“SE+PERC”单晶硅太阳电池激光掺杂区域的漏电现象研究

刘 苗，王 松，何 灿，陈素素，武晓燕

(晶澳太阳能有限公司，邢台055550)

0 引言

随着经济不断发展，能源消耗与日俱增，环保问题日益严峻。太阳能作为一种绿色、无污染的可再生能源，是人类未来能源消耗的重要来源之一，具有广阔的发展前景。近年来，单晶硅太阳电池工艺技术不断推陈出新，太阳电池的光电转换效率、制备成本均取得了一系列突破，尤其是选择性发射极(SE)技术与钝化发射极背接触(PERC)技术相结合(即“SE+PERC”)的单晶硅太阳电池技术的应用进一步提升了单晶硅太阳电池的光电转换效率。“SE+PERC”单晶硅太阳电池采用激光掺杂工艺，是利用激光对硅片表面按照既定图形进行扫描，实现发射极的选择性重掺，以降低太阳电池的接触电阻，提升填充因子；而在非激光掺杂区域，通过高方阻实现开路电压和短路电流的提升，从而提升太阳电池的光电转换效率[1]。

伴随“SE+PERC”单晶硅太阳电池SE技术应用于太阳电池正面后带来的光电转换效率提升，针对此类太阳电池背面工艺的应用研究也接踵而至，其中，碱抛光工艺取代酸抛光工艺，成为行业内主流工艺。碱抛光工艺不仅可以解决废液中含氮、含氟问题，而且可以解决酸抛光工艺废水需要特殊处理，处理工序复杂、成本高的问题；同时碱抛光具有低减重、高反射率、背面刻蚀效果的均匀性优于酸抛光等优势，提升了“SE+PERC”单晶硅太阳电池的光电转换效率。“SE+PERC”单晶硅太阳电池的制备工艺流程如图1所示。

本文针对“SE+PERC”单晶硅太阳电池制备过程中激光掺杂区域出现的漏电现象，分析了漏电原因，并给出了采用SE激光掺杂工艺及碱抛光工艺时的优化建议。

图1 “SE+PERC”单晶硅太阳电池的制备工艺流程图Fig. 1 Process flow chart for preparation of “SE+PERC”mono-Si solar cells

1 太阳电池栅线位置漏电异常现象

在“SE+PERC”单晶硅太阳电池制备过程中，当激光掺杂区域出现损伤时，在其上印刷栅线后，栅线区域会存在漏电异常现象，导致成品“SE+PERC”单晶硅太阳电池中出现反向漏电流大、并联电阻小的异常太阳电池。对正常太阳电池和异常太阳电池的电性能进行测试，并以正常太阳电池的电性能数据为基准，得到异常太阳电池的电性能数据变化情况，具体如表1所示。

表1 以正常太阳电池的电性能数据为基准，异常太阳电池的电性能数据变化情况Table 1 Based on the electrical performance data of normal solar cells，change of electrical performance data of abnormal solar cells

从表1中可以看出：相较于正常太阳电池，异常太阳电池的反向漏电流高0.85 A、并联电阻低253 Ω。这2个参数值均与正常太阳电池的差别较大。

采用热成像仪对3片异常“SE+PERC”单晶硅太阳电池进行测试，测试结果如图2所示。

图2 3片异常的“SE+PERC”单晶硅太阳电池的 热成像图像Fig. 2 Thermal imaging images of three abnormal “SE+PERC”mono-Si solar cells

从图2可以看出：3片异常太阳电池均是栅线位置发红严重，发红区域的位置基本固定，但发红面积不固定。3片异常太阳电池的热成像测试结果与因印刷浆料污染而形成的异常太阳电池的热成像测试结果略有不同，后者通电后会立刻发红[2]，这是因为印刷浆料会使p-n结局部短路，而3片异常太阳电池在进行热成像测试时发红位置是缓慢变红，初步怀疑是因为栅线区域漏电异常位置p-n结局部破坏导致其导通性差，使该区域的反向漏电流逐渐累积，热量逐渐升高，热成像图像逐渐变红。

2 太阳电池栅线异常位置的微观测试

利用扫描电子显微镜(SEM)对“SE+PERC”单晶硅太阳电池栅线异常位置进行微观扫描，扫描结果如图3所示。

图3“SE+PERC”单晶硅太阳电池栅线异常位置的 二维和三维微观形貌Fig. 3 2D and 3D microscopic morphology of abnormal grid line position of“SE+PERC”mono-Si solar cell

从图3可以看出：异常位置的金字塔腐蚀严重，特别是塔尖位置，甚至出现了下凹的现象。通过对腐蚀区域的成分进行测试，发现无其他异常元素，排除了印刷浆料引起的腐蚀。由于异常位置表面含有N、Si及O元素，因此可以判定异常位置是太阳电池正面镀SiN膜之前就已经被腐蚀，根据“SE+PERC”单晶硅太阳电池的制备流程，此异常位置是由碱抛光工艺造成的。而碱抛光工艺之前太阳电池正面有氧化层保护，造成此类腐蚀的原因是氧化层保护性差或无氧化层保护。

SEM扫描过程中发现，此类金字塔腐蚀并非连续性腐蚀，而是区域性腐蚀，腐蚀区域的间距均匀，均分布在SE激光掺杂后的细栅线覆盖区域，因此怀疑是激光掺杂造成的损伤所致。为验证上述推测，根据“SE+PERC”单晶硅太阳电池制备流程，分别对SE激光掺杂工艺和碱抛光工艺后太阳电池异常位置进行测试，测试结果如图4所示。

