摘要：背鈍化技術以能有效提高電池片性能在工業化生產中得到廣泛應用，本文通過比
較PERC電池激光開窗技術的激光頻率、開窗形貌、設備功率對電池片性能的影響，優

　　晶體硅太陽電池作為光伏市場的主流產品，量產工藝已日漸成熟。為進一步優化其生產工藝、提高晶體硅太陽電池片效率、降低生產成本，此前已有諸多研究，目前厚度為200μm的硅片已經實現了商業化生產[1]。20世紀80年代，澳大利亞新南威爾士大學光伏實驗室研究出了PERC電池，其轉換效率達到了22.8％，打破了當時晶體硅太陽電池的紀錄[2]。此后，背鈍化技術作為一種相對普及的新型工藝，以可有效降低電池片背表面復合率、提升電池片內部光學反射機制等特性在工業化生產中得到廣泛應用。PERC電池與常規電池片結構相比，區別主要在以下兩個方面(如圖1所示)：

　　1)PERC電池在晶體硅電池背表面有一層鈍化介質層(多為Al2O3)和保護層(多為SixNy)。

　　2)常規電池片鋁背場與硅片完全接觸，而PERC電池Al背場是通過激光開窗的空洞區域與硅片進行局部接觸。

　　由于在硅片表面含有原子結構周期性排列中斷而形成的未飽和的懸掛鍵，使得晶體結構表面和界面產生空間電荷和表面勢壘，形成不穩定的表面態，從而影響了載流子的正常輸運[3]。常規工藝一般直接在電池片背表面燒結鋁漿形成Al背場，從而在一定程度上減少載流子在電池背表面的復合速率，形成p+合金結，提高電池片開路電壓。PERC電池使用鈍化介質膜Al2O3將電池片背表面的懸掛鍵進行保護，形成固定電場產生鈍化效應，從而降低表面復合，提升效率。目前實現電池片背點接觸的方法有化學開窗、機械開窗、激光開窗等。隨著激光技術的日益成熟，激光開窗也以其精準快捷、適用范圍廣、性價比高、無接觸污染等優點，逐漸成為實現背點接觸的一種成熟的生產工藝。激光開窗技術使鋁背場與硅片形成局部點狀接觸，減少了金屬背極與背表面的接觸，從而使開路電壓得到提升。有研究表明，激光開窗在加工過程中不僅不會對Al2O3鈍化層的鈍化效果產生任何負面影響，而且對電池片性能也幾乎無影響[4]。本實驗主要探究了PERC電池生產過程中激光開窗技術對電池片性能的影響因素。

　　1.1實驗樣品

　　本實驗選取的樣品采用成熟的PERC技術，每組樣品激光開窗處理之前工藝完全相同，且背面SixNy顏色相近(SixNy顏色隨著厚度呈周期性變化)，以保證實驗樣品的一致性和實驗數據的準確性。

　　1.2實驗研究內容

　　實驗研究背鈍化技術在激光開窗過程中激光設備各項參數等對電池性能的影響，主要研究內容為：

　　1)不同激光功率對電池片性能的影響。實驗根據激光器固定參數設定不同的輸出功率，以研究不同功率條件下電池片的性能。

　　2)不同輸出頻率對電池片性能的影響。實驗通過調整激光器輸出頻率，探究不同頻率條件下的開窗平滑度及電池片性能。

　　3)不同開窗形貌對電池片性能的影響。實驗通過改變激光開窗線寬及開窗線型，探究不同開窗形貌條件下的電池片性能。

　　1.3實驗工藝流程

　　原硅片經過成熟的常規工藝制絨、擴散、開窗后，使用PECVD技術在硅片正表面鍍一層厚度約為80μm的SixNy減反膜；然后在硅片背表面生長一層厚度約5～8μm的Al2O3，本實驗采用原子層淀積(ALD)的方式生長Al2O3；最后在Al2O3表面鍍一層約150μm的SixNy保護層后，采用激光技術在硅片背面開窗，打通鋁背場與硅片基本的連接通道，使鋁背場在印刷燒結后能與硅片產生有效歐姆接觸；硅片開窗后采用相同工藝經過印刷燒結，在相同機臺對電池片性能進行測試對比分析，以保證實驗數據準確性。其中，背鈍化量產激光設備為常州鐳射激光設備有限公司制造，型號為SolarLase-Pro2000，主要參數見表1。

　　2.1不同功率的對比

　　實驗采用相同批次片源進行多組對比，在保證前段工藝與激光設備其他參數完全一致的條件下，調節激光器輸出功率，比較不同功率條件下成品電池片的電性能差異。實驗數據如表2所示。

