PERC电池激光开窗激光频率、开窗形貌、设备功率对电池片性能的影响

摘要：背钝化技术以能有效提高电池片性能在工业化生产中得到广泛应用，本文通过比
较PERC电池激光开窗技术的激光频率、开窗形貌、设备功率对电池片性能的影响，优

　　晶体硅太阳电池作为光伏市场的主流产品，量产工艺已日渐成熟。为进一步优化其生产工艺、提高晶体硅太阳电池片效率、降低生产成本，此前已有诸多研究，目前厚度为200μm的硅片已经实现了商业化生产[1]。20世纪80年代，澳大利亚新南威尔士大学光伏实验室研究出了PERC电池，其转换效率达到了22.8％，打破了当时晶体硅太阳电池的纪录[2]。此后，背钝化技术作为一种相对普及的新型工艺，以可有效降低电池片背表面复合率、提升电池片内部光学反射机制等特性在工业化生产中得到广泛应用。PERC电池与常规电池片结构相比，区别主要在以下两个方面(如图1所示)：

　　1)PERC电池在晶体硅电池背表面有一层钝化介质层(多为Al2O3)和保护层(多为SixNy)。

　　2)常规电池片铝背场与硅片完全接触，而PERC电池Al背场是通过激光开窗的空洞区域与硅片进行局部接触。

　　由于在硅片表面含有原子结构周期性排列中断而形成的未饱和的悬挂键，使得晶体结构表面和界面产生空间电荷和表面势垒，形成不稳定的表面态，从而影响了载流子的正常输运[3]。常规工艺一般直接在电池片背表面烧结铝浆形成Al背场，从而在一定程度上减少载流子在电池背表面的复合速率，形成p+合金结，提高电池片开路电压。PERC电池使用钝化介质膜Al2O3将电池片背表面的悬挂键进行保护，形成固定电场产生钝化效应，从而降低表面复合，提升效率。目前实现电池片背点接触的方法有化学开窗、机械开窗、激光开窗等。随着激光技术的日益成熟，激光开窗也以其精准快捷、适用范围广、性价比高、无接触污染等优点，逐渐成为实现背点接触的一种成熟的生产工艺。激光开窗技术使铝背场与硅片形成局部点状接触，减少了金属背极与背表面的接触，从而使开路电压得到提升。有研究表明，激光开窗在加工过程中不仅不会对Al2O3钝化层的钝化效果产生任何负面影响，而且对电池片性能也几乎无影响[4]。本实验主要探究了PERC电池生产过程中激光开窗技术对电池片性能的影响因素。

　　1.1实验样品

　　本实验选取的样品采用成熟的PERC技术，每组样品激光开窗处理之前工艺完全相同，且背面SixNy颜色相近(SixNy颜色随着厚度呈周期性变化)，以保证实验样品的一致性和实验数据的准确性。

　　1.2实验研究内容

　　实验研究背钝化技术在激光开窗过程中激光设备各项参数等对电池性能的影响，主要研究内容为：

　　1)不同激光功率对电池片性能的影响。实验根据激光器固定参数设定不同的输出功率，以研究不同功率条件下电池片的性能。

　　2)不同输出频率对电池片性能的影响。实验通过调整激光器输出频率，探究不同频率条件下的开窗平滑度及电池片性能。

　　3)不同开窗形貌对电池片性能的影响。实验通过改变激光开窗线宽及开窗线型，探究不同开窗形貌条件下的电池片性能。

　　1.3实验工艺流程

　　原硅片经过成熟的常规工艺制绒、扩散、开窗后，使用PECVD技术在硅片正表面镀一层厚度约为80μm的SixNy减反膜；然后在硅片背表面生长一层厚度约5～8μm的Al2O3，本实验采用原子层淀积(ALD)的方式生长Al2O3；最后在Al2O3表面镀一层约150μm的SixNy保护层后，采用激光技术在硅片背面开窗，打通铝背场与硅片基本的连接通道，使铝背场在印刷烧结后能与硅片产生有效欧姆接触；硅片开窗后采用相同工艺经过印刷烧结，在相同机台对电池片性能进行测试对比分析，以保证实验数据准确性。其中，背钝化量产激光设备为常州镭射激光设备有限公司制造，型号为SolarLase-Pro2000，主要参数见表1。

