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李明、趙志然、姬常曉.應(yīng)用于高空飛行器的薄硅“SE+PERC”太陽電池的研發(fā)[J].太陽能, 2022(3):42-47.

與傳統(tǒng)的航空、航天飛行器相比，臨近空間飛行器能執(zhí)行遠程投送、預警、偵察、戰(zhàn)場監(jiān)視、導航等重要任務(wù)。以平流層飛艇、太陽能無人機為代表的臨近空間飛行器非常適合作為對地觀測、區(qū)域預警和通信等的新型信息平臺。目前，臨近空間飛行器已成為國內(nèi)外軍工研究的新熱點。

【資料圖】

為實現(xiàn)飛行器的長時間駐空飛行，通常是采用在飛行器囊體表面鋪設(shè)太陽電池的方式來為飛行器不間斷的提供能量。而飛行器的載重、表面曲面結(jié)構(gòu)、可鋪設(shè)面積，以及高空的太陽高能輻照環(huán)境等客觀因素，均對太陽電池的性價比、功率質(zhì)量比、彎曲可靠性和環(huán)境適應(yīng)性提出了較為苛刻的要求。

鑒于航天領(lǐng)域特殊的太陽高能輻照環(huán)境，太陽電池的抗太陽高能輻照能力就顯得尤為重要。最早應(yīng)用于航天飛行器的是n型晶體硅太陽電池，但在1963年，Bell實驗室發(fā)現(xiàn)在太陽高能輻照(主要是高能電子和質(zhì)子)下，n型晶體硅太陽電池的性能衰減嚴重，其穩(wěn)定后的光電轉(zhuǎn)換效率低于類似結(jié)構(gòu)的p型晶體硅太陽電池[1]。因此，p型晶體硅太陽電池成為航天領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)先選擇。直到21世紀初期，砷化鎵(GaAs)太陽電池技術(shù)取得突破性進展，該類太陽電池以高光電轉(zhuǎn)換效率、耐太陽高能輻照、穩(wěn)定性強等特點成為航天領(lǐng)域應(yīng)用太陽電池的首選。這為p型晶體硅太陽電池在不同飛行高度飛行器上的應(yīng)用指明了方向。

相較于地面太陽光譜(AM1.5)，臨近空間太陽光譜(AM0)中的短波紫外線占比較高，因此，提高應(yīng)用于臨近空間的太陽電池的短波光譜響應(yīng)是提高其光電轉(zhuǎn)換效率的重要方式，而選擇性發(fā)射極(SE)技術(shù)有助于提高太陽電池的短波光譜響應(yīng)。

在薄硅太陽電池研發(fā)方面，1984年，Tiedje等[2]通過數(shù)學模擬發(fā)現(xiàn)，采用厚度為100 μm硅片的太陽電池的最大理論光電轉(zhuǎn)換效率可達到29.8%。2000年，日本三洋公司開發(fā)了可應(yīng)用于航天領(lǐng)域的p型薄硅片太陽電池，其采用的硅片厚度為75 μm，該類太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率可達到16.7%[3]。2003年，Kerr等[4]通過仿真發(fā)現(xiàn)，采用厚度約為100 μm的硅片制備的太陽電池可達到的最高理論光電轉(zhuǎn)換效率為28.5%。2012年，德國哈梅林太陽能研究所(ISFH)由厚度為43μm的硅片制備得到的太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率達到了19.3% [5]。2015年，基于目前已產(chǎn)業(yè)化的PERC技術(shù)，ISFH采用數(shù)值模擬和實驗相結(jié)合的方式發(fā)現(xiàn)，采用“SE+PERC”技術(shù)時，太陽電池的發(fā)射極方阻可達到160 Ω/□，其光電轉(zhuǎn)換效率可以突破24% [6]。2015年，中國電子科技集團公司第四十八研究所制備出的p型晶體硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率約為19%，其采用的硅片厚度為120 μm;該太陽電池率先搭載在國內(nèi)首艘“圓夢號”平流層飛艇上，性能可靠性得到了驗證。

