背景

　　主流多晶PERC太陽(yáng)能電池組件的LID控制解決方案

 

　　過(guò)去幾年，多晶硅已經(jīng)成為光伏行業(yè)的主流技術(shù)，占據(jù)了大部分的市場(chǎng)份額。然 而，多晶硅領(lǐng)域的行業(yè)巨頭們正面臨著來(lái)自單晶硅的高效率和快速降低的成本方面的巨大壓力 。因此，現(xiàn)在急需在多晶硅電池的大規(guī)模 生產(chǎn)中采用革新的技術(shù)，例如金剛石線(xiàn)鋸、黑硅制絨和PERC等以提升效率并降低成本。

 

　　到了2017年第三季度，CSI已經(jīng)成功在其多晶硅電池產(chǎn)線(xiàn)上應(yīng) 用了金剛石線(xiàn)鋸和最先進(jìn)的 黑硅制絨技術(shù)，總產(chǎn)能達(dá)到了4.5GW ，且大規(guī)模生產(chǎn)下的平均效率超過(guò)了19.2%[1]。不過(guò)，在多晶硅電池上集成PERC技術(shù)存在諸多困難，其中包括光致衰減(LID)以及光致 高溫致衰減(LeTID)[2-6]等效應(yīng)。根據(jù)UNSW和一些其他研究機(jī)構(gòu)的報(bào)道，多晶硅PERC 目前存在兩種衰減模式:1)快速衰減模式，發(fā) 生在初始光照的100 小時(shí)以?xún)?nèi)，這種衰減是由第一種衰減效應(yīng)引起的；2)緩慢衰減模式，衰減過(guò)程發(fā) 生在1000小時(shí)以?xún)?nèi)，是由第二種衰減效應(yīng)引起的[3]。盡管如此，由韓華Q-CELLs報(bào)道的多晶硅PERC LeTID效應(yīng)讓這項(xiàng)技術(shù)備受關(guān)注[5,6]。

 

　　CSI通過(guò)結(jié)合硅錠材料控制、電池工藝優(yōu)化、先進(jìn)的在線(xiàn)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了LID可控多晶硅PERC電池和組件的 大規(guī)模 生產(chǎn)，到2017年 底產(chǎn)能超過(guò)了1GW，并將在2018年 底提升至4GW以上。本文將展示CSI多晶硅PERC電池和組件的性能，同時(shí)介紹能實(shí)現(xiàn)多晶硅PREC電池和組件LID可控的解決方案。

 

　　多晶硅PERC電池和組件的性能

 

　　圖一展示了 CSI 高效多晶硅PERC電池的工藝流程；同時(shí)還給出了非PERC電池的工藝流程用于對(duì)比。在完成CSI具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的最先進(jìn) 黑硅制絨( 金屬催化化學(xué)刻蝕-MCCE)步驟之后，將電池放到管式爐中進(jìn)行低壓POCl3擴(kuò)散以形成n+-Si發(fā)射極。然后在下一步移除磷硅酸鹽玻璃(PSG)和清除電池背面。

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　　圖一：分別展示了傳統(tǒng)多晶硅電池(左)和CSI的高效多晶硅PERC電池(右)的工藝流程。

 

　　使用原子層沉積(ALD)技術(shù)形成的Al2O3層被用于進(jìn)行背面鈍化。沉積形成的Al2O3層還要進(jìn)行一次后沉積退火，這一步被集成在隨后的背 面SiNx減反射膜(ARC)沉積工藝上，采用的是管式等離子增強(qiáng)化學(xué) 氣相沉積(PECVD) 工藝。 而前表 面SiNx ARC也同樣是采用管式PECVD 工藝完成的。

 

　　在進(jìn)行激光電極開(kāi)窗操作之后，采用絲網(wǎng)印刷和共燒結(jié)工藝完成金屬電極制作。隨后對(duì)所有完成燒結(jié)的多晶硅PERC電池進(jìn)行一道電流引入再生(CIR) 工藝，最后在進(jìn)行測(cè)試和分檔。

 

　　圖二展示了CSI多晶硅PERC電池的效率分布情況；其中，平均電池效率超過(guò)了 20%， 比同樣基于金剛石線(xiàn)鋸(DWS)硅片技術(shù)的傳統(tǒng)多晶硅電池技術(shù)高出0.9%。

