摘要
为了提高局域背接触太阳电池的电性能，研究了铝粉物性(氧含量、粒径)对局域背接触太阳电池背场铝浆性能的影响，探究了烧结工艺对局域背接触太阳电池填充率、铝背场厚度和电性能的影响。结果表明：低氧含量铝粉和小粒径铝粉活性较高，铝粉和玻璃粉的反应温度较低，铝硅原子间扩散程度较大，可获得较厚的铝背场和较低的填充率;适中的烧结温度能够平衡填充率和铝背场厚度，峰值烧结温度为778.6℃时，填充率达到62.35%，铝背场厚4μm左右，转化效率最高，达到21.16%.
和传统太阳电池一样， 局域背接触(passivatedemitter and rear contact， PERC)太阳电池背面也采用全面印刷铝背场结构， 但PERC 电池背面采用钝化膜钝化后再通过激光开槽的方法形成局域接触结构， 其钝化膜可以降低接触电阻， 提高转化效率[1-3]. 大量研究表明， PERC 电池的电性能主要与原材料的种类、原材料的制备工艺、导电浆料配方及电池片的制备工艺等因素有关[4-8]. 而背面用导电铝浆是PERC 太阳电池的核心材料， 铝粉作为铝浆的主要原材料之一， 其本身的性质对PERC 电池有直接影响[9].
不少学者对铝粉粒径和烧结工艺对铝浆性能的影响作了相关研究。 如：邢云[10]研究了铝粉粒径对传统铝浆性能的影响， 发现当粗细铝粉分布适当时， 转化效率较高。 张海珠等[11]讨论了铝粉粒径分布对单晶硅太阳能电池的影响， 当粗粉含量为71%时， 电池片接触电阻较小， 表面性能良好。 Dressler等[12]探讨了烧结时间对空洞形成的影响， 结果发现， 在峰值烧结温度不变的情况下， 延长升温时间会使空洞明显减少， 而仅延长降温时间， 空洞数量无明显变化。 Chen 等[13]通过协调局域接触点尺寸、局域接触点间隔和烧结工艺， 实现了100%填充率。
由上述研究结果可知， PERC 电池的性能和铝粉及烧结工艺等因素息息相关。 然而对于铝粉物性和烧结工艺对填充率、铝背场(back surface field，BSF)厚度和电性能之间的关系尚缺少相关研究。 鉴于此， 本文主要研究铝粉氧含量和粒径对铝浆活性的影响， 探究不同烧结工艺下PERC 铝浆对电池片填充率、BSF 厚度和电性能的影响。
1 实验部分
1.1 实验设备及原料
HSH2503-0510Z 型红外快烧网带炉， 合肥恒力电子装备公司;BT-9300ST 激光粒度分析仪， 丹东百特仪器有限公司;ONH-2000 氧氮氢分析仪，德国ELTRA 公司;SDT Q600 型同步热分析仪， 美国TA 公司;MV2100 金相显微镜， 无锡礼之鑫机械科技有限公司;PEL-01 型光致电致发光一体机， 苏州旭环光伏科技有限公司;JSM-6510 扫描电子显微镜， 日本电子公司;VS-6821S 稳态式太阳模拟器，新加坡维信科技有限公司。高纯球形铝粉(纯度≥99.9%)：氧含量分别为0.42%~0.55%、0.57%~0.60%和0.61%~0.70%; 中位径(D50)分别为1.5， 4.5， 10 μm. 玻璃粉为自制。松油醇、丁基卡必醇、丁基卡必醇醋酸酯、乙二醇丁醚、乙基纤维素、氢化蓖麻油， 以及其他助剂，所有试剂均为分析纯。
1.2 铝浆制备
1)将松油醇、丁基卡必醇、丁基卡必醇醋酸酯、乙二醇丁醚、乙基纤维素、氢化蓖麻油及其他助剂按比例混合， 加热搅拌至完全溶解， 得到淡黄色溶液作为有机载体。
2)将铝粉、玻璃粉和有机载体按比例混合， 先用离心机分散， 再用三辊研磨机分散研磨均匀， 得到一定黏度的铝浆。 用粒径相同， 氧含量分别为0.42%~0.55%、0.57%~0.60%和0.61%~0.70%的铝粉制备的3 款铝浆样品对应编号分别为A1、A2、A3;用氧含量在0.50%~0.60%范围内， D50分别为1.5，4.5， 10 μm 铝粉制备的4 款铝浆样品编号为B1、B2、B3、B4， 铝粉配比情况见表1.
