硅太阳能电池侧切面“钝化边缘技术”（PET）研究

一、引言

太阳能电池叠瓦方法的兴起是获得更高光伏组件输出功率密度Pout的一种选择。叠瓦是通过将电池背面电极与相邻电池的正面电极互连来实现。叠瓦电极重叠互连：1)减少电池间隙，增加组件光敏面积，2)没有可见的电极从而减少了遮光损失，3)降低了汇流的电阻损失。叠瓦最初仅应用于小众市场，如卫星设备、电子设备和电动汽车。叠瓦太阳能电池的潜力不仅在出版物和专利中发表和发布，也在商业叠瓦组件中暂露头角。

类似于半片电池，叠瓦电池通常使用直接切割整片电池。切割过程中会引起边缘复合，从而导致太阳能电池效率降低。小尺寸电池有较大的周长面积比，这种情况使的边缘复合变得更加明显，除了开路电压VOC的损失之外，主要是填充因子FF的损失(是由pFF的损失引起)。边缘复合由以下两种情况引起：1)边缘载流子耗尽，2)边缘陷阱密度降低。作为边缘钝化潜在方法的研究，我们发现先前有一些研究减少太阳能电池边缘复合的方法，包括使用扩散阻挡层作为发射极窗口。发射极窗口切断了发射极向边缘的传导，从而大大减少了少数载流子复合。出于同样的目的，另一种方法是通过构建钝化隔离沟槽来去除发射极。这种方法通过烧蚀发射极形成沟槽，然后进行湿化学蚀刻，最后热生长二氧化硅(SiO2)或多晶硅来钝化沟槽。建议在切割处进行强掺杂，通过表面场效应排斥边缘载流子。据报道，通过边缘湿化学处理，电池边缘生长SiO2可以起到钝化效果。介绍了对电池的两个几十微米的侧切面进行钝化，通过沉积由氮化硅覆盖的氧化铝和氧化硅层来实现，侧切面损坏性蚀刻之后进行钝化工艺。

然而，生产这种电池需要几个额外的预金属化工艺步骤或金属化后化学蚀刻工艺，这就使得实现工业化量产具有挑战性。模拟结果证实通过降低边缘处的有效边缘复合速度，对叠瓦电池钝化边缘产生了积极的影响。然而，文献报道中暂时没有可行的量产工艺。

本文介绍了太阳能电池侧切面“钝化边缘技术”(PET)工艺。PET工艺在双面p型硅叠瓦钝化边缘、发射极和背面(pSPEER)太阳能电池上进行了验证，参考文献没有报道PET工艺。双面pSPEER电池基于PERC电池，使用激光辅助切片工艺以获得电池条。本文研究了两种激光划片工艺，传统的激光划片和机械切割(LSMC)与热激光划片(TLS)工艺。讨论了不同激光划片工艺和边缘钝化工艺对太阳能电池性能的影响。

二、钝化边缘技术与电池特性

A.pSPEER PET太阳能电池概念

太阳能电池划片会导致边缘复合增加，尤其是当发射极延伸到侧切面边缘时;pSPEER电池截面示意图如图1(a)所示。电池边缘只有一层自然生长的二氧化硅。出于这个原因，PET处理工艺的目标，就是太阳能电池切片后，通过在电池侧切面边缘镀一层钝化层来降低边缘处的有效边缘复合速度。“pSPEERPET”是PET工艺边缘钝化后的太阳能电池，如图1(b)。在本文中，PET工艺由两个步骤组成：太阳能电池激光切割后沉积AlOx薄膜并进行薄膜沉积后退火(PDA)以激活沉积的AlOx钝化层。采用热原子层沉积方法(ALD)沉积AlOx，ALD沉积有以下几个优点：(I)ALD保形性好，例如，经过处理后电池的边缘被AlOx很好地包覆;(II)AlOx可以提供优异的表面钝化性能，因为结合了增强的化学钝化和由大量固定负电荷诱导的场效应钝化;(III)厚度d在5 nm≤d≤15 nm的超薄AlOx薄膜是透明的。组件上进行的OPTOS模拟证实，电池前后表面沉积超薄AlOx层不会造成光学损失;(IV)众所周知，热ALD沉积AlOx后，在较低的退火温度下Tann < 225 °C可以激活钝化效果。