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　　圖二：(a)多晶硅PERC電池的效率分布。(b)60 片和120片多晶硅PERC組件的功率分配。

 

　　表一 比較了多晶硅PERC和傳統(tǒng)黑硅多晶硅電池的I-V特性。相比于后者，多晶硅PERC電池的開(kāi)路電壓Voc提升了 13.6%，短路電流Isc提升了320mA。

 

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　　表 一：多晶硅電池和傳統(tǒng) 黑硅多晶硅電池之間的I-V特性差異。

 

　　如圖二(a)所示，在組件性能方面，標(biāo)準(zhǔn)60片電池多晶硅PERC組件的平均功率超過(guò)了 287W，與同類(lèi)型單晶硅組件相當(dāng)。在結(jié)合使用半切片和多主柵等組件技術(shù)之后，標(biāo)準(zhǔn)120 片電池多晶硅PERC組件的平均功率超過(guò)了300W，如圖二(b)所示；這一表現(xiàn)同樣與同類(lèi)型單晶硅組件相當(dāng)。顯然，多晶硅PERC技術(shù)的使用增強(qiáng)了多晶硅性能競(jìng)爭(zhēng)力 ，并降低了成本。

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　　圖三：硅片質(zhì)量對(duì)多晶硅PERC組件性能衰減的影響。

 

　　控制LID的解決方案

 

　　在LID問(wèn)題上，多晶硅PERC 面臨的挑戰(zhàn)比單晶硅PERC更多。最直接的體現(xiàn)是，對(duì)于很多能夠生產(chǎn)高質(zhì)量高可靠性的單晶硅PERC組件的制造商之中，卻只有很少部分能夠生產(chǎn)多晶硅PERC組件[7]。

 

　　UNSW和其他研究機(jī)構(gòu)提出了兩種衰減模式，包括1)由名為類(lèi)型1缺陷引起的在100 小時(shí)內(nèi)發(fā) 生的快速衰減模式，以及由名為類(lèi)型2缺陷引起的在1000 小時(shí)內(nèi)發(fā) 生的慢速衰減模式。類(lèi)型1缺陷已經(jīng)確認(rèn)是B-O復(fù)合缺陷，而類(lèi)型2缺陷則還未被完全解釋。根據(jù)猜測(cè)，類(lèi)型2缺陷由氫[8]或 金 屬雜質(zhì)例 如Fe、Co和Ni[9]引起的可能性最大。UNSW最近報(bào)道了這些類(lèi)型1缺陷和類(lèi)型2缺陷同樣出現(xiàn)在了 p型單晶硅和n型單晶硅組件上[10]。

 

　　為了解決LID—這種多晶硅PERC所面臨最具挑戰(zhàn)的問(wèn)題，CSI采取了多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新：

 

　　1. 采用一項(xiàng)獨(dú)特的硅錠鑄造工藝以控制多晶硅硅片材料的雜質(zhì)含量 。

 

　　2. 優(yōu)化電池工藝，特別是與金屬電極相關(guān)的工藝，以抑制缺陷復(fù)合體的形成并增強(qiáng)多晶硅硅塊內(nèi)氫鈍化效果。

 

　　3. 采用先進(jìn)的恢復(fù)工藝以解除引起LID的缺陷中心。

 

　　4. 一套增強(qiáng)型線(xiàn)上工藝控制體系以制造可靠的LID可控多晶硅PERC電池和組件。

 

　　多晶硅PERC電池的衰減速率決定于硅錠和硅片材料的質(zhì)量 。對(duì)于多晶硅硅錠，常 見(jiàn)的衰減趨勢(shì)是從硅錠頂部到底部衰減速率逐漸增加。此外，還有其他各種能引起衰減速率增加的因素，例 如電阻率或摻雜濃度、氧含量 和結(jié)構(gòu)缺陷密度等。衰減速率還與施主B元素或Ga元素或者B與Ga化合物有關(guān)；Ga摻雜或部分Ga摻雜所帶來(lái)的收益是被普遍認(rèn)可的。圖三展示了 由電致衰減(CID)測(cè)得的經(jīng)過(guò)質(zhì)量 控制的和普通的多晶硅硅 片之間在多晶硅PERC組件衰減 方 面的巨 大差異。