1.3 电池片的制备
用印刷机分别将A1、A2、A3、B1、B2、B3、B4 铝浆印刷在尺寸为156 mm × 156 mm 的单晶钝化片上， 在烘箱中以200 ℃干燥3 min， 通过红外快烧网带炉烧结， 共制备7 个电池片样品。在其他条件均一致的条件下， 仅调整网带炉的后两区温度， 即分别在690~850， 720~880， 750~910 ℃下烧结B4 铝浆印刷的单晶钝化片， 共制备3个电池片样品。
1.4 检测部分
用同步热分析仪表征铝浆活性;采用金相显微镜表征PERC 电池片的填充率[14]， 测试结果均为平均值;用光致电致发光一体机表征空洞和电池片缺陷情况; 通过扫描电子显微镜表征BSF 形貌和厚度， 厚度测试结果为平均值; 利用稳态式太阳模拟器测试PERC 电池片的电性能。
2 结果与讨论
根据柯肯达尔效应， 高温烧结过程中， 硅基底中的硅向铝层扩散的速度比铝层中的铝向硅基底扩散的速度快， 在温度降到共晶温度时， 若扩散到铝层中的硅无法及时扩散回局域接触处， 则易导致空洞的形成， 从而影响PERC 电池的电性能[15]. 空洞的产生和铝粉特性及烧结工艺等因素密切相关。
对PERC 电池背场进行切割， 通过SEM 观察发现， 背场局域开槽截面存在填充饱满和空洞两种情况， 如图1 所示， 两种局域填充形式均具有明显的铝掺杂层。 BSF 厚度和铝硅合金对PERC 电池的电性能均有影响。
2.1 铝粉物性对PERC 电池性能的影响
图2 为铝浆样品的DSC 图， 曲线中的峰值温度为铝粉和玻璃粉的反应温度， 若在较低的温度下玻璃粉就能够与铝粉氧化层开始反应， 则说明铝粉的活性较高。 对A1、A2、A3 铝浆样品进行DSC 分析， 吸热峰温度分别为655.76， 657.44， 658.44 ℃.吸热峰温度随铝粉氧含量的增加而升高， 表明铝粉活性下降。
图3(a)显示了不同氧含量铝浆对PERC 电池性能的影响。 从图中可以看出， 随铝粉氧含量增加，BSF 厚度减小， 填充率上升。 这是因为铝粉氧含量的增加， 导致铝粉活性下降。 活性高的铝粉， 在同种烧结工艺下， 氧化层更容易被玻璃粉溶解， 硅铝间的相互扩散作用更强， 因此容易形成较厚的BSF层， 但同时也会造成局域开槽线处的铝浆流失， 由于没有足够的铝与硅形成硅铝合金， 导致空洞增加、填充率下降。
选用同一烧结工艺对B1、B2、B3、B4 铝浆进行烧结， 测试BSF 厚度和填充率， 测试结果如图3(b)所示。 从图中可以看出， 随着铝粉粒径的增大， 铝浆的填充率明显提高。 粒径小的铝粉比表面积大，活性高， 暴露在表面的相对不稳定原子多， 在升温阶段易熔融， 铝原子向硅基底扩散较容易发生， 与此同时， 硅也更倾向于向铝层中扩散;在冷却阶段，铝层中的硅不能及时扩散回局域接触区， 从而形成空洞。 相反， 粒径大的铝粉在同样的烧结工艺下，硅铝间的相互扩散程度会降低， 增大了硅及时扩散回局域接触区的可能性， 保证了大粒径铝粉的高填充率。 铝浆样品B1 具有较厚的BSF 层， 比铝浆样品B2、B3 所获得的BSF 厚1~2 μm， 也说明了粒径小的铝粉在高温烧结时由于活性高， 向硅基底的扩散速率快。