图4 碱抛光及SE激光后太阳电池异常位置的微观形貌Fig. 4 Micromorphology of abnormal position of solar cells after alkali polishing and SE laser

从图4可以看出：碱抛光工艺后太阳电池异常位置表面出现了金字塔腐蚀的情况，而SE激光掺杂工艺后太阳电池异常位置表面有局部损伤现象。

对碱抛光后太阳电池异常位置和正常位置的金字塔腐蚀深度进行测量，测量结果如图5所示。

图5 碱抛光后太阳电池异常位置和正常位置的 金字塔腐蚀深度Fig. 5 Pyramid corrosion depth of abnormal and normal positions of solar cells after alkali polishing

从图5可以看出：碱抛光后异常位置的金字塔腐蚀深度较正常位置的深，表面p-n结已被腐蚀形成漏电位置；而正常位置的金字塔绒面正常，无腐蚀现象。

根据上文中的测试结果推测金字塔塔尖严重损伤可能是因激光器使用过程中对太阳电池局部的功率过大导致激光后产生损伤，损伤位置在镀氧化膜时，膜层生长疏松，碱抛光工艺之后，损伤位置的金字塔塔尖被碱液腐蚀所致。为了验证此推测，将SE激光掺杂后的异常“SE+PERC”单晶硅太阳电池接着进行碱抛光，然后测试太阳电池的异常位置，测试结果与之前推测相符。因此可判定为激光光斑不均匀，激光光斑中心区域损伤过大导致金字塔塔尖损伤，碱抛光后，损伤位置的金字塔塔尖受碱液腐蚀造成严重漏电情况。

3 SE激光掺杂区域漏电原因分析及优化建议

3.1导致SE激光掺杂区域漏电的原因

导致SE激光掺杂区域漏电的原因，包括以下几种[3]：

1)激光光斑能量不均匀。激光光斑为矩形光斑，激光线为单一光斑相切紧密排列而成，矩形光斑出现中心能量聚集而边缘分散的情况，导致光斑中心的PSG层损伤严重，金字塔塔尖的硅基质被较多暴露，经过链氧生长的氧化层也无法进行有效保护，碱抛过程光斑损伤严重位置被腐蚀，该位置p-n结局部被破坏，无法有效导通，形成漏电。因此需要调整激光光斑均匀性。

2)氧化层过薄。目前的碱抛光工艺流程中，氧化环节主要采用3种方式：第1种是采用管式氧化，即采用类似于扩散炉体的炉体进行氧化，这种方式生长的氧化层较为均匀，一般不会出现局部氧化层过薄的情况；第2种是采用链式热氧化，利用滚轮带片的方式，在高温高氧的环境下通过采用氧气喷淋管形成氧化层，若喷淋管堵塞则会导致局部氧化层过薄；第3种是采用臭氧氧化，臭氧氧化得到的氧化层相较于前2种方式得到的较薄，若喷淋管堵塞则会出现局部氧化层过薄的情况。在SE激光掺杂后的氧化过程，局部氧化层较薄时，其保护作用较差。在碱抛光槽内氧化层会被腐蚀，对于正常区域而言，仍会有PSG层的保护，而SE激光掺杂区域的PSG层受到损伤后，该区域的金字塔塔尖最先被腐蚀，导致过抛，形成漏电。因此，需要解决氧化环节的喷淋管堵塞问题，提升氧化层的保护作用。

3)碱抛光溶液浓度失衡。导致溶液浓度失衡的主要原因一是碱抛光添加剂补量不足，导致溶液浓度过低，相对而言碱浓度偏高；二是氢氧化钠补药量过多导致碱浓度过高、添加剂浓度低。此种溶液状态下的腐蚀速率较快，添加剂对硅片正面的抑制保护作用大幅削弱，导致SE激光掺杂区域过抛，形成漏电[4]。

4)碱抛光槽反应超时。由于下料不及时或机械手异常等原因导致碱抛光槽反应时间过长会使SE激光掺杂区域最先被腐蚀，造成过抛，形成漏电位置。因此需要严格控制碱抛光反应时间。

5)碱抛光添加剂物料异常。添加剂可抑制硅片正面的氧化硅与氢氧化钠反应，添加剂抑制作用弱或添加剂组分失效均会导致激光区域过抛，形成漏电位置。

3.2 优化建议

针对合理采用SE激光掺杂工艺及碱抛光工艺给出如下建议：1)SE激光掺杂时，激光光斑的均匀性很重要，在引入激光时需要特别注意；2)采用链式热氧优化镀氧化膜时，尽管产能及产线匹配性更好，但是在生产中要特别关注喷淋管堵塞问题；3)需要严格把控碱抛光的碱溶液浓度、反应时间及添加剂的使用，防止出现漏电严重等异常现象。区域保护效果，该区域属于整片硅片保护薄弱部位，叠加碱抛光强腐蚀作用后，碱溶液极易沿着塔尖裸露硅进行反应，导致激光重掺位置p-n结被局部腐蚀，电流无法导通，漏电严重，形成异常太阳电池。

4 结论

本文对“SE+PERC”单晶硅太阳电池制备过程中SE激光掺杂区域出现的漏电现象进行了研究，并分析了漏电原因。研究结果表明：采用SE激光掺杂工艺搭配碱抛光工艺的“SE+PERC”单晶硅太阳电池易出现漏电情况的原因是：激光重掺杂区域经过激光扫描后，硅片表面存在损伤，PSG层遭到破坏，尤其是在金字塔绒面塔尖位置容易裸露出硅基体，对激光掺杂区域较正常浅扩