綜上所述可知，在未全面了解臨近空間太陽輻照特性的情況下，從產(chǎn)業(yè)化性價比和安全可靠性的角度考量，以p型薄硅片為襯底的“SE+PERC”太陽電池技術(shù)是較為合適的技術(shù)路徑。

本文根據(jù)高空飛行器對太陽電池的更高功率質(zhì)量比和更為可靠的要求，結(jié)合國內(nèi)外學者對采用薄硅片的太陽電池的基礎(chǔ)理論分析和實驗經(jīng)驗，依托p型PERC單晶硅太陽電池的產(chǎn)業(yè)化平臺，制備了具有更高光電轉(zhuǎn)換效率的采用薄單晶硅片的“SE+PERC”太陽電池(下文簡稱為“薄硅‘SE+PERC’太陽電池”)，并分析了關(guān)鍵工藝參數(shù)改變對該類太陽電池電性能的影響。

1實驗準備

1.1薄硅“SE+PERC”太陽電池的制備過程

本實驗采用直徑為200 mm的p型CZ單晶硅棒，電阻率為1.5 Ω?cm;利用金剛線切割技術(shù)，通過有針對性的改變布線主輥的間距，得到尺寸為156 mm×156 mm、厚度為100 μm的單晶硅片;然后以該單晶硅片為襯底制備薄硅“SE+PERC”太陽電池。薄硅“SE+PERC”太陽電池的制備工藝流程及其結(jié)構(gòu)分別如1、圖2所示。

薄硅“SE+PERC”太陽電池制備工藝每個流程的控制要點包括：

1)表面制絨：此類太陽電池的單晶硅制絨工藝采用了常規(guī)KOH溶液與異丙醇(IPA)溶液相結(jié)合的刻蝕液，并增加了硅片的插片間距，適度降低了制絨過程中的鼓泡速率，以便得到反射率一致的均勻結(jié)構(gòu)的絨面。

2)低壓擴散：太陽電池發(fā)射極常規(guī)的方阻平均值為70～80 Ω/□，為有效提高此類太陽電池的短波光譜響應(yīng)，對低壓擴散工藝進行了改進，使此類太陽電池發(fā)射極的方阻平均值達到130～140 Ω/□。

3)激光摻雜：此類太陽電池的激光摻雜采用納秒級532 nm綠光激光器，優(yōu)化了脈沖頻率、掃描速率和激光器輸出功率之間的匹配性，利用激光熱效應(yīng)使柵線摻雜區(qū)方阻值達到40～60 Ω/□。

4)背面刻蝕：用濃度為20%、溫度為55～65 ℃的四甲基氫氧化銨(TMAH)溶液對硅片背面絨面進行預處理，然后去除背面絨面，經(jīng)酸洗去除磷硅玻璃(PSG)后，再利用烘干箱烘干硅片表面的水跡。

5)氧化退火：此類太陽電池的氧化溫度設(shè)為680～740 ℃、退火時間為30 min。

6)表面鍍膜：利用板式PECVD設(shè)備在硅片背面制備Al2O3/SiNx鈍化膜，采用管式PECVD設(shè)備在硅片前表面制備SiNx鈍化膜。

7)激光開膜：利用納秒級532 nm綠光激光器在硅片背面鈍化膜上形成陣列式線狀開膜圖形，并結(jié)合印刷燒結(jié)工序后太陽電池的填充因子和電性能情況來得到最佳的激光開膜結(jié)構(gòu)。

8)印刷燒結(jié)：此類太陽電池制備時優(yōu)化了網(wǎng)版對位精度，使電極細柵漿料印刷在對應(yīng)的激光摻雜區(qū)域。

在完成上述工序后，利用I-V測試儀對太陽電池進行功率分檔。相較于常規(guī)的PERC太陽電池，薄硅“SE+PERC”太陽電池的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

1) SE工藝提高了太陽電池在短波波段的光譜響應(yīng);

2)改進了硅片背面的拋光工藝和激光開膜的結(jié)構(gòu)，使該類太陽電池的光學損失達到了最小;

