硼掺杂硅纳米浆料制备及其在高效晶硅太阳能电池背场中的应用基础研究

摘要

在各种新型清洁能源中，太阳能被认为是最具发展前景的清洁能源之一。在已实用化的太阳能电池中，硅基太阳能电池一直占据着市场的垄断地位。随着太阳能产业的持续发展，提高电池的光电转化效率，降低生产成本成为产业发展的核心。相比其他太阳能电池结构，钝化发射极背面接触（PERC）电池仅需增加背钝化及激光开线两道工艺，成本增加较低但效率却显著提升，成为现阶段高效电池产业化研究的热点。由于PERC电池局部铝背场P+层中载流子浓度仍然相对较低，以及背面铝浆在快速烧结之后会出现孔洞及背场结深较浅等缺点均制约着PERC电池效率的进一步提升。目前一方面通过制备局部硼背场替代铝背场，增加载流子浓度；另一方面通过改进烧结工艺缓解孔洞及结深之间的矛盾。然而，硼源及硼扩散工艺存在诸多问题，产业化难度较大。另外，仅调节烧结工艺对于改善孔洞及结深的效果有限。因此，为了进一步改善电池性能，研发一种新型硼源，并设计一种新型高效的背场结构来实现硼扩散的同时降低孔洞数量，对制备低成本、高效太阳能电池将有非常大的实用价值。
　　本文提出了一种新型局部硼铝背场结构的制备方法，并找到一条低成本、高效制备晶硅太阳能电池的工艺路线。包括开发了一种硼掺杂硅纳米浆料，利用该浆料作为硼源，采用皮秒激光熔覆工艺来实现硼扩散的同时在硅基片背面获得了一种掺杂的硅熔覆层结构，在与铝浆的共同烧结过程中形成了一种新型高效的局部硼铝背场结构，实现了高效硼扩散的同时抑制了孔洞的产生，并找到一条与PERC电池工艺路线兼容的低成本、高效制备晶硅太阳能电池的工艺路线。主要研究结果如下：
　　(1)搭建了一套低成本、高效制备硼掺杂硅纳米颗粒的标准化工艺系统。在课题组前期对脉冲放电法制备硅纳米颗粒机理及试验平台研究的基础上，搭建一套低成本、高效制备硅纳米颗粒的标准化工艺系统，编制标准化的工艺路线方案。工艺方案包括：选材—检测—机床调试—装夹—对刀及编制加工程序—加工—更换电极—产物收集—提纯—离心—真空干燥—检测—称重—储存。经检测，硅纳米颗粒为晶态结构，尺寸集中在30nm左右，利用单台设备制备纳米硅颗粒时的产率大于15g/h。经测算硅纳米颗粒的成本约为3000元每公斤。
　　(2)研发了一种低成本的硼掺杂硅纳米浆料，研究了有机载体配方组成对浆料印刷性能的影响。研究有机载体中有机溶剂、表面活性剂、增稠剂、增塑剂以及触变剂的构成。为了选择合适的化学物质，研究了各组分的物理化学性质，并根据性质合理调配各组份的比例。有机载体不同的配方具有不同的粘度和触变性，进而会对浆料的丝网印刷性能产生深远的影响，最终影响硼扩散的性能。通过试验分析，获得了一组最佳的有机载体配方，使硅浆料获得了良好的印刷性能，实现了精确转移图案的目的。经测算有机载体配方成本约为130元每公斤。
　　(3)研究了硼掺杂硅纳米浆料的扩散机理。由于硅纳米颗粒自掺杂硼，所以当硅浆料中硅纳米颗粒含量（固含量）选定后，浆料中硼元素含量也就保持不变，此时扩散属于限定表面源扩散，扩散过程中杂质分布可以用Gaussian函数进行表征。研究表明当固含量及扩散温度保持不变时，随着扩散时间的增加，硅片表层硅浆料中硼元素浓度会不断下降，硼元素不断向硅基体内推进。而当扩散时间保持不变时，随扩散温度增加，也会有类似现象发生。通过研究硼元素扩散机理，可以指导扩散工艺的选择，提高硅浆料的扩散性能。