 

　　燒結(jié)溫度對(duì)衰減的顯著影響已經(jīng)被 廣泛認(rèn)識(shí)到[11,12]。降低燒結(jié) 工藝時(shí)的峰值溫度或減緩冷卻速度都有助于 大幅降低衰減速率。已經(jīng)有許多 文章提出了 解釋這些發(fā)現(xiàn)的理 論[11-14]；其中的解釋包括降低燒結(jié)溫度將抑制缺陷的形成同時(shí)/或者改變多晶硅硅錠中氫的含量 。

 

　　降低多晶硅PERC電池衰減速率的關(guān)鍵因素在于提升恢復(fù)工藝。 用于分解導(dǎo)致LID的缺陷中心的恢復(fù) 工藝包括過(guò)剩載流子注入、恰當(dāng)?shù)臏囟群统掷m(xù)時(shí)間[15]。通常，使用鹵素?zé)?、LED或激光來(lái)進(jìn)行單晶硅PERC的光致恢復(fù)(LIR)操作；然 而， 工業(yè)LIR工藝并不適用于多晶硅PERC。 而CSI使用了合適的CIR工藝；相 比于LIR，CIR有著諸多優(yōu)勢(shì)，例如更寬的工藝窗 口，更高的產(chǎn)能，更低耗電和更 低的成本。通過(guò)使用CIR工藝，衰減速率可以降低80%。

 

　　圖四顯示了 由CID測(cè)試所得的，經(jīng)過(guò)CIR處理 后降低的衰減速率與未經(jīng)過(guò)CIR處理 的衰減速率之間的關(guān)系。從圖中可以看到，多晶硅PERC電池在未經(jīng)過(guò)CIR處理 時(shí)CIDw/o CIR 的衰減速率越高，反應(yīng)在降低衰減速率上的緩解系數(shù)CIDw/o CIR-CIDCIR就越大。有趣的是，CIDw/o CIR-CIDCIR和CIDw/o CIR之間存在擬線(xiàn)性關(guān)系，表明CIR 工藝有效地鈍化了 導(dǎo)致LID的缺陷中 心。不僅如此，我們還可以看到來(lái) 自某些供應(yīng)商(供應(yīng)商1到4)的硅 片質(zhì)量 并不令人滿(mǎn)意，在沒(méi)有經(jīng)過(guò)CIR處理 的情況下衰減速率非常高。這再一次表明控制硅錠和硅 片材料 質(zhì)量 對(duì) 生產(chǎn)LID可控的多晶硅PERC電池的重要性。

 

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　　圖四：CIR 工藝的LID衰減率。

 

　　控制多晶硅PERC電池LID 比單晶硅PERC更 具有挑戰(zhàn)性的原因主要是多晶硅硅 片的質(zhì)量 波動(dòng)更大[6]。盡管已經(jīng)采取了創(chuàng)新步驟來(lái)控制多晶硅錠的雜質(zhì)濃度，仍然有必要增強(qiáng)線(xiàn)上的控制；這除了推進(jìn)工藝優(yōu)化之外，還需要對(duì)電池層面上的衰減速率進(jìn)行更加嚴(yán)密的監(jiān)控。

 

　　通常硅太陽(yáng)能電池LID是通過(guò)光浸潤(rùn)測(cè)試的；然而，該技術(shù)存在一定缺陷，例 如測(cè)試時(shí)間太 長(zhǎng)(通常為24-72 小時(shí))、硅 片溫度控制不精確同時(shí)限制了 樣品數(shù)量 。為了測(cè)試多晶硅PERC電池的LID性能，CSI使用CID 方法，有以下幾種優(yōu)勢(shì)，如表格二所示。

 

