硼摻雜硅納米漿料制備及其在高效晶硅太陽(yáng)能電池背場(chǎng)中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、在各種新型清潔能源中，太陽(yáng)能被認(rèn)為是最具發(fā)展前景的清潔能源之一。在已實(shí)用化的太陽(yáng)能電池中，硅基太陽(yáng)能電池一直占據(jù)著市場(chǎng)的壟斷地位。隨著太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，提高電池的光電轉(zhuǎn)化效率，降低生產(chǎn)成本成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心。相比其他太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，鈍化發(fā)射極背面接觸（PERC）電池僅需增加背鈍化及激光開(kāi)線(xiàn)兩道工藝，成本增加較低但效率卻顯著提升，成為現(xiàn)階段高效電池產(chǎn)業(yè)化研究的熱點(diǎn)。由于PERC電池局部鋁背場(chǎng)P+層中載流子濃度仍然相對(duì)較低，以及背面鋁漿

2、在快速燒結(jié)之后會(huì)出現(xiàn)孔洞及背場(chǎng)結(jié)深較淺等缺點(diǎn)均制約著PERC電池效率的進(jìn)一步提升。目前一方面通過(guò)制備局部硼背場(chǎng)替代鋁背場(chǎng)，增加載流子濃度；另一方面通過(guò)改進(jìn)燒結(jié)工藝緩解孔洞及結(jié)深之間的矛盾。然而，硼源及硼擴(kuò)散工藝存在諸多問(wèn)題，產(chǎn)業(yè)化難度較大。另外，僅調(diào)節(jié)燒結(jié)工藝對(duì)于改善孔洞及結(jié)深的效果有限。因此，為了進(jìn)一步改善電池性能，研發(fā)一種新型硼源，并設(shè)計(jì)一種新型高效的背場(chǎng)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)硼擴(kuò)散的同時(shí)降低孔洞數(shù)量，對(duì)制備低成本、高效太陽(yáng)能電池將有非常大的實(shí)

3、用價(jià)值。
　　本文提出了一種新型局部硼鋁背場(chǎng)結(jié)構(gòu)的制備方法，并找到一條低成本、高效制備晶硅太陽(yáng)能電池的工藝路線(xiàn)。包括開(kāi)發(fā)了一種硼摻雜硅納米漿料，利用該漿料作為硼源，采用皮秒激光熔覆工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)硼擴(kuò)散的同時(shí)在硅基片背面獲得了一種摻雜的硅熔覆層結(jié)構(gòu)，在與鋁漿的共同燒結(jié)過(guò)程中形成了一種新型高效的局部硼鋁背場(chǎng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高效硼擴(kuò)散的同時(shí)抑制了孔洞的產(chǎn)生，并找到一條與PERC電池工藝路線(xiàn)兼容的低成本、高效制備晶硅太陽(yáng)能電池的工藝路線(xiàn)。主要研究

4、結(jié)果如下：
　　(1)搭建了一套低成本、高效制備硼摻雜硅納米顆粒的標(biāo)準(zhǔn)化工藝系統(tǒng)。在課題組前期對(duì)脈沖放電法制備硅納米顆粒機(jī)理及試驗(yàn)平臺(tái)研究的基礎(chǔ)上，搭建一套低成本、高效制備硅納米顆粒的標(biāo)準(zhǔn)化工藝系統(tǒng)，編制標(biāo)準(zhǔn)化的工藝路線(xiàn)方案。工藝方案包括：選材—檢測(cè)—機(jī)床調(diào)試—裝夾—對(duì)刀及編制加工程序—加工—更換電極—產(chǎn)物收集—提純—離心—真空干燥—檢測(cè)—稱(chēng)重—儲(chǔ)存。經(jīng)檢測(cè)，硅納米顆粒為晶態(tài)結(jié)構(gòu)，尺寸集中在30nm左右，利用單臺(tái)設(shè)備制備納米硅顆粒

5、時(shí)的產(chǎn)率大于15g/h。經(jīng)測(cè)算硅納米顆粒的成本約為3000元每公斤。
　　(2)研發(fā)了一種低成本的硼摻雜硅納米漿料，研究了有機(jī)載體配方組成對(duì)漿料印刷性能的影響。研究有機(jī)載體中有機(jī)溶劑、表面活性劑、增稠劑、增塑劑以及觸變劑的構(gòu)成。為了選擇合適的化學(xué)物質(zhì)，研究了各組分的物理化學(xué)性質(zhì)，并根據(jù)性質(zhì)合理調(diào)配各組份的比例。有機(jī)載體不同的配方具有不同的粘度和觸變性，進(jìn)而會(huì)對(duì)漿料的絲網(wǎng)印刷性能產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，最終影響硼擴(kuò)散的性能。通過(guò)試驗(yàn)分析，獲