　　從表2的實驗數據可看出，在激光設備功率調節范圍內，在實驗功率遞增的條件下，電池效率波動不明顯且無線性變化的趨勢，這說明激光設備功率在調節范圍內對電池片性能影響并不大。

　　2.2不同頻率的對比

　　實驗選取相同批次片源進行多組對比，在控制其他變量的條件下，研究不同激光頻率對電池性能的影響。在實驗原有工藝基礎上調節激光設備的輸出頻率，設置激光頻率梯度，研究了在1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5MHz頻率條件下電池片的性能差異，用3D顯微鏡比較了高頻與低頻工藝條件下開窗后電池結構的微觀形貌，在相同機臺對其電性能進行測試對比，驗證激光頻率對電池性能的影響。實驗數據如表3所示。

　　從3D顯微鏡測試結果來看，低頻工藝條件下激光開窗深度較淺，疑似有SixNy殘留物，且開窗臨界面呈鋸齒狀結構；高頻工藝條件下激光開窗深度相對較深，且開窗臨界面十分平整。這可能是因為在一定頻率范圍內，當激光脈沖作用于電池表面時，頻率越高激光能量釋放越大，因此開窗效果也相對較好。從電性能數據來看，2.0MHz工藝條件下的電池片性能要優于1.0MHz工藝。

　　從圖3可知，電池片效率隨著激光輸出頻率逐漸增加呈先升后降的趨勢。當激光頻率低于2.5MHz時，電池片性能隨著頻率升高而呈遞增趨勢；當激光頻率高于2.5MHz時，電池片性能隨著頻率升高而呈遞減趨勢。對比表3實驗數據不難看出，當頻率超過2.5MHz時，電池片填充因子FF也呈下降趨勢，進一步影響了電池片效率。這可能是由于在激光開窗的過程中，激光能量被SixNy/Al2O3鈍化介質膜吸收的同時，少部分溢出的能量也會被硅襯底吸收[4]；事實上，激光能量大部分還是被SixNy/Al2O3鈍化介質膜吸收，以減少對原硅片的損傷。而隨著激光頻率增加，激光脈沖能量隨之增大，開窗效果也相對越好；當激光頻率超過2.5MHz時，激光能量在刻穿SixNy/Al2O3鈍化介質膜的基礎上對硅片表面產生了損傷，從而影響了電池片性能。

　　2.3不同形貌對比

　　實驗選取相同批次片源進行多組對比，在保證其他工藝條件完全一致的情況下，研究不同開窗形貌(線寬、線型)對電池性能的影響。兩組實驗分別選取相同片源，其中實驗通過3D顯微鏡測試對比了不同開窗線寬時電池性能的差異；而后選取A組實驗樣品采用連續線開窗工藝，B組實驗樣品采用間斷線(開窗0.8mm，不開窗0.2mm)開窗工藝，比較不同開窗線型條件下電池片性能，實驗數據如表4、表5所示。

　　從表4可知，在控制其他變量的條件下，當開窗線寬逐漸增加時，電池片性能也隨之提高，這可能是因為相對大的開窗面積提高了電池片表面載流子的運輸性能，從而使電池片性能得到提升。從表5可知，間斷線開窗工藝生產的電池片效率要比連續線開窗工藝高0.10%。而在其他實驗中發現，在燒結爐溫和鋁漿相同時，連續線開窗工藝所生產的電池片在經過印刷燒結后背場更易產生鋁珠和鋁刺，而間斷線開窗工藝所生產的電池片則幾乎沒有，這也從側面證實了間斷線開窗工藝的優越性。

　　本實驗采用控制變量法研究了PERC電池激光開窗時的激光頻率、開窗形貌、設備功率對電池片性能的影響。實驗表明：

　　1)激光器輸出功率在14～17W范圍內，設備功率對電池片性能并無直接影響。

　　2)激光頻率在1.0～3.5MHz范圍內，當輸出頻率低于2.5MHz時，電池片性能隨著激光器輸出頻率升高而呈遞增趨勢；當激光器輸出頻率高于2.5MHz時，設備輸出頻率升高則會影響FF，從而使電池片性能降低，這可能與激光開窗深度有關。

　　3)當開窗線型相同時，開窗線寬在33～38μm范圍內時電池片性能隨著開窗線寬增加而提升，這可能是由于相對較大的開窗面積增進了鋁背場與硅片的有效歐姆接觸，從而提升了電池性能；而就開窗線型而言，間斷型開窗工藝要優于連續型開窗工藝。