　　表格二描繪了 CID 方法的設(shè)置。CID 方法的參數(shù)為前置偏壓注入電流、硅片溫度和時(shí)間。這些參數(shù)是經(jīng)過(guò)大范圍的實(shí)驗(yàn)評(píng)估仔細(xì)挑選出來(lái)的，以盡可能反應(yīng)PERC電池的衰減速率。實(shí)際上，如果將注入電流和硅片溫度參數(shù)設(shè)置為特定值會(huì)導(dǎo)致恢復(fù)占主要的效應(yīng)，那么就是CIR 工藝；相反，如果是更 低的注 入電流和硅 片溫度導(dǎo)致恢復(fù)占主要的效應(yīng)，那么就是CID工藝。所選擇的CID參數(shù)為3.5A，105℃以及4小時(shí)，相當(dāng)于在1,000W/m2光浸潤(rùn)下的測(cè)試LID；此外，取樣 比例 等于每條電池產(chǎn)線(xiàn) 里 總電池?cái)?shù)量 的0.08%。這 一策略 的使 用將帶來(lái)多晶硅PERC電池良好的CID控制，低至1%。

 

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　　表二：CID相對(duì)于LID在測(cè)試多晶硅電池衰減性能方面的優(yōu)勢(shì)。

 

　　對(duì)于組件衰減測(cè)試，CID 方法還被 用于替代室內(nèi)或室外光浸潤(rùn) 方法，采 用韓華Q-CELLS的設(shè)備和參數(shù)。圖五顯示了 多晶硅PERC組件和傳統(tǒng)多晶硅組件之間CID衰減的對(duì) 比。該圖表明多晶硅PERC組件衰減速率的提升，相 比于傳統(tǒng)多晶硅組件。不 過(guò)，在300 小時(shí)后，多晶硅PERC組件穩(wěn)定性衰減速率，證明 比 高達(dá)500 小時(shí)的低1.5%；這相當(dāng)于兩年 的戶(hù)外熱環(huán)境測(cè)試，韓華Q-CELLS報(bào)道[16]。

 

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　　圖五：CID測(cè)試下CSI多晶硅組件的性能。

 

　　所有電池和組件衰減結(jié)果表明，在實(shí) 行 幾項(xiàng)創(chuàng)新步驟之后，CSI多晶硅PERC電池和組件的LID現(xiàn)象可以被成功控制。

 

　　未來(lái)藍(lán)圖

 

　　CSI致力于生產(chǎn)高效多晶硅電池和組件。在2017年里CSI技術(shù)和產(chǎn)品都實(shí)現(xiàn)了快速的演進(jìn)，并預(yù)計(jì)在2018年仍將持續(xù)，如圖六所示。到了2017年第三季度，傳統(tǒng)P2(砂漿切割硅片和酸制絨)將被淘汰，并全面升級(jí) 至P3( 金 剛 石切割硅 片和 黑硅制絨)，總產(chǎn)能 高達(dá)4.5GW。此外，從2017的第三季度，P4( 金 剛 石切割硅 片、 黑硅制絨和多晶PERC)將要引入，到2018年 產(chǎn)能將超過(guò)4GW。下 一代 高效多晶硅產(chǎn)品P5將從2018的第三季度開(kāi)始，并將逐漸獲得更 大的市場(chǎng)份額。

 

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　　圖六：CSI 高效多晶硅產(chǎn)品的技術(shù)演進(jìn)：P2(傳統(tǒng)漿料 )、P3(MCCE+DWS)、P4(多晶硅PERC)、P5(下 一代多晶硅)。

 

　　在現(xiàn)有平均效率超過(guò)20%的P4產(chǎn)品基礎(chǔ)上，下 一步將整合先進(jìn)技術(shù)(包括雙 面發(fā)電、選擇性發(fā)射極、多主柵和漿料優(yōu)化等) 至P4+，使效率提升至20.6%。再往下 走的 目標(biāo)是提升 至下 一代硅 片技術(shù)P5，效率提升至21.5%，并最終在P5+階段提升至22%。

 

　　總結(jié)

 

　　通過(guò)材料 、電池工藝、先進(jìn)恢復(fù)和增強(qiáng)線(xiàn)上工藝控制的創(chuàng)新，CSI已經(jīng)成功證明了 LID可控多晶硅PERC電池和組件能實(shí)現(xiàn)GW級(jí)的生產(chǎn)。多晶硅PERC技術(shù)是 高效多晶硅產(chǎn)品必備的技術(shù)，才能與高產(chǎn)能的單晶硅產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)。為了進(jìn)一步提升競(jìng)爭(zhēng)力 ，通過(guò)雙面多晶硅PERC以及先進(jìn)技術(shù)的整合來(lái)進(jìn)一步推動(dòng)效率至更高，是非常有必要的。