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多晶硅电池无网结网版印刷工艺匹配性研究

时间:2017-11-14 16:41:08  来源:  作者:

 北极星太阳能光伏网讯:摘要:通过实验优化扩散方阻、选择适当正银浆料以最佳匹配无网结网版,达到提高多晶硅太阳能电池的光电转换效率。结果表明:适当提高扩散方阻、采用特定浆料结合无网结网版能够提高副栅线的高宽比,减少受光面积,进一步提高多晶硅太阳能电池的光电转换效率。

 
太阳能是清洁能源,是人类取之不尽的可再生能源。太阳能光伏是近年来最受关注的研究领域。光伏行业中,永恒的主题是提高晶硅太阳能电池的光电转换效率和降低其生产成本。近年来,单一依靠常规工艺进一步提高太阳能晶硅电池效率变得愈加困难。普通网版印刷栅线线性均匀性差,同时在目前追求细栅的大背景下,已达到极致。无网结网版太阳能电池技术在现有生产设备和工艺的基础上可快速实现效率提升和成本降低。其印刷的细栅能够减少遮光损失,进一步优化副栅线的高宽比,因而广受关注[1]。
 
目前常规多晶硅太阳能电池工艺流程为:硅片检测、清洗制绒、扩散制结、去磷硅玻璃、镀减反射膜、丝网印刷。丝网印刷正电极是与电池PN结两端形成紧密欧姆接触的导电材料。电池工艺中扩散工序制作的PN结是太阳能电池的心脏,它决定了太阳能电池PN结的结深、表面杂质浓度等参数,方阻高低会直接影响电池的性能,导致电池低效率比例增加[2]。浆料需具有较好的流变性、过墨性和塑性,同时浆料根据网版设计维持较好的湿重水平,以避免细栅印刷的节点发生。由于无网结网版栅线更细,无网结技术对扩散方阻的要求更高,同时对浆料的导电能力与银浆外扩提出了更高的要求。
 
本文主要研究扩散方阻、正银浆料与无网结网版匹配性。考察扩散方阻与无网结网版的最佳匹配值,探究最适正银浆料,以达到提高多晶硅太阳能电池转换效率的目的。
 
1实验
 
1.1实验辅材及设备
 
本实验采用多晶P型硅片尺寸为156.75mm×156.75mm,厚度为(200±20)μm,电阻率为1~3Ω˙cm。实验采用常规的太阳能电池生产线工艺制备多晶硅电池片。即C-Tex清洗制绒去除硅片表面的机械损伤层,并在其表面进行凹凸面处理,增加光的折射次数;扩散采用进口CT扩散炉,以液态POCl3作为扩散P源,采用背靠背扩散方式,在硅片表面形成PN结,即在晶体内部实现P型和N型半导体的接触;去磷硅玻璃的目的是为了去除硅片表面形成的磷硅玻璃。采用CT管式PECVD炉在硅片表面形成氮化硅减反射膜,同时掺杂H元素,使缺陷减少,还可以保护硅片。丝网印刷是将含有金属的导电浆料透过丝网网孔压印在晶硅太阳能电池两面形成电路或电极。
 
方阻测试仪:四探针方阻仪(GP4-TEST)测量扩散后的方阻值;
 
光学显微镜:测量丝网印刷后硅片的栅线宽度;
 
太阳能电池检测仪(BERGERLichttechnik):测量晶硅太阳能电池的电学性能;
 
EL测试机:测试电池片质量。
 
1.2实验方法
 
实验一:在生产前对原硅片进行分选,实验分为3组,每组400片,分别进行实验工艺和正常生产工艺。实验工艺调整扩散推进温度,改变扩散方阻值,生产工艺则不改变工艺温度。为避免因炉管差异而导致电性能存在差异,3组实验片均使用同一炉管,其他工艺不变。对扩散工艺生产出来的半成品电池片进行方阻测试。在丝网印刷采用无网结网版后,考察方阻与无网结网版匹配性对电性能参数的影响。
 