图1 (a)双面pSPEER太阳能电池截面示意图。该结构类似于双面PERC电池，具有原生SiO2覆盖的边缘。(b)经PET工艺后，pSPEERPET太阳能电池全部沉积一层钝化层(AlOx)，包括最重要的切割边(绿色)。在图(a)和(b)中，没有显示背面银电极。

B. 太阳能电池制造

本文所研究的pSPEER和pSPEERPET采用6英寸掺镓直拉硅PERC电池，工艺流程如图2所示。

图2. 6英寸p型Cz-Si生产pSPEERPET太阳能电池的工艺流程。

硅片电阻率0.3Ω/cm≤ρB≤0.9Ω/cm，氮化硅(SiNx)钝化正面掺磷发射极，SiNx+AlOx双层薄膜钝化电池背面，硅片背面颜色浅黄色，如图Fig3(a)所示。本文中电池生产工艺从激光开槽开始，首先丝网印刷背面银副栅，然后印刷背面铝主栅和正面银栅，最后在工业快速烧结炉中进行金属化烧结。将一片完整太阳能电池切割成六片太阳能子电池，(每片尺寸22 mm×148mm，如图3(b)所示)。最后，如图3(c)所示，激光辅助切片后获得六片子电池。

本文激光切片流程：(i)常规LSMC和(ii)TLS，两种切割工艺都是借助使用3D-Micromac的microDICE实现[34]。以下介绍详细的流程：

1)LSMC使用纳秒红外脉冲激光切割，激光沿着分离路径划线并烧蚀硅片厚度的三分之一，之后手动机械掰片。

2)TLS使用与LSMC工艺中相同的脉冲激光划刻长度0.5mm≤L≤1mm的裂痕，在切割过程中，利用红外连续激光照射电池表面会产生不均匀的温度场，不均匀温度场会产生温度梯度，温度梯度诱发产生热应力，产生的热应力不均匀分布促使裂纹扩展，当热应力达到硅电池的断裂强度时，就会使电池发生断裂，从而实现电池可控裂纹轨迹的切割。

图3为电池正面背面扫描图，(a)6寸硅片和(b)电池切为六分片。(c)激光辅助切片的pSPEER电池，尺寸22 mm×148 mm。显微镜图显示了电池正面和背面的电极。该图取自参考文献。

LSMC和TLS工艺切割的电池侧切面边缘SEM图如图4(a)和(b)所示。通过LSMC工艺切片割处理的电池侧切面，粗糙的激光刻划区域约为电池厚度的三分之一，电池侧切面机械掰裂部分比较光滑。相比之下，采用TLS切片的电池侧切面表面非常光滑。

图4 (a)LSMC工艺切片电池侧切面SEM图。激光划线造成的粗糙度占厚度的三分之一左右。(b) TLS激光热切割工艺使硅片完全热裂解，电池侧切面边缘更更光滑。

C. SunsVOC和电流-电压表征

本文中，使用SunsVOC测量仪，表征电池切片和钝化工艺的影响。结果表明，边缘复合对太阳能电池性能的影响不依赖于串联电阻rS的变化。在光照强度1000W/m2 时获得了pFF和VOC的测量结果。为了消除测量的不均匀影响(可能来自于硅片，也可能来自于SunsVOC测试仪)，在电池片同一栅线上取五个不同的位置进行测量;如图5(a)所示。然后，将每个切片电池放置在SunsVOC卡盘上与电池片未切片前相同的位置进行测试，如图5(b)所示。切片电池测试完成后以相同的接触方式测试其它切片电池，实验过程中多次测量对照电池，以验证SunsVOC测量的重复性。

