PERC背银浆烧蚀性检测方法研究

张瑶瑶;吴斌;刘子英;徐建伟;王小记;张文静

【摘 要】本文对比了电极金属化过程对钝化层烧蚀程度的多种检测方法,并通过显微镜观测钝化层颜色以及形貌的方式来判断电极对钝化层是否烧穿并且统计烧穿点数量和烧穿面积.通过碱洗处理电池片的方法,可以得到更为直观判定结果.本文采用的检测方法能够便捷快速地判断钝化层烧蚀程度,排除了晶硅电池片制作过程多种因素对电性能的干扰,简化了检测过程,实验成本相比仪器分析明显降低,为今后PERC背银浆的配方改进提供简便的方法. 【期刊名称】《信息记录材料》 【年(卷),期】2019(020)004 【总页数】4页(P11-14)

【关键词】背钝化电池;背银浆;制绒;表面织构;碱洗 【作 者】张瑶瑶;吴斌;刘子英;徐建伟;王小记;张文静

【作者单位】乐凯胶片股份有限公司 河北 保定 071054;乐凯胶片股份有限公司 河北 保定 071054;乐凯胶片股份有限公司 河北 保定 071054;乐凯胶片股份有限公司 河北 保定 071054;乐凯胶片股份有限公司 河北 保定 071054;乐凯胶片股份有限公司 河北 保定 071054 【正文语种】中 文 【中图分类】TQ58

1 引言

钝化发射极与背面电池（PERC，Passivated Emitter and Rear Cell)，是一种新型太阳能电池，电池背面采用AlOx/SiNx或者SiOx/SiNx叠层膜钝化，既能有效减少少子复合，还可以起到背反射的作用，增加硅片对长波长光的吸收，进而提高电池效率。PERC电池背银浆必须具备不烧蚀或轻微烧蚀钝化层的特性，一旦电极位置出现烧穿钝化层的区域，在该区域出现“金属-半导体接触”，就会导致严重的少子复合现象，降低电池效率[1-5]。

在金属化过程中，玻璃组分不仅要良好的润湿钝化层并保证背银电极在钝化层上有一定的附着力，起到粘结作用；而且要能够促进银电极烧结过程的金属化，起到促进电极烧结作用。PERC背银浆须具备金属化过程中不烧蚀或轻微烧蚀钝化层的特性，严重的烧蚀会使电池效率降低。

金属化理想的状态如图1，此时电极在钝化层上有一定的反应深度，同时还没有对背钝化层有过度的烧蚀作用；图2则示意了电极对背钝化层的局部过度烧蚀情况。 图1 理想的背电极和钝化层结构示意图 图2 背电极下方钝化层局部烧穿示意图

目前常见的评估背电极与钝化层反应程度以及是否烧穿钝化层有以下几种分析方法。电致发光(Electroluminescent，简称EL）[6]，又可称电场发光，但是受限于电致发光缺陷检测仪[7]仅能观测对少子复合异常区域做0.5mm～16mm精度的扫描。光致发光光谱(Photoluminescence Spectroscopy，简称PL谱)[8]，分辨率高，可做薄层和微区分析，通常只能做定性分析，而不作定量分析。其他方法，如光诱导电流（LBIC，Light Beam Induced Current）[9]、显微共聚焦拉曼光谱仪等仪器价格昂贵。实际上，电极的金属层和玻璃熔融层存在不均匀现象，微观尺度的差异远小于仪器扫描精度。

此外，目前电池片生产线通过用HF，HNO3将电池片电极部位的金属及玻璃除去来观测钝化层的破坏程度[10-11]，此方法可粗略评估金属化过程对钝化层的破坏程度，但主要是定性说明。

为了解决上述技术问题，本文基于显微观测钝化层颜色变化的方法，参照单晶硅抛光工艺[12-15]建立一种钝化层烧穿点放大观测方法，以钝化层烧穿点作为“碱-硅”反应的起始点制作“抛光块”，借助“抛光块”晶面、形状、颜色与周围绒面的明显差异，显微镜目视计数单个视野中“抛光块”数量，用来判断钝化层烧穿点数量。该方法通过控制酸洗和碱抛光条件，能够选择性的放大钝化层烧穿点，有利于观察和判定，防止误判。

图3 不同刻蚀深度下的金字塔形貌[16] 2 实验

2.1 实验原料和仪器

实验原料：PERC单晶钝化硅片；PERC正银浆、铝浆、背银浆；NaOH，分析纯；H2SO4，分析纯；HF，分析纯；HNO3，分析纯。

实验仪器：Olympus BX51体视显微镜；电子天平，上平上仪；三辊机，常州自力化机；丝网印刷机，中国电子科技集团四十五所；链式烧结炉，Despatch；刮板细度计；扫描电子显微镜，Hitachi。 2.2 PERC电池片的制备

在156.75mm×156.75mm背钝化硅片背面，通过丝网印刷方式印刷电极随后将电池片烘干后烧结，烧结峰值温度为890℃，网带速度为6200mm·min-1。 2.3 电池性能测试

釆用太阳能电池分选仪进行太阳能电池片的电性能测试。测试的标准环境为地面用的太阳能电池测试标准：大气质量为AM1.5的时候的光谱分布，入射太阳辖照度为1000W·m-2，温度为25℃。

