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基于太阳能电池烧结匹配性分析

发布日期:2020-08-30  浏览次数:249
 每一批次硅片由于其杂质掺入的比例以及深度的不同,每批硅片都有其最佳的烧结点,当温度过高或者过低,都不能达到我们理想的烧结效果。欠烧时,欧姆接触没有完全形成,串联电阻便会偏大,填充因子偏低;过烧时,硅片表面的扩散在高温下被驱赶到硅片的深处,而浆中的磷不能形成充分的磷源补充,硅片表面的杂质浓度就会下降,接触电阻就会增加,同时银硅合也会消耗过多的银,此时的银硅合金层相当于隔离层,阻止了载流子的输出,也会增加接触电阻,降低填充因子。因此通过考察接触电阻的好坏以及p-n结特性我们便可以判断出烧结情况的好坏。结合并联电阻以及反向电流的考察,我们便可以大体判断出烧结的调节方向,过烧时会导致电极烧穿,更多的杂质驱散到p-n结附近,增加了局部漏电的几率[10],这时所表现出来的特征就是并联电阻偏小,反向电流偏大,同时温度过高时表面复合几率增大,短路电流也会相应减小。因此烧结匹配性的判断主要是对串联电阻中的接触电阻、并联电阻、填充因子、反向电流以及短路电流的综合判断。

实验

1)样品:实验选用面积为156mm×156mm,晶向为<100>的p型单晶硅片作为实验样品,其电导率为0.5Ω•cm~2.0Ω•cm,原始硅片厚度约200μm。实验样品共分为11组,每组样品20片。2)实验步骤:实验步骤如下:清洗制绒→扩散制结→刻蚀→去磷硅玻璃→镀减反射膜→印刷→高温烧结→测试统计平均数据→调节烧结工艺→分析结论。(1)清洗制绒,采用低浓度的碱溶液腐蚀制备绒面,降低硅片的反射率。(2)扩散制结,使用液态POCl3作为磷源在高温下扩散形成p-n结,使用semilab公司的方阻测试仪SHR-1000测试方阻,控制方阻范围53Ω/□~57Ω/□。(3)采用CF4和O2的等离子体进行硅片边缘刻蚀。(4)用适当的浓度的HF酸去除附着的磷硅玻璃。(5)采用常规的工艺在硅片表面淀积一层SiNx:H减反射膜,使用semilab公司的LE-100PV椭偏仪测量薄膜的厚度以及折射率,显示为膜厚75nm,折射率为2.01。(6)印刷和烧结:用Baccini丝网印刷机对硅片进行电极印刷,并用Despatch烧结炉以20片为一组,根据烧结结果对烧结炉进行反复调节。这里主用采取控制变量法,先控制烧结炉1区~8区温度不变,调节烧结炉的9区得到一个相对好的烧结点,然后控制1区~7区以及9区温度不变,调节8区温度,以获得最佳匹配温度。其中1区~7区在整个实验过程中未进行调节,为常见的陡坡式烧结曲线,其温度设置见表1(略)。(7)保持8区温度不变,设为820℃,调节9区温度得到的结果见表2。(8)保持9区温度不变,设为925℃,调节8区温度得到表格3的结果。

数据及分析

实验的数据结果是由pss10太阳能光伏模拟器测试得出,以20片的平均数据为参考,避免了单片的波动性造成的数据失真。对比表2和表3的烧结数据,我们不难发现Uoc、Isc、Rs、Rsh、FF和η在不同的烧结温度下,都有了改变。尤其是Rs、Rsh、FF以及η变化比较明显。实验过程中,我们控制其余8个区域,分别向过烧以及欠烧的方向调节,以期找到最为合适的烧结点。为方便数据的分析,我们将烧结的数据调整为温度逐渐升高的过程。分析九区的烧结数据,如图1所示(略),我们发现随温度的持续升高,电池背场烧结的更充分,电池的串联电阻持续得到改善,填充因子增大,效率提高。继续升高温度,除了串联电阻有了较大的下降以及填充因子有所上升外,其他的参数都变得更差,继续调高温度,电池的各项参都变得恶化。而串联电阻在第5组温度下得以改善,很有可能是温度较高,正面银电极部分烧穿,导致的串阻大幅度下降。而填充因子可以看成是串联电阻的函数,如公式所示。FFUUU=R++ocococsln(.)()07211式中:FF为填充因子;Uoc为开路电压;Rs为串联电阻。由公式,当串联电阻有较大下降时,FF有一个改善的过程。分析以上的烧结过程,当8区温度保持不变时,第4组数据烧结工艺温度设置是最为理想的。与最初的烧结工艺相比,效率提高了0.28%。得到了9区的最佳烧结点后,我们控制9区温度保持不变,对8区进行调节,如图2所示。同样可以看到在8区温度持续升高的过程中,电池各项参数有一个持续改善,得到最佳烧结点,再到一个持续恶化的过程。通过对接触电阻的测量分析,如图3所示,我们也不难发现,接触电阻在电池片未烧透的情况下,接触电阻较高,随着烧结情况的改善,接触电阻有着明显的下降,随着温度过高,电池片有被过烧的倾向时,接触电阻又开始增大。在p-n结特性良好的情况下,接触电阻越小,电池片的各项参数都相对比较好。尤其是测试效率,得到了很好的改善。经过反复调试,得到最佳的烧结温度见表4(略)。在此烧结温度下,我们又进行了多次试验,获得了较好的重复性。而在此温度下,效率相对于初始的烧结工艺有了0.51%的改善。这说明以上的分析是正确的。

结论

通过控制变量的方法,分别调节8区以及9区的温度,得到了一个相对较好的烧结工艺,在得出此工艺的过程中,我们结合理论以及通过对实验结果的分析,得出以下结论:(1)电池的串联电阻与烧结工艺的匹配密切相关,一般好的烧结工艺,串联电阻会相应地降低;(2)FF与串联电阻密切相关,一般随着串联电阻的减小,FF会相应地增大;(3)一般过烧与欠烧都存在串联电阻偏大的现象,此时应该结合并联电阻和反流进行判断,一般过烧都存在并联电阻降低,反流偏大的现象;(4)接触电阻的改善能够很好地预测烧结效果的改善,在不破坏p-n结的情况下,接触电阻越小,则烧结效果越好;(5)电池片由欠烧向最佳烧结点调节的过程中,串联电阻持续降低,刚过了最佳点以后,串联电阻依然会降低,此时需要结合效率以及反流来判断;(6)实在无法判断此时的烧结点,可以通过控制变量法,对一个温区进行单向变动,观察烧结效果,以判断温度调节的方向;本文从理论分析以及实验验证的角度获得了一个较好的烧结工艺,对工业生产中的烧结匹配有一定的指导意义。

本文作者:杨达伟 高华 杨乐 单位:上海超日太阳能科技股份有限公司

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