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可用于大规模量产的新型双面铜镀膜技术, 王璐博士团队最新WILEY发文
日期:2024-11-11
在光伏行业中,降低产品的 “碳足迹” 至关重要。铜在碳排放和成本方面优于银,因此用镀铜触点替代银浆触点是太阳能电池金属化技术的发展趋势。与金属银相比,铜具有低排放和低成本的特点,能有效降低碳足迹。
不同金属产出的温室气体排放分配情况
基于不同定义方法的温室气体排放在不同产出金属中的分配
图中比较了铜和银在不同分配条件下的碳足迹。结果显示,在所有四种分配条件下,铜的碳足迹都小于银。这表明在光伏产业中,使用铜作为金属化材料相比于银可以更有效地减少碳排放。
太阳能电池结构
具有双面镍/铜金属化的 TOPCon 太阳能电池的示意图
正面结构:
纹理化:使用 NaOH 碱性溶液与硅衬底反应,形成高度约为 3μm 的均匀金字塔结构。这种纹理化结构可以有效减少光的反射,增加光在电池内部的吸收路径,从而提高光的利用率。例如,当光线照射到金字塔结构表面时,会发生多次反射,使得更多的光能够被硅材料吸收并转化为电能。
钝化:先沉积 3nm 的 AlOx 层(通过 ALD 方法),再沉积 80nm 折射率为 1.93 的 SiNx 层(通过 PECVD 方法)作为减反射涂层。AlOx 层和 SiNx 层的钝化作用可以降低硅表面的悬挂键,减少表面复合,提高少数载流子寿命,进而提升电池的开路电压和转换效率。
金属化:Cu 金属化层厚度超过 5μm,为电池提供良好的导电性,确保光生载流子能够有效地收集和传输到外部电路,减少电阻损耗,提高电池的填充因子。
背面结构
隧穿氧化层:沉积 2nm 的超薄隧穿氧化层(通过 PEALD 方法),该层允许多数载流子通过的同时阻碍少数载流子,有助于提高电池的钝化效果,减少背面的载流子复合,从而提升电池的性能。
多晶硅层:制备约 85nm 的磷掺杂多晶硅,先通过 PECVD 沉积磷掺杂非晶硅,再退火形成多晶硅,其背面方块电阻约为 50Ω/sq。多晶硅层在电池中起到钝化和载流子传输的作用,能够进一步提高电池的转换效率。
钝化与金属化:PECVD 沉积 82nm 折射率为 2.18 的 SiNx 层进行钝化,背面介质层开口约为 16μm,通过光诱导电镀方式进行 Ni/Cu 电镀。SiNx 层的钝化作用与正面类似,而光诱导电镀的 Ni/Cu 金属化则为电池背面提供良好的导电性能,保证载流子的有效收集和传输。
激光图案化工艺
太阳能电池在经过激光刻蚀过程后的表面图像
激光消融宽度:从图中可以清晰地看到,激光消融区域呈现出一定的宽度,约为 10μm。这个宽度对于太阳能电池的制造来说是一个关键参数,因为它直接关系到后续金属化过程中电极栅线的宽度。
SiNx 层去除效果:SEM 图像显示,太阳能电池表面的SiNx层被超快激光完美去除,而原始的金字塔结构仍然保留。这表明激光刻蚀过程对硅基底的损伤很小,有利于后续的金属化过程。
通过显微镜图像和SEM图像展示了激光刻蚀过程对太阳能电池表面的影响,强调了激光刻蚀在太阳能电池金属化过程中的重要性和有效性。
水平双面电镀(HDPLATE)金属化设备
低破碎率:与其他电镀方法相比,HDPLATE 不需要夹持硅片,这一特点使其具有低破碎率的优势。传统的夹持方式可能会对硅片造成机械应力,导致硅片破碎,而 HDPLATE 避免了这种情况的发生,提高了生产过程中的成品率,降低了生产成本。
良好的导电效果:HDPLATE 具有独特的导电装置,从而具备了优秀的导电效果。良好的导电效果可以确保在电镀过程中电流均匀分布在硅片表面,使金属镀层均匀生长,从而提高电池的一致性和可靠性,同时也有助于保护太阳能电池不受损坏。
可回收水系统:设备配备了可回收水系统,用于回收电镀溶液,使其能够连续循环使用而无需更换。这一设计不仅节约了资源,减少了电镀溶液的消耗,降低了生产成本,而且符合绿色生产的理念。
太阳能电池的制备
制造TOPCon太阳能电池的七个主要步骤,从表面纹理化到双面包覆Ni/Cu金属化和烧结,每个步骤都对电池的性能有重要影响。
1.前表面纹理处理
2.通过扩散形成 P+ 层;
3.在背面制备隧道层和多晶硅层;
4.在前表面镀覆氧化铝(AIOx)和氮化硅(SiNx);
5.在背面涂覆氮化硅(SiNx);
6.激光开槽和高温修复(T=750℃,t=30 秒);
7.双面Ni/Cu金属化和烧结
这个制备过程中的每个步骤相互配合、协同作用,从硅片的初始处理到正面和背面结构的构建,再到最后的金属化和烧结,全方位地优化了太阳能电池的性能。通过精确控制各层的厚度、浓度、结构等参数,以及合理安排各工艺步骤,最终实现了双面 Ni/Cu 金属化 TOPCon 太阳能电池的高效光电转换,为大规模生产高性能太阳能电池提供了可靠的技术方案。
太阳能电池性能测试与分析