2.4 PERC电池片处理流程

将成品电池片用稀硫酸浸泡30min，水洗，除去背面铝电极；然后将除去背面铝电极的电池片用浓硝酸浸泡30min，水洗，除去背面银电极；接下来，将电池片在5%（质量分数）氢氟酸浸泡，水洗，除去背面银电极处的玻璃层；最后，将处理好的电池片置于60℃、10%（质量分数）的氢氧化钠溶液中反应。 2.5 PERC电池片钝化层观察

观察反应情况，取出清洗后进行显微观测，使用Olympus BX51体视显微镜拍照记录。

3 实验结果与讨论 3.1 电池性能测试结果

表1 电池性能Comment Uoc Isc FF Eta RserLfDf RserIEC891 Rsh IRev1 IRev2 PV56S 0.6491 9.2535 79.0974 19.5256 1.526 2.2563 123.84 0.0993 0.1433 BSP0196 0.6497 9.2567 79.1915 19.5734 1.548 2.2424 127.27 0.0934 0.1419 BSP0191 0.6472 9.2222 79.1597 19.4156 1.662 2.3223 77.83 0.1634 0.2285 实验选用三种背银浆，分别是杜邦PV56S、乐凯BSP0196、乐凯BSP0191。从表中可以得知，乐凯BSP0196所制得的电池片光电转化效率最高，高达19.5734%；杜邦PV56S为19.5256%，略低于乐凯BSP0196；乐凯BSP0191效率最低，为19.4156%。以此为背景，采用三种背银浆所制备的电池片进行后续实验。 3.2 氢氟酸处理

氢氟酸能与玻璃反应又能与钝化层SiNx反应，为了能全部去除玻璃层同时不破钝化层，实验中,对比0min、1min、3min、5min五个时间尺度的反应程度并确定最佳反应时间。

图 4 氢氟酸处理后显微照片

从图片中可以看出氢氟酸处理3min，显微观察M-SiNx（电极金属化过程中参与反应的SiNx）颜色未出现明显变化，此时玻璃层下的SiNx未受到明显破坏；同时SEM观测玻璃熔融层消失。我们选择氢氟酸处理3min为最佳反应时间，此时钝化层上覆盖的玻璃层已经反应去除，同时保留玻璃层下的原貌。 图 5 氢氟酸处理后SEM照片 2.3 氢氧化钠处理

常温下，氢氧化钠溶液与硅几乎不反应，首先我们在50℃，60℃，70℃，80℃四个温度下，针对氢氧化钠溶液与硅的反应速度进行实验，实验对比分别印刷杜邦PV56S，乐凯BSP0196背银浆的PERC单晶硅电池片样品，已知乐凯BSP0196样品电池效率要高于杜邦PV56S。通过预处理后的电池片在50℃，60℃，70℃，80℃四个温度下的氢氧化钠溶液进行实验实验进行25min。随着反应的进行，可以观察到电池片上印刷银电极的部位有气泡冒出，这是因为裸露的硅与氢氧化钠反应放出氢气，最后对硅片进行显微观测。从图中可知，随着硅与氢氧化钠反应时间的加长，观测到的局部的烧蚀点也越清晰，清晰可见“抛光块”结构；50℃下的样品无明显变化，80℃下反应过于强烈，金属化过程中未被烧蚀的氮化硅也遭到了破坏。乐凯样品与杜邦样品在烧结后对背面钝化层的腐蚀轻微，无明显差别；电性能数据显示，乐凯样品要好于杜邦样品。后续实验，为了更好的地控制反应的进程，我们选择在60℃下进行实验。 图 6 50℃显微照片 图7 60℃显微照片 图8 60℃显微照片

接下来分析乐凯不同配方样品在电极金属化过程对钝化层烧蚀程度，取乐凯BSP0196和乐凯BSP0191。将配置好的氢氧化钠溶液在60℃水浴锅中预热15min,将氢氟酸处理过的二种样品放入氢氧化钠溶液中,并计时。取反应分别进行

15min，18min，21min，25min时，取出电池片，用去离子水清洗后显微镜观察。从照片中可以清晰对比出二者差异，乐凯BSP0196样浆料对钝化层腐蚀轻，氮化硅能够阻止氢氧化钠溶液与硅反应，因而通过显微镜可以观测到较为完整的钝化层结构；明显地，乐凯BSP0191钝化层腐蚀严重时，氢氧化钠溶液与硅直接接触进行反应，通过显微观测可以明显看出腐蚀严重的部位。对比二者的电池效率，乐凯BSP0196的实验结果要明显好于对乐凯BSP0191。 图9 60℃、15min显微照片 图10 60℃、21min显微照片

图11为碱处理后硅片的扫描电子显微镜照片，图片显示了更加清晰可见“抛光块”结构，“抛光块”结构为呈明显的凹陷状，说明碱洗处理电池片方法的可靠性。 图11 60℃、21min扫描电子显微镜（SEM）照片 4 结论

在PERC背银浆研制过程中，如何能够简便快捷地判断出背银浆对钝化层的破坏程度，极为重要。为了清楚地观察钝化层的破坏程度，我们根据工业碱洗抛光电池片的工艺，采用氢氧化钠处理浸泡电池片，对钝化层完全破坏及严重破坏的部位进行抛光处理,然后进行显微观测。此种方法能够将氮化硅层局部的“薄弱”部位进行有效放大，降低主观因素的干扰,从而对钝化层的破坏程度进行简单、快捷、有效的评估。进一步，可以在一定程度上缩短实验周期，降低实验的成本。 【参考文献】

【相关文献】

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