图5(a)电池切片前SunsVOC测量接触点位置示意图。每条栅线选五个接触点(这里以3为例)。(b)叠瓦电池接触点是主栅上的5个相同位置。叠瓦主栅在卡盘上的位置与整片电池测试时放置的位置相同。

在标准测试条件下，使用Fraunhofer ISE CalLab PV Cells标定的pSPEER电池标片校准IV测试仪并测试每片叠瓦电池IV值。IV测试过程中，将电池放置在黑色非导电基板上，确保光谱的反射低于5%。将测试仪探针阵列压在电池正面和背面的主栅上进行IV测试。

三、边缘钝化

A.电池PET实验计划

本实验的目的，通过使用SunsVOC测试仪研究不同激光划片工艺对整片电池划片后的影响，工艺流程如图6所示。同时，还研究了AlOx薄膜沉积和退火工艺对电池性能的影响。使用LSMC切片并静置等待6小时后在电池的侧切面上沉积AlOx薄膜，使用TLS切片并静置等待6小时后在电池的侧切面上沉积AlOx薄膜，而另一组样品使用TLS工艺切片并静置等待19小时后沉积AlOx薄膜。静置时间不同是为了研究电池切片后到ALD沉积这段静置时间对电池性能的影响。在室温环境中，裸露的硅片边缘会自然的生长二氧化硅。由于二氧化硅生长速率与在空气中暴露的时间呈对数关系，本文中两组相同等待时间的样品生长的二氧化硅厚度基本一致。

图6研究PET对分离电池影响的实验过程和表征步骤

采用牛津仪器公司[39]的FlexAL反应器进行AlOx薄膜沉积实验，使用三甲基铝和水蒸气作为前驱体。使用椭圆偏振光谱仪测试与实验样品同炉的监控硅片上生长的AlOx膜层厚度，在叠瓦样品上生长了两种不同厚度的AlOx薄膜：d1=7nm和d2=14nm。AlOx镀膜1炉可以制备3～4个样品(详见图7)。架高工装可以确保能够在叠瓦的背面沉积AlOx薄膜。

AlOx薄膜沉积前后，SunsVOC测量叠瓦电池每个主栅的5个触点，PDA退火温度小于225°C。每种激光划片的电池都有留样作对比片，对比片没有沉积AlOx，研究退火工艺对未镀膜对比样品性能的影响。PDA退火后进行SunsVOC测量，为了研究钝化效果的稳定性，使用TLS切片的电池在73、99和167小时后重新进行SunsVOC测量。

图7：三个叠瓦电池、椭偏监控样品的俯视图，电池正面朝上放在FlexAL样品架上PET镀膜。

为了深入研究AlOx薄膜沉积工艺和退火工艺的影响，并估算有效表面复合速度Seff，在寿命均匀的样品上沉积厚度d1=7nm的AlOx层(n型硅，ρB≈1Ωcm，硅片厚度W≈200 μm)。

进行准稳态光电导(QSSPC)测量，获得少数载流子寿命τeff对与多数载流子密度Δn之间的关系：(i)沉积态和(ii)退火态，Seff通过下列公式近似计算。

注意，τbulk是本征体寿命，τeff取Δn = 1015cm−3时的值。

四、结果和讨论

A. 对载流子寿命的影响

QSSPC测量的硅片样品少子寿命如图8所示，使用QSSPC测量了AlOx薄膜沉积和退火后样品的载流子寿命。退火后，在Δn = 1015 cm−3(≈ 1000 W/m2辐照度)时测得硅片少数载流子寿命τeff = 432 μs 。

通过公式(1)计算可得Seff = 22 cm/s，表明通过AlOx薄膜沉积和退火工艺能够获得较低的Seff值。注意，由于不同的表面及几何条件，平面Seff不一定等于边缘Seff。