拉伸测试
进行了拉伸测试以确保太阳能电池的导电栅线满足机械强度标准,防止在使用过程中发生断裂。
测试结果显示,采用电镀工艺的太阳能电池栅线能够承受超过规定的0.8 N的力,合格率达到100%,表明电镀工艺生产的栅线在机械强度上是合格的,并且与传统丝网印刷工艺相比,平均拉伸力更高,显示了电镀工艺的可靠性。
Ni/Cu接触
SEM图像
通过SEM图像观察,Ni/Cu金属化后的手指宽度仅为17.6微米,相较于传统丝网印刷技术大幅减少。这种细化的手指结构不仅可以减少遮光区域,还能降低串联电阻,从而显著提高光电转换效率。
高温修复
研究中使用了水平双面包覆Ni/Cu金属化工艺,并辅以高温修复,以提高太阳能电池的电气性能。
高温修复后的太阳能电池效率分布更集中,整体效率比未进行高温修复的提高了0.422%,表明高温修复是一个必要的工艺步骤。
电气性能
镍/铜金属化的电性能分布
使用I-V测试设备进行测试,测试条件为AM1.5G,1000 W/m²,25°C。测试结果显示,采用激光刻蚀和Ni/Cu金属化的太阳能电池具有出色的电气性能分布,表明水平双面包覆Ni/Cu镀膜技术的效果优秀。
接触电阻和网格电阻
接触电阻:
Ni/Cu金属化的接触电阻为0.71 mΩ·cm²,而Ag/Al丝网印刷的接触电阻为1.53 mΩ·cm²。这表明Ni/Cu金属化技术具有更低的接触电阻,这意味着在金属和硅基底之间的电阻较小,有利于提高电流传输效率。
网格电阻:
在网格电阻方面,Ni/Cu金属化的值为1.75 × 10⁻³ mΩ/cm,而Ag/Al丝网印刷的值为5 × 10⁻³ mΩ/cm。Ni/Cu金属化技术的网格电阻更低,这有助于减少太阳能电池的串联电阻,从而提高电池的整体效率。
iVoc的影响(Effects on iVoc)
太阳能电池iVoc的影响
太阳能电池经过双面硅氮化物钝化后,iVoc约为750 mV,激光刻蚀和Ni/Cu金属化后,iVoc降低到约719 mV。
光电转换效率(Efficiency):Ni/Cu金属化电池的平均效率为26.259%,而Ag/Al丝网印刷电池的平均效率为26.117%。这表明Ni/Cu金属化技术在提高电池效率方面与传统的Ag/Al丝网印刷技术相当,甚至略有优势。
开路电压(Uoc):Ni/Cu金属化电池的开路电压为0.7182 V,而Ag/Al丝网印刷电池的开路电压为0.7239 V。尽管Ni/Cu金属化电池的开路电压略低于Ag/Al丝网印刷电池,但差异不大。
短路电流(Isc):两种技术的短路电流相近,Ni/Cu金属化电池为18.82 A,Ag/Al丝网印刷电池为18.80 A。这表明两种技术在收集光生载流子方面表现相似。
填充因子(FF):Ni/Cu金属化电池的填充因子为85.66%,而Ag/Al丝网印刷电池的填充因子为84.63%。Ni/Cu金属化电池的填充因子略高,这可能是由于其更低的接触和网格电阻导致的。
光致发光(PL)图像分析
前后表面激光刻蚀前后的光致发光(PL)图像
光致发光(PL)成像原理:PL成像是一种用于评估半导体材料和太阳能电池内部缺陷的技术。通过测量从电池表面发出的光量,可以识别材料中的重组中心和缺陷。
激光刻蚀对PL的影响:展示了激光刻蚀前后前后表面的PL图像灰度值变化。激光刻蚀用于去除表面的SiNx层,以便进行金属化。
前表面PL变化:显示了激光刻蚀后前表面的PL灰度值明显下降。这表明激光刻蚀后,前表面的重组活动增加,可能是由于激光刻蚀引入的表面损伤或缺陷。
后表面PL变化:显示了激光刻蚀后后表面的PL灰度值变化较小。这可能表明后表面的多晶硅层对激光刻蚀有保护作用,减少了表面损伤。
水平双面铜金属化技术在太阳能电池制造领域展现出巨大潜力。通过对 TOPCon 太阳能电池的研究,我们看到该技术在提升电池性能方面的显著优势,包括提高光电转换效率、降低串联电阻、增强电极可靠性等,为太阳能电池的大规模生产提供了一种新的、有效的金属化方法。
美能TLM接触电阻率测试仪
联系电话:400 008 6690
美能TLM接触电阻测试仪所具备接触电阻率测试功能,可实现快速、灵活、精准检测。
n 静态测试重复性≤1%,动态测试重复性≤3%
n 线电阻测量精度可达5%或0.1Ω/cm
n 接触电阻率测试与线电阻测试随意切换
n 定制多种探测头进行测量和分析
随着太阳能电池技术的不断进步,对金属化工艺的精确控制和性能评估变得尤为重要。美能TLM接触电阻测试仪作为一种先进的测试工具,为太阳能电池制造商提供了一种高效、准确的测量方法,用以评估金属化层与硅基底之间的接触电阻。
原文出处:A Horizontal Double-Sided Copper Metallization Technology Designed for Solar Cell Mass-Production;https://doi.org/10.1002/pip.3863