实验二:在生产前对原硅片进行分选,实验分为3组,每组400片;分别采用不同正银浆料,实验A组使用帝科正银浆料,实验B组使用杜邦正银浆料,实验C组使用晶银正银实验浆料,其他工艺不变。在丝网印刷采用无网结网版后,考察正银浆料与无网结网版匹配性对电性能参数的影响。
 
2实验结果与讨论
 
2.1扩散方阻与无网结网版的匹配性研究
 
为了保证在丝网印刷时有良好的欧姆接触,通过优化发射极方阻,降低发射极层的载流子复合,极大地提升多晶硅太阳能电池的电性能[3]。本实验采用无网结网版,改变PN结深度,考察扩散方阻与无网结网版匹配性及对电性能的影响。实验结果如表1所示。从表1中可以看出,方阻在100Ω范围内,效率最高。方阻升高,开路电压与短路电流有明显的上升趋势,串联电阻相应增大,导致填充因子降低,主要与表面复合速率和掺杂浓度有关。方阻太高或太低,PN结呈高斯分布,适当减小PN结深度,增大电池方阻的方式来减小复合和死层,进一步提高表面少子的存活率,达到提高多晶硅电池转换效率[4]。PN结越深,方阻越低,在表面吸收的光子越多,短波响应变差,和丝网印刷的银浆形成欧姆接触时越不容易形成肖特基漏电[5]。
 
 
 
对两组实验电学参数中的转化效率(Ncell)和短路电流(Isc)进行散点图分析,见图1。由图1可以看出,实验工艺高效率段所占比例明显比正常工艺要高,且效率偏低比例较正常工艺比也明显减少。随着方阻值的升高,在硅片表面掺杂浓度下降,进一步提高表面少子寿命。方阻值继续增大至106Ω时,硅和电极形成的欧姆接触变差导致效率出现下降趋势。高方阻的短路电流Isc整体都比正常工艺要高,以9.00mA为界,方阻为100Ω和106Ω短路电流Isc偏低的比例明显要少,这是由于高方阻制得的PN结浅,表面复合下降,优化其短波响应,更容易和烧结有好的匹配性。
 
 
 
 
 
2.2正银浆料与无网结网版的匹配性研究
 
在生产运行过程中,网版与浆料的匹配最终会影响电池的电性能及印刷性能。浆料的均匀性越好,减少银浆外扩,栅线越细,遮光越少,对流平性要求越高,工艺管控要求越高,虚印、断栅也容易发生[6]。采用不同正银浆料配合无网结网版测得电性能参数见表2。由表2可以看出,无网结网版结合杜邦浆料,效率为18.80%,结合晶银浆料,效率为18.81%,远远高于无网结网版+帝科浆料。由于无网结的交叉结构,加上浆料流变性的制约,在印刷时会出现高低起伏。数据主要体现在填充因子FF明显提高,而晶银浆料需具有较好的流平性、过墨性和塑性,利于栅线的塑形,栅线越细,遮光面积越小,转换效率越高。
 
三种不同浆料印刷后的电池片在EL测试仪下测试,EL图像见图2。可以看出:无网结+晶银印刷的电池片无断栅虚印,无网结网版+杜邦则会有两三根轻微的断栅虚印,无网结网版+帝科有比较严重的断栅虚印。因此印刷性能:晶银≥杜邦≥帝科。
 
 
 
3结语
 
本文主要研究了不同扩散方阻及正银浆料与无网结网版的匹配性。实验结果显示,采用无网结网版印刷后,电池副栅线高度较高,可以增加受光面积,提高多晶硅太阳能电池的转换效率。方阻较高或较低均不利于提效,方阻在100Ω时,在丝网印刷的银浆形成欧姆接触时,效率达到最佳,较生产组90Ω提高0.04%。同时比较帝科、杜邦、晶银三家正银浆料,结果显示,杜邦与晶银对提效非常明显,但是在印刷性能上晶银优于杜邦浆料。采用晶银正银浆料,增加透墨性,流平性较好,在提高电池转换效率的同时印刷性能最佳。
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