图8. QSSPC测量的n型硅样品少数载流子寿命τeff与过剩载流子密度Δn的关系。

B. SunsVOC结果

1)PET的影响：通过SunsVOC测量，获得了1000 W/m²辐照度下的VOC和pFF值。硅片平均VOC = 669 mV。整个工艺流程中VOC的变化非常小，最大差值ΔVOC = ± 2 mV。Voc较小的变化与样品Voc模拟结果相一致[23], [42]。

因此，我们关注了图9所示的pFF数据。图9给出了四组不同样品的pFF值：(i)整片，(ii)切片，(iii)AlOx薄膜沉积后，和(iv)退火后。根据激光切片工艺和AlOx薄膜厚度的不同被分为不同的组别，同时对不同状态的样品结果进行了讨论。

首先，由于边缘复合效应，与整片电池相比，LSMC和TLS切片工艺都将导致切片电池的pFF降低(ΔpFF = − 1.2%abs)。值得注意的是，通过沉积不同厚度的AlOx薄膜(d1或d2)改善了边缘钝化效果，因此提高了pFF。通过TLS工艺切片并沉积AlOx薄膜的电池，其pFF增益最高，ΔpFF=+0.4%abs。

图9.电池在分离、沉积和退火后的SunsVOC测量结果。还在退火之前和之后测量没有沉积的对照电池。图片顶部的时间表示分离和沉积之间的大致时间间隔。

退火后，TLS切片并沉积了AlOx薄膜的电池pFF增益最高，从AlOx镀膜到退火后ΔpFF =+0.4%abs。PDA退火后pFF提升，由于退火激活了电池边缘表面的钝化层，没有沉积AlOx薄膜的对照组电池，退火后pFF也有所提升，可能是由于边缘自然生长了SiO2的缘故。

PET效果评估，经过AlOx薄膜沉积和PDA退火的PET工艺处理，TLS切片电池比LSMC切片电池具有更高的pFF增益。TLS切片工艺能够获得更少缺陷的光滑切面，通过在光滑切面上沉积AlOx薄膜并激活钝化层使pFF提升最多，达到了0.7%abs。不同AlOx薄膜厚度分组的TLS切片电池经过PET工艺处理后pFF都恢复到初始损失的50%rel，并且未沉积AlOx薄膜仅退火的对照组电池pFF没有恢复。LSMC切片电池在PET工艺处理后恢复了约16%rel。

2)边缘钝化稳定性：电池钝化稳定性随时间的变化关系如图10所示，根据pFF结果，沉积了d2=14nm AlOx薄膜样品的pFF波动最小，几乎是定值(ΔpFF ≈ 0.1%abs)。结果表明，沉积了厚度d2=14nm AlOx薄膜的样品，边缘钝化稳定性不随时间变化。而沉积了厚度d1=7nm AlOx薄膜的样品或未镀膜的样品，随着时间的变化pFF有所降低。AlOx薄膜沉积厚度与钝化稳定性随时间变化的原因仍在进一步研究中。

图10 PET工艺处理前后，TLS划片电池SunsVOC测量的pFF值，PET工艺处理后73、99和167小时进行复测。包括未镀膜仅退火TLS划片电池的结果，标片结果做参考。

C. IV测量结果

基于前面的研究结果，对最佳工艺制备的边缘钝化电池进行IV测试，采用TLS工艺将整片电池划片成叠瓦电池。使用之前相同的ALD沉积工艺钝化电池，AlOx薄膜厚约13 nm，然后在电炉上退火。

电池切片后不做任何处理，将TLS切片边缘钝化的pSPEERPET电池与LSMC切片的pSPEER样品的IV测量结果进行对比。高效电池正面和背面IV测试数据详见表1，表1给出了电池正面测量各项参数的平均值(Av.)，TLS切片后电池经PET处理后正面转换效率ηf=22.1%，VOC=669 mV，FF=81.4%，短路电流密度Jsc，des=40.5mA/cm2。由于PET工艺处理，pFF非常高pFF=83.2%。尽管PET工艺是电池烧结后的热处理工艺，仍获得了较低的串联电阻rs=0.38Ωcm2，电池表面的PET工艺不会对金属化接触有影响。未经PET处理的LSMC切片电池ηf=21.7%。与pSPEER电池相比，pSPEERPET电池具有更高的正面效率增益Δηf=+0.4%abs，这是由于短路电流密度和FF的提升，ΔjSC=+0.2mA/cm2、ΔFF=+0.5%abs。FF的差异可以通过pFF增加了0.8%abs来解释，同时具有略高的rS。pFF的提升主要原因是，TLS切片工艺可以获得了高质量的侧切面，同时PET工艺钝化了侧切面表面。