根据上述实验结果可知， 铝浆样品B1 烧结后填充率低、BSF 厚;B3 烧结后具有填充率高、BSF 较薄的特点; 相对而言， B2 各方面性能均一般; 而对1.5， 4.5， 10 μm 3 种不同粒径的铝粉进行搭配使用，不仅能获得较高的填充率和较厚的BSF 层， 还有利于颗粒间的相互填充， 从而形成更致密的导电网络。
2.2 烧结工艺对PERC 电池性能的影响
在对铝粉氧含量和粒径进行优选之后， 进行快烧快退烧结工艺的优化， 仅改变五温区网带炉的后两区温度， 设计3 种烧结工艺(工艺1：550~530~630~690~850 ℃~2 800 mm/min; 工艺2：550~530~630~720~880 ℃~2 800 mm/ min ; 工艺3 ： 550 ~530 ~ 630 ~ 750 ~ 910 ℃~ 2 800 mm/min)对B4 铝浆制备的电池片进行烧结， 同时对温度变化进行监控， 烧结过程温度变化曲线如图4 所示。 根据温度变化曲线可以获得3 种烧结工艺的峰值温度分别为744.8、778.6 和817.9 ℃.
不同峰值温度下B4 铝浆填充率如图5 所示。
随着烧结峰值温度升高， 填充率呈下降趋势。 这是由于温度越高， 烧结驱动力越大， 硅铝间的扩散程度更剧烈， 增大了空洞的形成机率， 同时也获得了更厚的BSF 层。
图6 为不同峰值温度下PERC 电池的EL 图。 图6(a)表面光洁， 几乎无黑点， 表现为填充率高的特点;图6(b)有少量黑点， 整体填充性良好;图6(c)在高温烧结下， 电池片填充率﹤50%， EL 图中有大量黑点出现， 表明背表面局域接触区产生大量空洞。
表2 是不同峰值温度下PERC 电池的电性能数据。 随峰值温度升高， 开路电压(Voc)、短路电流(Isc)和串联电阻(Rs)整体基本呈升高趋势， 但填充因子(FF)和转化效率(Eff)均先增大后急剧减小，这是由烧结温度过高、电池片填充率很低造成的。 因此， 在550~530~630~720~880 ℃~2 800 mm/min 工艺下进行烧结， 可获得良好的电性能。
3 结论
1)以氧含量分别为0.42%~0.55%、0.57%~0.60%和0.61%~0.70%的铝粉制备铝浆， 在相同条件下制备PERC 电池片， 氧含量低的铝浆活性高， 铝粉和玻璃粉在较低的温度下开始反应， 铝硅扩散程度较大， BSF 厚， 填充率低;氧含量高的铝浆情况相反。
2)用D50为1.5， 4.5， 10 μm 的铝粉制备PERC 铝浆， 随着粒径增大， 铝浆活性降低， 填充率提高，BSF 厚度下降。 粗细铝粉搭配使用能解决单一粒径铝粉易产生的缺陷。
3)烧结温度过高时， 填充率低， 电性能差;峰值烧结温度由744.8 ℃升高至778.6 ℃时， BSF 厚度提高1.5 μm 左右， 电性能明显提升， 光电转化效率提高0.05%， Voc提高1.6 mV.
陈瑾1， 朱鹏1*， 何会子2
(1. 南通大学化学化工学院;2.南通天盛新能源股份有限公司)
南通大学学报
索比光伏网 https://news.solarbe.com/201810/31/297876.html
