10片硅片作为测试片，均分为2组，分别测试其方块电阻；将这2组硅片分别由链式氧化炉和管式扩散炉镀制SiO2膜，并测试氧化环节后2组硅片的方块电阻；在碱抛光环节后再次测试2组硅片的方块电阻。具体结果如图3所示。需要说明的是：各个环节2组硅片得到的方块电阻均取平均值。

从图3中可以看出：在轻掺区域，相较于氧化后，碱抛光后采用链式氧化炉制备的SiO2膜的硅片的方块电阻升高了12 Ω/□，而采用管式扩散炉制备的SiO2膜的硅片的方块电阻的升幅为10 Ω/□，这说明链式氧化炉制备的SiO2膜对硅片轻掺杂区域的保护效果略弱于管式扩散炉制备的SiO2膜，该结论与前文测试SiO2膜厚度后得到的结论一致；但SiO2膜厚度对太阳电池电性能的影响不大，这是因为轻掺区域有扩散沉积的磷硅玻璃层的保护。而在重掺区域，从各环节的方块电阻变化来看，链式氧化炉制备的SiO2膜的保护效果弱于管式扩散炉制备的SiO2膜，不过方块电阻差值为2.2 Ω/□。由于目前印刷细栅的银浆的腐蚀性、欧姆接触性能较好，方块电阻只要低于90 Ω/□就不会损失很大的串联电阻，但后续开发新银浆料需要注意2种设备制备的SiO2膜对重掺杂区域的保护程度不同的问题。

图3 硅片不同掺杂区域的方块电阻变化Fig. 3 Variation of sheet resistance in doped regions of silicon wafers

2.3 电性能测试

将分别涂有2种设备制备的SiO2膜的硅片制备成2种“PERC+SE”单晶硅太阳电池，并进行电性能测试，以涂有管式扩散炉设备制备的SiO2膜的太阳电池的电性能数据为基准，得到另一种太阳电池的电性能变化情况，具体如表3所示。

表3 2种“PERC+SE”单晶硅太阳电池的电性能数据对比Table 3 Comparison of electrical performance data of two types of“PERC+SE”mono-Si solar cells

从表3中可以看出：相较于采用管式扩散炉设备制备的SiO2膜的“PERC+SE”单晶硅太阳电池，采用链式氧化炉制备的SiO2膜的“PERC+SE”单晶硅太阳电池的光电转换效率提升了0.01%，但二者在开路电压、短路电流、串联电阻等方面的差异并不大，结果符合预期。

3 结论

本文对链式氧化炉和管式扩散炉设备制备的SiO2膜对SE激光掺杂后的重掺区域的保护效果进行了研究，结果发现：2种设备制备的掩膜对重掺区域的保护效果略有差异，但对太阳电池光电转换效率的影响较小。由于管式扩散炉的氧化温度略高、氧化时间较长，从碱抛光前后重掺区域的方块电阻差值及2种设备制备的SiO2膜厚度的测试结果发现：管式扩散炉制备的SiO2膜相对致密，但在现有条件下该情况对太阳电池光电转换效率的影响不大。出于产业化考虑，链式氧化炉在产能、占地空间、能耗等方面优势明显，未来可作为“PERC+SE”单晶硅太阳电池工艺路线制备掩膜(SiO2膜)的一种备选设备。