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多分片提效工艺:钝化边缘技术(PET)及其IV性能表征
日期:2026-05-13浏览量:15
叠瓦太阳能电池通过消除片间距和减少遮光损失,可有效提升组件的输出功率密度。然而,这类电池通常从金属化后的母片上分离得到,分离过程会在边缘引入复合中心,导致填充因子和开路电压下降,且该问题在小尺寸电池中尤为突出。现有的一些边缘钝化方法或需要复杂的金属化前工艺,或涉及难以工业化实施的化学处理步骤。
本文提出一种金属化后“钝化边缘技术”(PET):通过热原子层沉积氧化铝薄膜并结合低温退火,对分离后的电池边缘进行钝化处理。研究表明,该技术能显著降低边缘有效表面复合速度,当与热激光分离(TLS)工艺配合使用时,可使伪填充因子恢复分离损失的一半以上,最终实现更高的电池输出功率密度,且无需改变前道生产工艺,便于工业化集成。
电池结构与制备
(a) 双面 pSPEER 太阳能电池的示意截面图(b) 经过PET处理后,pSPEERPET太阳能电池在整个电池表面,尤其是分离边缘(绿色层),增加了一层金属化后沉积的介电钝化层
未处理时,分离边缘仅有一层自然生长的二氧化硅,复合严重。PET通过在边缘沉积介电钝化层(氧化铝)来降低有效表面复合速度。采用热原子层沉积(ALD)氧化铝,其优点包括:保形性好、能提供化学钝化和场效应钝化、薄膜透明(5–15 nm)、低温退火(<225°C)避免金属接触退化。
pSPEERPET 太阳能电池的制备工艺流程
使用工业6英寸镓掺杂直拉硅PERC前驱体(基区电阻率0.3–0.9 Ω·cm)。正面磷发射极由氮化硅钝化,背面由氧化铝/氮化硅叠层钝化。
(a)工业6英寸 PERC 前驱体的正面和背面扫描图像(b)已完成金属化的母片晶圆及其金属化图形,可从中分离出六个电池(c)激光辅助分离后的pSPEER电池,尺寸为22 mm×148 m(d) 经LSMC工艺分离的电池边缘SEM图像。激光划片引起的粗糙区域约占厚度三分之一(e) 经TLS工艺分离的电池边缘SEM图像,由于整个裂片过程为热学裂片,边缘非常光滑
工艺从激光接触开孔开始,依次印刷背面银主栅、背面铝栅线、正面银栅线,然后快速烧结。每个母片设计为可分离出6个22 mm × 148 mm的叠瓦电池。分离采用LSMC或TLS。
LSMC:纳秒红外脉冲激光划片约1/3厚度,然后机械裂片,边缘粗糙。
TLS:先用脉冲激光产生0.5–1 mm的初始裂纹,再用连续激光配合水/空气冷却热致裂开,边缘光滑。
表征方法
(a)分离前对母片晶圆进行Suns-Voc测量时的接触位置示意图(b)对叠瓦电池主栅上相同五个位置的接触方式
采用Suns-Voc测量,提取1000 W/m²下的pFF和Voc,以避免串联电阻干扰。每个母片和每个分离电池均在主栅上五个相同位置测量。此外,在标准测试条件下进行光照IV测试(正面和背面分别测量)。
PET实验方案
用于研究 PET 对分离电池影响的实验流程及表征步骤
PET 沉积过程中,FlexAL 反应器内三个叠瓦电池、一个椭偏仪测量样品以及间隔片的俯视示意图
为观察分离及PET效果,LSMC电池在沉积前6小时分离;TLS电池分两组,分别在沉积前6小时和19小时分离,以研究等待时间的影响。沉积氧化铝厚度为7 nm或14 nm,使用间隔片保证背面也沉积。沉积后进行低于225°C的热板退火。同时设置未沉积的对照电池。对TLS分离电池在PET后73、99、167小时重复测量以评估钝化稳定性。
另外,制备对称寿命样品(n型区熔硅,厚200 μm,涂覆7 nm氧化铝),通过准稳态光电导(QSSPC)测量有效表面复合速度。
钝化对载流子寿命的影响
对称n型区熔硅寿命样品的少数载流子寿命τeff随过剩载流子密度Δn变化的QSSPC测量结果
QSSPC结果显示,退火后寿命样品在Δn=10¹⁵ cm⁻³处的有效寿命为432 μs,对应有效表面复合速度Seff=22 cm/s,表明该方法能获得良好的钝化效果。
Suns-Voc结果
母片晶圆、分离后、刚沉积后以及退火后的Suns-VOC测量结果
母片平均Voc=669 mV,各步骤后Voc变化很小(±2 mV),因此重点分析pFF。
从母片到分离后,LSMC和TLS均导致pFF下降约1.2%(绝对值),源于边缘复合。
沉积氧化铝后,pFF开始回升。TLS电池从分离态到刚沉积态提升0.4%(绝对值)。
退火后,TLS电池再提升0.4%(绝对值),归因于钝化层激活。未沉积的对照电池退火后也有轻微提升(可能因自然氧化硅生长)。
总体来看,TLS+PET使pFF绝对值提高0.7%,恢复了50%的分离损失;LSMC+PET仅提高0.3%,恢复约16%。表明TLS的光滑边缘更有利于PET效果。
通过Suns-VOC测量获得的TLS分离电池在PET处理前后的pFF值
稳定性测试:涂覆14 nm氧化铝的电池在167小时内pFF几乎不变;7 nm或无涂层的电池随时间退化。
IV 测量结果
基于上述结果,优选TLS+PET制备电池进行IV测试,并与未做PET的LSMC分离电池对比。
TLS+PET电池(正面):效率22.1%,VₒC=669 mV,FF=81.4%,jsc,des=40.5 mA/cm²,pFF=83.2%,串联电阻0.38 Ω·cm²(表明金属接触未退化)。
LSMC无PET电池(正面):效率21.7%,FF=80.9%,pFF=82.4%。
背面测量:TLS+PET电池背面效率14.7%,比无PET的LSMC电池(14.4%)高0.3%。两者背面串联电阻均为0.35 Ω·cm²。
考虑背面10%额外辐照,TLS+PET电池输出功率密度为23.5 mW/cm²,比无PET的LSMC电池高0.4 mW/cm²。
这些结果证明PET有效提升了分离电池的效率,且无需修改金属化前工艺。
本文提出的金属化后钝化边缘技术(PET)结合热原子层沉积氧化铝和低温退火,能显著降低分离边缘复合。TLS分离提供光滑边缘,更利于PET效果;LSMC分离边缘粗糙,PET效果稍弱。TLS+PET使pFF提升0.7%(绝对值),恢复一半分离损失,且14 nm氧化铝钝化在167小时内保持稳定。最佳电池正面效率达22.1%,考虑背面10%辐照后输出功率密度为23.5 mW/cm²,比未钝化电池高0.4 mW/cm²。该技术无需改变前道工艺,便于工业集成。
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