3)硅片越薄，生產(chǎn)過程中的碎片率就會越高，為有效降低碎片率，對該類太陽電池制備過程中的關(guān)鍵工藝進行了有針對性的改進，使生產(chǎn)過程中的碎片率降至10%以內(nèi)。

1.2測試儀器

采用D8SR太陽能積分式反射儀測量硅片表面的反射率;采用面掃描Cresbox四探針測試儀測量硅片擴散工藝后發(fā)射極的方阻;采用PV Measurement設(shè)備測試太陽電池的量子效率QE;采用Berger太陽電池測試系統(tǒng)測量太陽電池的I-V特性，測試條件為模擬太陽光譜AM1.5G，太陽電池溫度校準至25 ℃。

2實驗過程及結(jié)果討論

實驗通過改變薄硅“SE+PERC”太陽電池制備過程中關(guān)鍵工藝的參數(shù)，分析工藝參數(shù)改變對該類太陽電池電性能的影響，以得到最佳的薄硅“SE+PERC”太陽電池制備工藝。

2.1激光摻雜SE工藝對摻雜效果的影響

激光摻雜SE工藝主要是利用激光輻照在硅片表面產(chǎn)生熱效應(yīng)，從而使磷硅玻璃瞬間升溫、熔融，在高溫下磷(P)原子向硅片發(fā)射極擴散，從而實現(xiàn)局域摻雜的工藝。

薄硅“SE+PERC”太陽電池的激光摻雜工藝采用中國電子科技集團公司第四十八研究所的納秒級532 nm綠光激光器，該激光器的波長為532nm，光斑直徑為30 μm。受設(shè)備性能限制，該激光器的脈沖寬度無法調(diào)節(jié)，可調(diào)節(jié)的參數(shù)僅有輸出功率、掃描速率和脈沖頻率，而這3個參數(shù)共同決定了激光脈沖的能量密度。該激光器的輸出為脈沖式圓形光斑，根據(jù)激光摻雜經(jīng)驗，為使硅片的摻雜區(qū)域形成面摻雜，光斑重疊率需要達到20%～80%。

選取經(jīng)過低壓擴散工藝后平均方阻為130Ω/ □、片內(nèi)方阻值極差小于等于12 Ω/ □、厚度為100 μm的硅片1000片作為實驗樣品，將激光器的掃描速率設(shè)置為20000 mm/s，脈沖頻率分別設(shè)置為800、1000、1200、1400、1600 kHz，激光器輸出功率在18～23 W之間調(diào)節(jié);每次的激光摻雜SE工藝均形成尺寸為100 mm×100 mm的方格。激光摻雜SE工藝結(jié)束后在每片硅片上均選取5個點測試其方阻，然后以批間方阻的平均值作為該工藝參數(shù)設(shè)置下的激光摻雜結(jié)果。具體的實驗結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，當激光器的掃描速率設(shè)置為20000 mm/s時，在激光器輸出功率不高于21W的條件下，方阻值隨脈沖頻率的增大而減小。這主要是因為激光光斑重疊率隨著脈沖頻率的增大而增大，同個摻雜區(qū)域受瞬間二次激光摻雜的比例也隨之增大，激光的二次輻照會增大受光區(qū)域的溫度和延遲熔融時間，從而增加高濃度P原子向硅片發(fā)射極的擴散程度，增大發(fā)射極結(jié)深，導致方阻值降低。

當脈沖頻率大于等于1200 kHz且激光器輸出功率大于21 W時，隨著激光器輸出功率的增大，易產(chǎn)生方阻值增大的現(xiàn)象。這主要是因為激光光斑的能量服從高斯分布，激光光斑重疊率越高，激光器二次激光輻照區(qū)域的能流密度就越高，輸出功率增大到一定程度后，激光輻照的摻雜區(qū)域的溫度會瞬間升高并會超過閾值，導致?lián)诫s區(qū)域的離化等離子體揮發(fā)，從而產(chǎn)生刻蝕凹槽現(xiàn)象，發(fā)射極因表面濃度降低而出現(xiàn)方阻值增大的情況。