背面测试结果也有类似的趋势，其中TLS切片处理的pSPEERPET电池背面转换效率ηr=14.7%，比LSMC切片处理的pSPEER电池转换效率ηr=14.4%高+0.3%abs。由于两种电池背面的rS相同rS=0.38Ωcm2，ΔpFF=+0.8%abs的差异与ΔFF=+0.8%abs相对应。TLS切片+边缘钝化后电池的双面率β=ηr/ηf=0.67，未经PET工艺处理的LSMC划片太阳能电池双面率β=0.66。

这里包括了额外的10%的背面辐照度Gr=100W/m2，边缘钝化电池功率密度是Pout=23.5 mW/cm2。这个值比未钝化的LSMC切片电池高出ΔPout=+0.4mW/cm 2。

表1 TLS+ PET和LSMC切片高效电池IV测量数据以及正面测量平均值

表1中给出了电池正面和背面的测量数据，正面和背面测量的辐照度都是1000W/m2，由于主栅封装在组件中，jSC,des包括了主栅面积，Pout考虑了背面10%的辐照度。

TLS+PET工艺相结合处理的电池效率提升非常明显，因此，已经证明PET工艺对切片电池边缘钝化方法的可行性，现在量产的电池产线前道所有工艺无需做任何改变。仅对现有量产产线基础设施进行局部改造，就可以将PET工艺集成到太阳能电池切片产线生产中即可实现电池提效(即，叠瓦电池、半切电池或小面积电池)，使PET工艺导入工业化生产线具有很大的吸引力。

D. 结论

本文介绍了一种用于太阳能切片电池侧切面钝化边缘技术PET，验证了PET工艺对双面p型叠瓦钝化边缘、发射极和背面硅太阳能电池(pSPEER)的效率提升效果。经边缘钝化工艺处理后，我们将PET工艺处理的叠瓦电池称为“pSPEERPET”太阳能电池。

与LSMC切片工艺相比，TLS切片工艺使电池侧切面具有更平滑的边缘表面，切片工艺使pFF降降，ΔpFF=-1.2%abs。

采用低温ALD PET薄膜沉积工艺，在电池侧切面上沉积了两种不同厚度d1=7nm和d2=14nm的AlOx薄膜。TLS划片并经PET工艺处理后，pSPEERPET电池切片造成的效率损失能够恢复一半。TLS切片电池经边缘钝化处理后pFF修复高达+0.7%abs，而LSMC切片电池在PET工艺处理后pFF可以修复+0.3%abs。AlOx薄膜厚度d2=14nm的电池，边缘钝化167小时后pFF没有变化，从而表明了边缘钝化的稳定性。

TLS和PET工艺处理后，钝化效果最好的pSPEERPET太阳能电池正面转换效率ηf=22.1%，考虑到额外的10%背面辐照度Gr=100W/m2，则电池总输出功率密度Pout=23.5mW/cm2。与不采用PET工艺处理的LSMC切片电池相比，TLS切片经PET工艺处理可实现更高的输出功率密度(功率密度提高ΔPout=+0.4 mW/cm²)。本文所提出的PET处理工艺具有非常明显的效果，边缘钝化处理后切片电池可以实现更高的Pout。

本文所提出的电池侧切面PET工艺是一种非常有商业化应用前景的边缘钝化处理工艺，可以在现有电池量产线中实现，无需对电池产线前道工序做任何改造。