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WCT120少子寿命测试仪的少子寿命测试结果为硅片的有效少子寿命,硅片有效少子寿命受载流子体寿命与载流子表面寿命的双重影响,SixNy的钝化作用主要体现在体钝化效果上,Al2O3的钝化作用主要体现在表面钝化效果上。由于Al2O3的表面钝化效果只有经过热处理过程才能体现出来,所以能够以热处理前后少子寿命增加量来衡量Al2O3薄膜的钝化效果。从理论上讲,5nm厚度的Al2O3薄膜就足以对硅片表面进行充分钝化[9],但在这组实验中,厚度为5nm的Al2O3样品在烧结前后的少子寿命增加只有11μs,而厚度为25μm的Al2O3样品在烧结前后的少子寿命增加为103μs,少子寿命的增加量随Al2O3薄膜厚度增加而增多。这种现象是由于在实际生产中硅片表面粗糙造成,粗糙的表面造成Al2O3薄膜分布不均匀,局部区域的Al2O3薄膜厚度过低,从而影响了钝化效果,随着薄膜整体厚度的增加,Al2O3薄膜的覆盖率逐步增加,使得Al2O3薄膜的表面钝化作用体现的更加明显。
在热处理前,硅片少子寿命随着Al2O3薄膜后的增加而减少,这是由于Al2O3薄膜阻挡了背面SixNy对硅片的体钝化作用导致。在SixNy薄膜的体钝化作用与Al2O3薄膜的表面钝化的共同作用下,硅片在热处理后的少子寿命相差较小。
2.2 、Al2O3厚度对PERC电池电性能参数的影响
Al2O3厚度与PERC电池电性能参数的关系如表2所示。
随着Al2O3厚度由5nm升高到20nm,电池片效率由19.45%升高到20.82%,开路电压由641mV升高到662mV,短路电流由9.04A升高到9.42A,填充因子基本持平。这说明Al2O3的表面钝化作用在PERC电池的效率提升中起到了关键作用。在Al2O3薄膜厚度增加到25nm后,电池转换效率反而有所降低,尤其填充因子降低明显,这可能是后续工序的激光能量偏低,对开膜部分的Al2O3薄膜清除不彻底,影响了铝浆与硅片之间的欧姆接触而导致。
3、烧结曲线对电池片性能的影响
3.1 、烧结温度对铝硅合金层厚度的影响
为了研究烧结温度对铝硅合金层的影响,首先以常规单晶电池烧结曲线对PERC电池片进行烧结,然后使用扫描电镜观察测量剖面,PERC背面铝浆为南通天盛公司生产的BD-5型号铝浆。
如图1所示,以常规温度曲线烧结的PERC电池的铝硅合金层(BSF)只有约1μm。常规单晶电池的铝硅合金层厚度通常约为10μm。PERC电池专用铝浆为了保护背面Al2O3钝化层而使用了弱刻蚀的玻璃体,这应是导致差异的主因。尝试提高烧结炉温区3、4温度,再次进行烧结与检测,如图2所示,铝硅合金层厚度为3.55~4.72μm,相对于常规烧结曲线,铝硅合金层厚度明显增加。铝硅合金层厚度将直接影响铝背场对载流子的收集效率,从而影响PERC电池的电性能参数。
铝硅合金层厚度将直接影响载流子的复合速率,从而影响PERC电池的电性能参数,厚度大于2μm的铝硅合金层可有效降低载流子复合速率[10]。
3.2、烧结曲线对PERC电池转换效率的影响
对比了以下5组烧结曲线,分析对比开路电压、短路电流、填充因子等电性能参数,烧结炉带速为5m/min。其中编号a的曲线为常规电池烧结曲线。
开路电压和短路电流呈相同变化趋势,随着温区3、4温度升高而上升,随温区5、6温度升高而降低。由上述研究可知,在温区3、4温度上升的过程中,PERC电池的铝硅合金层(BSF)厚度逐渐增加,所以开路电流和短路电压随之升高。当温区5、6温度升高时,铝浆很可能烧穿了Al2O3薄膜上的氮化硅保护层,Al2O3钝化层受到破坏,钝化作用下降,所以导致开路电压、短路电流下降。
当温区3、4温度升高时,填充因子、并联电阻的变化并不明显,但是随着区温5、6温度的升高,填充因子迅速增大,并联电阻迅速减小。在温区3、4温度升高阶段,铝浆对氮化硅保护层的侵蚀作用有限,氮化硅保护层起到了很好的保护作用,而随着温区5、6温度的升高,铝浆局部烧穿了氮化硅保护层与Al2O3层,直接接触到了硅片,形成了额外的电流通道,所以填充因子上升,串联电阻下降。
PERC电池的并联电阻在烧结曲线变化的过程中基本保持稳定,转换效率随着铝硅合金层厚度的增加而上升,随着氮化硅保护层被铝浆烧穿而迅速降低。
4、结论
Al2O3薄膜的钝化作用可以由烧结前后的少子寿命变化量来衡量,在我们制备的5组样品中,Al2O3薄膜越厚,少子寿命在烧结前后的增加量越大,但过厚的Al2O3薄膜会对激光开膜造成影响,降低PERC电池片的填充因子,在此次试验中,Al2O3厚度为20nm的样品获得了最高的转换效率。Al2O3的表面钝化作用在PERC电池的效率提升中起到了关键作用。
由于PERC电池专用铝浆使用了弱刻蚀性的玻璃体,所以相对与常规电池的烧结曲线,铝浆烧结区需要升高温度才能获得良好的铝硅合金层(BSF)。过高的峰值温度会导致铝浆烧穿Al2O3上的SixNy保护层,破坏Al2O3的钝化效果,形成额外的导电通道,开路电压、短路电流、串联电阻与转换效率均会大幅降低,但并联电阻相对保持稳定。PERC电池的烧结既需要足够高的温度来保证铝浆与硅片充分反应,又需要将烧结温度限制在一定范围内,以保证铝浆不会烧穿Al2O3上的SixNy保护层。
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