2.2激光摻雜SE工藝對“SE+PERC”太陽電池性能的影響

為研究SE工藝對PERC太陽電池性能的影響，利用湖南紅太陽光電科技有限公司現(xiàn)有的PERC太陽電池生產(chǎn)線制備PERC太陽電池，然后在PERC太陽電池制備工藝的基礎(chǔ)上增加激光摻雜SE工藝，制備“SE+PERC”電池。這2種太陽電池均采用厚度為180 μm的常規(guī)厚度硅片。在制備過程中，“SE+PERC”太陽電池擴散工藝后的平均方阻為130 Ω/□，摻雜區(qū)的細柵寬度設(shè)為150 μm，網(wǎng)版細柵寬度為30 μm;氧化溫度設(shè)為700 ℃、退火時間設(shè)為30 min。

在PERC太陽電池的激光摻雜SE工藝過程中，激光器的掃描速率設(shè)置為20000 mm/s，頻率設(shè)為1000 kHZ，激光器輸出功率分別設(shè)為20.0、20.5、21.0、21.5、22.0、22.5 W。制備6組“SE+PERC”太陽電池樣品，每組20片，然后對每組樣品的性能測試結(jié)果求平均值。PERC太陽電池與“SE+PERC”太陽電池的性能測試結(jié)果如表1所示。

由表1可知，SE工藝及激光器輸出功率均會對太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生較大影響，在這2個因素共同影響下，“SE+PERC”太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率最大可提高0.3%，達到21.50%。在激光器輸出功率小于等于21.5 W的情況下，由于采用高擴散方阻工藝，“SE+PERC”太陽電池的Voc和Isc均有一定幅度的提高，這是因為“SE+PERC”太陽電池摻雜區(qū)域發(fā)射極的表面濃度高于PERC太陽電池的，降低電極的接觸電阻以降低電池的串聯(lián)電阻，從而使Voc和Isc得到提高。

當激光器輸出功率大于21.5 W時，“SE+PERC”太陽電池的Eta、Voc和Isc均明顯降低。這主要是因為：1)激光器的高輸出功率將導致結(jié)深內(nèi)摻雜區(qū)域的摻雜濃度過大，在一定程度上形成“死層”，從而造成發(fā)射極和較淺的基區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子在橫向傳輸至激光摻雜區(qū)域內(nèi)的細柵接觸區(qū)時就已被復合，導致其并未傳輸至接觸電極;2)擴散工藝后發(fā)射極的表面濃度本應(yīng)服從余誤差函數(shù)分布，但激光器的輸出功率使其變?yōu)楦咚狗植?，而且激光的能量密度越大，P原子的表面濃度越小，從而導致電極的接觸電阻變大。

2.3不同拋光效果下薄硅“SE+PERC”太陽電池的IQE測試

太陽光譜的波長與其在硅片內(nèi)的穿透深度呈非比例化正相關(guān)，波長為1000 nm的紅外光在硅片內(nèi)的有效穿透深度(紅外光的能量降為初始值的1/e，e為自然常數(shù))超過100 μm，而對于該厚度的硅片，很大比例的紅外光極易穿透硅片，從而被損失掉。

對于厚度為100 μm的薄硅片，若采用“鏈式濕法刻蝕機對硅片進行背面拋光，且刻蝕液采用HF/HNO3體系，硅片酸洗后采用強氣流吹氣方式去除其表面水跡，并將金字塔絨面在拋光后的表面反射率控制在30%以內(nèi)”的流程，這一流程將無法有效提高硅片的拋光效果，且硅片極易因強氣流而碎裂。因此，可在加熱槽中采用濃度為20%、溫度為45～ 60 ℃的TMAH溶液進行硅片的背面拋光，而硅片正面在擴散工藝下則以其表面的PSG作為TMAH腐蝕時的阻擋層;然后利用烘干箱對硅片表面的水跡進行烘干，再將硅片制備成金字塔絨面反射率分別為25%、30%、35%、40%、45%的薄硅“SE+PERC”太陽電池;最后采用PV Measurement設(shè)備對制備得到的太陽電池進行內(nèi)量子效率IQE測試，測試結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，當波長大于900 nm時，隨著波長的增大IQE值逐漸降低，但隨著反射率的增大，IQE值也隨之提高，這說明背面拋光效果越好，IQE值越高。

