晶体硅太阳电池光诱导电镀工艺的研究

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研究了在晶体硅太阳电池正面制备种子层,并采用光诱导电镀(LIP)银方法在电池正面制备电极。对比了LIP工艺和普通丝网印刷工艺制备的电极形貌,分析了此工艺对电池电性能参数的影响和电池转换效率提升的原因。研究表明,LIP技术能有效地降低电池制备生产成本,提升光电转换效率。

0引言

自工业发展以来,人们对能源的追求就从未中断,而地球上的各种能源均是直接或间接来源于太阳,太阳能发电成为最具发展的研究领域。太阳电池的研制和开发进展神速,其中晶体硅太阳电池制造技术最为成熟,已经实现大规模的生产及应用[1]。近年来,高效晶体硅电池取得巨大成就,使光伏产业在未来发展中的地位和前景更为乐观。澳大利亚新南威尔士大学光伏器件及研究中心是这一研究领域的佼佼者,他们研制的晶硅太阳电池转换效率达到24%以上。美国、英国、日本等国的高效电池转换效率也都超过了20%[2]。这些研究对大幅降低晶硅电池成本有重要意义。

就目前的技术水平而言,传统的丝网印刷技术细栅线的高宽比难以有效提高,相对此技术,采用种子层加光诱导电镀(LIP)的方法制备电池正面电极具备的优点为:增大细栅高宽比;减少细栅线电阻率;降低细栅宽度,提高电池受光面积;降低正面电极制作使用银浆量,达到降低电池生产成本的目的。目前,已有许多国外光伏企业通过电镀法制造晶硅太阳电池正面电极,取代了常规丝网印刷技术[3]。本文在现有条件下对LIP工艺和丝网印刷技术进行对比研究和探索。

1实验流程

1.1实验设备和材料

实验采用156mm×156mm规格的p型单晶硅片,电阻率为1~3Ω·cm,厚约200±20μm。制备的印刷网版参数为90线,设计线宽45μm,网版膜厚16μm,3条主电极,主电极宽1.5mm。

1.2实验流程

光诱导电镀工艺太阳电池的工艺流程如下:表面清洗→制绒→扩散湿法刻蚀→PECVD→印刷背电极→印刷背场→印刷正面电极种子层→烧结→LIP→测试。

首先对硅片表面进行碱腐蚀,制绒同时去掉表面损伤层,再进行磷扩散。扩散后,采用湿化学法去除硅片表面的磷硅玻璃,然后采用PECVD技术在正面镀氮化硅减反射膜。硅片p-n结面镀80nm厚的减反射膜,再在非镀膜面采用丝网印刷技术印刷背电极和背电场,然后在镀膜面印刷银浆种子层,进行烧结。最后采用LIP技术在种子层上制备电池电极,并进行转换效率测试。本实验在LIP工艺中采用ROHM和HAAS公司生产的ENLIGHT(TM)620和621电镀银溶重量控制在0.02g,种子层银浆湿重使用量控制在0.06g,而采用普通的丝网印刷工艺正面电极银浆使用量为0.13g。

2结果和分析

2.1 LIP技术和丝网印刷技术栅线形貌分析

在丝网印刷工艺中我们设计了45μm线宽的网版,经过印刷烧结后栅线宽度在100~110μm。在LIP技术中种子层采用40μm线宽的网版,由于控制了印刷过程中银浆使用量,使栅线塌陷宽度降低,烧结后栅线宽度在75~80μm,LIP工艺以后总体栅线宽度在85~90μm。从电镀前后栅线的扩展情况来看,电镀的银较好地集聚在种子层上,没有引起过多外延,且有效降低电池表面遮光率。

图1为金相显微镜测试的丝网印刷技术和LIP技术制备的电极形貌。从图1可看出,丝网印刷电极周边有很多毛刺,不是很光滑整齐,而且电极表面有一些细小的空洞,显得表面很是疏松。这些现象都会造成电极收集光生电流的能力下降,降低电池的转换效率。经过LIP技术后,电极表面的空洞被电镀的银离子填充充实,边缘的毛刺也被修复平滑,提升了电极的致密性,降低了电极的电阻率,有助于提升电池的光电转换效率。

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2.2 LIP技术和丝网印刷技术电池光致成像分析

电池生产过程中,通常借助光致成像(PL)分析电池的各项性能[4]。此试验采用PL图像分析丝网印刷技术和LIP技术制备的晶硅太阳电池栅线印刷导电能力。测得的PL分析图像如图2所示。由图2可知,丝网印刷技术在细栅线印刷过程中容易造成断栅现象,如图2a中①和②所示,栅线处细微的断裂就使整个栅线丧失了将收集的光生电流导出的能力。在生产过程中细微的断栅很难用肉眼分辨,只有通过仪器检测,所以在生产过程中很难杜绝此现象。

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如图2b所示,LIP技术制备的电池PL图像中,断栅现象明显减少。这主要是由于在印刷种子层造成的断栅在LIP技术中,银离子对0.5mm以内的断栅进行了一定的修复。电镀工艺使其原来断栅部位之间相互连接,形成了良好的导电性能,提高了光生电流收集并导出的能力。因此,LIP技术对丝网印刷技术中的断栅有较好地修复能力,从而降低生产中的电池印刷不良率,同时也提高电池的短路电流。

2.3 LIP技术对电池电性能的影响

电极主要用来收集电池p-n结在光照条件下产生的光生电流。而在实际情况中,由于正面电极附着在电池的正面,因此在受光照情况下,电池表面会有一部分光被正电极遮蔽掉[5]。同时,由于正电极栅线很细,导致截面积较小,电阻率会增大,因此,在电极制作中要求将电极制作的又高又细,通常采用高宽比来衡量[6]。

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经过测试,丝网印刷技术和LIP技术制备的电池电性能参数见表1。从表1可知,LIP技术使电池的Isc、FF均有一定幅度的提升。其中,Isc提升了0.06A,FF提升了0.84%;并且LIP技术改善了电池的串联电阻Rs,使其降低了0.21mΩ,总体电池转换效率提升了0.35%。由于LIP技术电池表面栅线的致密性得到了提升,并改善了正面电极的导电性能,还提高了正面电极收集光生电流的能力,所以LIP 技术对电池的各项电性能参数有较好地提升。

3结论

本文研究了LIP 技术制备晶硅太阳电池正面银电极的方法,通过丝网印刷银浆作为该电极种子层然后进行电镀。通过金相显微镜对样品表面栅线形貌进行分析,比较LIP 技术和丝网印刷技术制备的细栅宽度和致密性的差别,以及光致成像(PL) 图像分析LIP 技术对电池印刷过程中断栅的修复能力。结果表明:LIP 技术能使银浆使用量降低0.05 g,比丝网印刷技术银浆使用成本降低38%;电池转换效率提升0.35%,达到了19.03%。

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