6、得了一組最佳的有機(jī)載體配方，使硅漿料獲得了良好的印刷性能，實(shí)現(xiàn)了精確轉(zhuǎn)移圖案的目的。經(jīng)測(cè)算有機(jī)載體配方成本約為130元每公斤。
　　(3)研究了硼摻雜硅納米漿料的擴(kuò)散機(jī)理。由于硅納米顆粒自摻雜硼，所以當(dāng)硅漿料中硅納米顆粒含量（固含量）選定后，漿料中硼元素含量也就保持不變，此時(shí)擴(kuò)散屬于限定表面源擴(kuò)散，擴(kuò)散過(guò)程中雜質(zhì)分布可以用Gaussian函數(shù)進(jìn)行表征。研究表明當(dāng)固含量及擴(kuò)散溫度保持不變時(shí)，隨著擴(kuò)散時(shí)間的增加，硅片表層硅漿料中硼元素

7、濃度會(huì)不斷下降，硼元素不斷向硅基體內(nèi)推進(jìn)。而當(dāng)擴(kuò)散時(shí)間保持不變時(shí)，隨擴(kuò)散溫度增加，也會(huì)有類(lèi)似現(xiàn)象發(fā)生。通過(guò)研究硼元素?cái)U(kuò)散機(jī)理，可以指導(dǎo)擴(kuò)散工藝的選擇，提高硅漿料的擴(kuò)散性能。
　　(4)研究了硅納米漿料中硼元素在硅基體中的擴(kuò)散工藝過(guò)程。研究了熱擴(kuò)散及皮秒激光輔助擴(kuò)散兩種工藝方案，分析了兩種擴(kuò)散工藝中硼元素在硅基體內(nèi)的擴(kuò)散性能。首先，采用擴(kuò)散爐進(jìn)行800℃的低溫?zé)釘U(kuò)散試驗(yàn)。研究表明在相同擴(kuò)散條件下，隨著硅漿料中固含量的增加，硼元素在硅

8、基體中的濃度逐漸增加。而當(dāng)固含量及擴(kuò)散溫度保持不變時(shí)，隨擴(kuò)散時(shí)間的增加硅片表面方阻逐漸降低。其次，采用皮秒激光器進(jìn)行激光輔助擴(kuò)散試驗(yàn)。在合適的激光參數(shù)下，通過(guò)皮秒激光熔覆進(jìn)行硼元素?cái)U(kuò)散，在此過(guò)程中形成的硅熔覆層組織均勻致密，與基體之間結(jié)合緊密，無(wú)裂紋、孔洞等缺陷。硅熔覆層中的硼摻雜濃度最高達(dá)到3×1019atoms/cm3，在硅基體內(nèi)擴(kuò)散深度為0.5～1μm。相對(duì)于1000℃以上高溫?zé)釘U(kuò)散及納秒激光擴(kuò)散，皮秒激光擴(kuò)散能在減少硅片損傷的同

9、時(shí)獲得良好的擴(kuò)散性能，為背場(chǎng)硼元素低成本、高效擴(kuò)散提供了一條新途徑。
　　(5)采用硼摻雜硅漿料及熱擴(kuò)散工藝制備硼鋁背場(chǎng)結(jié)構(gòu)，并開(kāi)發(fā)了一條PW-PERC電池工藝路線(xiàn)。該工藝的特點(diǎn)在于：首先采用硅漿料作為硼源，通過(guò)800℃低溫?zé)釘U(kuò)散在硅基體表面形成淺硼擴(kuò)散，電池金屬化過(guò)程中在鋁漿的輔助下實(shí)現(xiàn)硼元素向基體內(nèi)的繼續(xù)擴(kuò)散，形成一種局部的硼鋁背場(chǎng)；其次由于背面開(kāi)口處提前附著的硅漿料能促進(jìn)硅鋁合金層的形成，抑制背場(chǎng)孔洞形成。試驗(yàn)結(jié)果表明，硅漿

10、料及熱擴(kuò)散工藝與國(guó)產(chǎn)鋁漿比較匹配，制備的PW-PERC電池效率可以提升0.2～0.3％，平均效率接近20%，背場(chǎng)復(fù)合速率及填充因子等電池性能均有不同程度的提升。
　　(6)采用硼摻雜硅漿料及激光熔覆工藝制備出一種新型高效的局部硼鋁背場(chǎng)結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)出一條SP-PERC高效電池工藝路線(xiàn)。該工藝的特點(diǎn)在于：首先采用硅漿料作為硼源，通過(guò)皮秒激光熔覆工藝在獲得更小熱影響區(qū)的同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了硼元素向基體內(nèi)的高效擴(kuò)散，與鋁漿共同燒結(jié)后形成了一種新型