　　2.1不同功率的对比

　　实验采用相同批次片源进行多组对比，在保证前段工艺与激光设备其他参数完全一致的条件下，调节激光器输出功率，比较不同功率条件下成品电池片的电性能差异。实验数据如表2所示。

　　从表2的实验数据可看出，在激光设备功率调节范围内，在实验功率递增的条件下，电池效率波动不明显且无线性变化的趋势，这说明激光设备功率在调节范围内对电池片性能影响并不大。

　　2.2不同频率的对比

　　实验选取相同批次片源进行多组对比，在控制其他变量的条件下，研究不同激光频率对电池性能的影响。在实验原有工艺基础上调节激光设备的输出频率，设置激光频率梯度，研究了在1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5MHz频率条件下电池片的性能差异，用3D显微镜比较了高频与低频工艺条件下开窗后电池结构的微观形貌，在相同机台对其电性能进行测试对比，验证激光频率对电池性能的影响。实验数据如表3所示。

　　从3D显微镜测试结果来看，低频工艺条件下激光开窗深度较浅，疑似有SixNy残留物，且开窗临界面呈锯齿状结构；高频工艺条件下激光开窗深度相对较深，且开窗临界面十分平整。这可能是因为在一定频率范围内，当激光脉冲作用于电池表面时，频率越高激光能量释放越大，因此开窗效果也相对较好。从电性能数据来看，2.0MHz工艺条件下的电池片性能要优于1.0MHz工艺。

　　从图3可知，电池片效率随着激光输出频率逐渐增加呈先升后降的趋势。当激光频率低于2.5MHz时，电池片性能随着频率升高而呈递增趋势；当激光频率高于2.5MHz时，电池片性能随着频率升高而呈递减趋势。对比表3实验数据不难看出，当频率超过2.5MHz时，电池片填充因子FF也呈下降趋势，进一步影响了电池片效率。这可能是由于在激光开窗的过程中，激光能量被SixNy/Al2O3钝化介质膜吸收的同时，少部分溢出的能量也会被硅衬底吸收[4]；事实上，激光能量大部分还是被SixNy/Al2O3钝化介质膜吸收，以减少对原硅片的损伤。而随着激光频率增加，激光脉冲能量随之增大，开窗效果也相对越好；当激光频率超过2.5MHz时，激光能量在刻穿SixNy/Al2O3钝化介质膜的基础上对硅片表面产生了损伤，从而影响了电池片性能。

　　2.3不同形貌对比

　　实验选取相同批次片源进行多组对比，在保证其他工艺条件完全一致的情况下，研究不同开窗形貌(线宽、线型)对电池性能的影响。两组实验分别选取相同片源，其中实验通过3D显微镜测试对比了不同开窗线宽时电池性能的差异；而后选取A组实验样品采用连续线开窗工艺，B组实验样品采用间断线(开窗0.8mm，不开窗0.2mm)开窗工艺，比较不同开窗线型条件下电池片性能，实验数据如表4、表5所示。

　　从表4可知，在控制其他变量的条件下，当开窗线宽逐渐增加时，电池片性能也随之提高，这可能是因为相对大的开窗面积提高了电池片表面载流子的运输性能，从而使电池片性能得到提升。从表5可知，间断线开窗工艺生产的电池片效率要比连续线开窗工艺高0.10%。而在其他实验中发现，在烧结炉温和铝浆相同时，连续线开窗工艺所生产的电池片在经过印刷烧结后背场更易产生铝珠和铝刺，而间断线开窗工艺所生产的电池片则几乎没有，这也从侧面证实了间断线开窗工艺的优越性。

　　本实验采用控制变量法研究了PERC电池激光开窗时的激光频率、开窗形貌、设备功率对电池片性能的影响。实验表明：

　　1)激光器输出功率在14～17W范围内，设备功率对电池片性能并无直接影响。

　　2)激光频率在1.0～3.5MHz范围内，当输出频率低于2.5MHz时，电池片性能随着激光器输出频率升高而呈递增趋势；当激光器输出频率高于2.5MHz时，设备输出频率升高则会影响FF，从而使电池片性能降低，这可能与激光开窗深度有关。

　　3)当开窗线型相同时，开窗线宽在33～38μm范围内时电池片性能随着开窗线宽增加而提升，这可能是由于相对较大的开窗面积增进了铝背场与硅片的有效欧姆接触，从而提升了电池性能；而就开窗线型而言，间断型开窗工艺要优于连续型开窗工艺。