王永冈 王涛 陈璐 朱雅
黄河水电西宁太阳能电力有限公司 青海 西宁 810000
摘要：钝化发射极和背面（PERC）电池，是目前产业化高效晶硅太阳能电池的主流。PERC电池背面由钝化层和Si3N4层覆盖，这两层薄膜是非导电介质膜，因此背面铝浆直接印刷在背面时，铝浆不能与硅片接触，经过烧结后不能形成背面电极，需要通过激光开窗手段将硅片背面部分钝化层和保护层去除，使得背面铝浆与硅片直接接触，烧结后形成电极，所以背面激光的图形设计对电池片性能有者着重要影响。通过优化激光烧蚀工艺，获得不同的开窗比例及形貌，通过对比分析电性能效果，获得较佳的钝化接触效果，较传统开窗工艺，可有效提升电池效率。
关键词：开窗、激光、电池
引言
行业内PERC电池技术路线基本上经历了三个阶段，第一阶段是在常规产线上直接进行升级，效率提升1%;第二阶段是加入正面SE及热氧化工艺，效率提升至22.5%;第三阶段是背面通过碱抛光工艺及引入大尺寸硅片效率提升至23%以上。PERC电池较其他高效电池具有明显的成本优势，同时与其他高效电池和组件技术兼容，持续提升效率和发电能力的潜力。双面PERC电池在几乎不增加成本的情况下实现双面发电，在系统端实现10%-25%的发电增益，极大地增强了PERC技术的竞争力与未来发展潜力。
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图１.双面PERC电池结构及背面印刷后形貌
氧化铝薄膜作为PERC电池钝化层，具有优异的场效应钝化和化学钝化效果，较传统全Al背场钝化效果更加显著，为了完全满足背面钝化条件，还需要在氧化铝表面覆一层氮化硅(SiNx)，以保护背部钝化膜，并保证电池背面的光学性能，PERC电池背面钝化多采用Al2O3/SiNx双层结构，在工业量产化生产中已广泛应用。
激光开窗具有的无接触加工、方便快捷、精确度高等特点，在大规模电池生产中优势愈加明显。其通过激光烧蚀技术将硅片背面部分钝化层和保护层去除后，露出硅背面本体形成接触窗口，在印刷烧结时，背面铝浆通过这些激光开孔处与硅片背面接触，经过烧结形成局部铝背场结构。本实验主要探究了双面PERC电池不同激光开窗图形对电池片性能的影响，获得较优的激光开窗图形。
实验
本实验在公司现有成熟的生产线进行，流程如下：制绒→P扩散→背面酸抛光去PSG→背钝化→PECVD→背面开槽→印刷烧结→测试分选。产线P型单晶硅片，硅片尺寸为158.75×158.75±0.25mm，厚度为180±10μm，电阻率为1-1.5Ω·cm。背面Al2O3/SiNx由MAIA一体机制备，氧化铝厚度15±3nm，氮化硅厚度90±10nm/折射率2.05-2.10。
采用武汉帝尔背面开槽激光器进行背面去除介质层完成开窗，激光器主要参数见表1。
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实验研究双面PERC电池制造过程中，采用不同开窗工艺对电池片性能的影响，主要研究内容如下：
1）不同开槽间距对电池片性能的影响。实验根据激光开槽工艺参数，调整开槽间距，研究不同开槽间距下，电池片性能。
2）不同开槽长度对电池片性能的影响。采用线段式开槽，调整开槽长度，保持开槽比例不变，研究电池片性能。
3）不同开槽比例对电池片性能的影响。线段式开槽，调整开槽比例，保持虚实总长不变，获取不同开槽长度，研究电池片性能。
实验匹配东洋TB08系列铝浆进行，印刷后背面铝栅线高度20±2μm，铝线宽度200±20μm。
结果分析
1.不同开槽间距对比
实验选取激光开窗前道相同批次片源半成品硅片，进行多组对比。激光器采用同一台激光器，印刷工艺在同一条生产线完成，保证实验对比样品间的一致性。实验分为 A、 B、C 三组，每组200片。三组都采用直线开槽方式，A组开槽间距0.98mm、B组开槽间距1.04mm，C组开槽间距1.13mm。用在相同机台对其电性能进行测试对比，验证电池性能。实验数据如表2所示。
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由表2.可见，当开槽间距逐渐增大时，电池片开路电压、短路逐渐增大，填充因子不断减小，效率呈上升趋势。这是由于开槽间距增大，一方面电池片开窗面积减少，电极与衬底之间的接触面积减小，载流子复合减弱，开路电压升高，另一方面，开槽间距的增大，载流子横向传送距离增加，导致串联电阻增大，填充偏低。
表3. 不同开槽间距背面电池性能对比
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双面PERC电池提升正面效率的同时，背面保证一定的双面率。表3可见，在栅线宽度不变时，较小的开槽间距，增大了背面栅线的遮光面积，导致背面电流降低，双面率降低显著。后续可通过优化降低背面栅线，减少开槽间距，提升电池转换效率。
2. 不同开槽长度对比
实验选取激光开窗前道相同批次片源半成品硅片，进行多组对比。实验分为 BL（Baseline）、A、 B、C 、D五组，每组200片。BL采用直线开槽方式，A、 B、C、D四组都采用线段式开槽， A组开槽长度0.35mm、B组开槽长度0.75 mm，C开槽长度1.0mmm，D开槽长度1.25mmm。在相同机台对其电性能进行测试对比，验证电池性能。实验数据如表4所示。
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图2. 直线开槽与线段式开槽烧结后铝浆填充效果
表4.看出，线段式开槽方式较直线开槽效率提升明显，效率最高提升0.08%，测试EL图像存在发黑线段，显微镜测似乎烧结后铝浆填充情况，直线开槽方式存在明显未填充空洞。线段式开槽有明显优势。随着线段式开槽虚实总长的增加，开路电压与电流明显提升，填充降低，这是由于不同开槽总长影响了接触面积，引起金属复合变化及载流子的传输。
3.不同开槽比例对比
实验选取激光开窗前道相同批次片源半成品硅片，进行多组对比。实验分为 A、 B、C 、D四组，每组200片。四组都采用线段式开槽，开槽虚实总长度相等，A组开槽比例75%、B组开槽比例60%，C组开槽比例45%、D组开槽比例30%。用在相同机台对其电性能进行测试对比，验证电池性能。实验数据如表5所示。
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根据表5.可见，相同虚实总长，随着开槽比例逐渐减小，开路电压先增大后减小，电流不断增加，填充因子不断减小。开槽比例的同样影响了开窗面积，相对大的开槽比例开窗面积较大，提高了电池片表面载流子的运输性能，但相对大的开窗面积烧结后与金属接触面积增大，载流子复合增强，导致开路电压明显降低。开槽比例过小，载流子导出受限，传导电阻增加，不利于的收集，也不会形成完整的局域铝背场结构，导致效率明显偏低，开槽比例为45%，效率达到最佳值。
结论
本文通过对激光烧蚀工艺的优化，研究了不同开槽间距、开槽长度、开槽比例对双面PERC电池转换效率的影响，证明了适宜的开槽间距、开槽长度和开槽比例，可有效平衡电池表面载流子运输性能提升和金属接触面积大载流子复合增强的矛盾。并在工业生产线进行实验，通过调整激光烧蚀工艺参数，采用开槽间距1.04mm，开槽长度1.0mm，开槽比例45%，使得优化后双面PERC电池正面转换效率提升了0.08%，而背面转换效率没有降低。