2.4背面拋光效果對“SE+PERC”太陽電池性能的影響

選取擴散工藝后平均方阻值均為130 Ω/□、厚度分別為100、180 μm的硅片各500片。在相同工藝條件下，每片硅片均只進行單面擴散工藝，并按照前文中的背面拋光工藝使絨面的反射率分別為20%、25%、30%、35%、40%;然后制備成“SE+PERC”太陽電池;根據(jù)絨面的反射率不同，將同種硅片厚度的PERC太陽電池分成5組，每組為100片，再將這100片均分為10個小組;最后再分別測試這10個小組PERC太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率，并取平均值。2種硅片厚度下，硅片背面絨面的反射率與制備得到的太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率之間的關(guān)系如圖5所示。

從圖5中可以看出，在硅片背面絨面的反射率低于25%的條件下，相較于硅片厚度為100μm時制備的“SE+PERC”太陽電池，硅片厚度180 μm時制備的“SE+PERC”太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率較低。但隨著硅片背面絨面的反射率從25%提高至40%，硅片厚度為180 μm時制備的“SE+PERC”太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率從20.5%提高至21.0%，提高了0.5%;而相同前提條件下，硅片厚度為100 μm時制備的“SE+PERC”太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率可從21.25%提升至21.45%，提高約0.2%。綜上可知，提高背面拋光效果可較大程度提高薄硅PERC太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)工藝試驗經(jīng)驗，在拋光效果不佳的條件下利用板式PECVD設(shè)備制備的Al2O3薄膜的鈍化效果也會受到極大影響，而鈍化效果與太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率有關(guān)，卻基本與硅片厚度無關(guān)。

2.5薄硅“SE+PERC”太陽電池的性能表征

嚴格按照上文中薄硅“SE+PERC”太陽電池的制備工藝流程及其制備工藝控制要點，在每道工序都選擇最優(yōu)條件的前提下，進行硅片厚度為100 μm的薄硅“SE+PERC”太陽電池的批量生產(chǎn);然后利用Berger太陽電池測試系統(tǒng)對批量生產(chǎn)的薄硅“SE+PERC”太陽電池的性能進行測試，并求平均值。測試結(jié)果顯示：批量生產(chǎn)的薄硅“SE+PERC”的Eta均值為21.10%、Voc均值為0.6590 V、Isc均值為9.622 A、FF均值為81.28%。批量生產(chǎn)的薄硅“SE+PERC”太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率分布情況如圖6所示。

由圖6可知，批量生產(chǎn)的薄硅“SE+PERC”太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率的分布符合正態(tài)分布。批量生產(chǎn)的薄硅“SE+PERC”太陽電池的Eta均值可達到21.1%，比產(chǎn)線量產(chǎn)的采用常規(guī)硅片厚度制備的PERC太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率(21.2%)低0.1個百分點。

3結(jié)論

本文根據(jù)高空飛行器對太陽電池更高功率質(zhì)量比和可靠性的要求，依托p型PERC單晶硅太陽電池的產(chǎn)業(yè)化平臺，在常規(guī)PERC太陽電池生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上增加了選擇性發(fā)射極(SE)技術(shù)，并嚴格按照薄硅“SE+PERC”太陽電池制備工藝控制要點，在每道工序都選擇最優(yōu)條件的前提下，批量生產(chǎn)的薄硅“SE+PERC”太陽電池的平均光電轉(zhuǎn)換效率可達到21.1%。此外，本文還針對常規(guī)HF/HNO3體系溶液對硅片背面拋光效果差和易產(chǎn)生碎片的問題，改為采用TMAH溶液進行拋光，硅片背面絨面的反射率可達到40%，有效提高了“SE+PERC”太陽電池在長波段的背面反射率，從而使“SE+PERC”太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率也得到了提高。