　　(4)研究了硅纳米浆料中硼元素在硅基体中的扩散工艺过程。研究了热扩散及皮秒激光辅助扩散两种工艺方案，分析了两种扩散工艺中硼元素在硅基体内的扩散性能。首先，采用扩散炉进行800℃的低温热扩散试验。研究表明在相同扩散条件下，随着硅浆料中固含量的增加，硼元素在硅基体中的浓度逐渐增加。而当固含量及扩散温度保持不变时，随扩散时间的增加硅片表面方阻逐渐降低。其次，采用皮秒激光器进行激光辅助扩散试验。在合适的激光参数下，通过皮秒激光熔覆进行硼元素扩散，在此过程中形成的硅熔覆层组织均匀致密，与基体之间结合紧密，无裂纹、孔洞等缺陷。硅熔覆层中的硼掺杂浓度最高达到3×1019atoms/cm3，在硅基体内扩散深度为0.5～1μm。相对于1000℃以上高温热扩散及纳秒激光扩散，皮秒激光扩散能在减少硅片损伤的同时获得良好的扩散性能，为背场硼元素低成本、高效扩散提供了一条新途径。
　　(5)采用硼掺杂硅浆料及热扩散工艺制备硼铝背场结构，并开发了一条PW-PERC电池工艺路线。该工艺的特点在于：首先采用硅浆料作为硼源，通过800℃低温热扩散在硅基体表面形成浅硼扩散，电池金属化过程中在铝浆的辅助下实现硼元素向基体内的继续扩散，形成一种局部的硼铝背场；其次由于背面开口处提前附着的硅浆料能促进硅铝合金层的形成，抑制背场孔洞形成。试验结果表明，硅浆料及热扩散工艺与国产铝浆比较匹配，制备的PW-PERC电池效率可以提升0.2～0.3％，平均效率接近20%，背场复合速率及填充因子等电池性能均有不同程度的提升。
　　(6)采用硼掺杂硅浆料及激光熔覆工艺制备出一种新型高效的局部硼铝背场结构，并设计出一条SP-PERC高效电池工艺路线。该工艺的特点在于：首先采用硅浆料作为硼源，通过皮秒激光熔覆工艺在获得更小热影响区的同时又实现了硼元素向基体内的高效扩散，与铝浆共同烧结后形成了一种新型高效的局部硼铝背场，提高了p+层中的载流子浓度，降低了背面的复合速率。其次，硅浆料经皮秒激光熔覆后在电池背面形成了晶态的重掺杂硅熔覆层结构，对于促进硅铝合金层形成，降低接触电阻，增加结深，抑制背场孔洞产生等方面都有明显效果。试验结果表明，此工艺方法制备的高效SP-PERC电池背面复合速率降至100cm/s以内，平均效率超过20.3%，效率提升0.3～0.4%，填充因子最高可以提升0.8%。

目录

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注释表

缩略词

第一章 绪 论

1.1选题背景及意义

1.2高效晶硅太阳能电池的研究进展

1.3 PERC电池背场的研究进展

1.4含硼电子浆料在局部掺杂工艺中的应用进展

1.5课题来源及主要研究内容

1.6章节内容及组织结构

第二章 硼掺杂硅纳米浆料的制备

2.1硼掺杂硅纳米颗粒的标准化制备

2.2有机载体配方

2.3有机载体组成对浆料性能的影响

2.4硅纳米浆料制备

2.5本章小结

第三章 硼掺杂硅纳米浆料的扩散机理

3.1扩散方程

3.2硼元素的在硅基体中的扩散机理

3.3影响硼元素在硅基体中分布的因素

3.4本章小结

第四章 硼掺杂硅纳米浆料的扩散工艺方案

4.1试验条件

4.2热扩散

4.3皮秒激光辅助扩散

4.4 PC1D方法对硼背场太阳能电池仿真分析

4.5 本章小结

第五章 基于硅浆料热扩散工艺的PW-PERC电池研制

5.1试验条件

5.2局部硼铝背场的形成

5.3 PW-PERC电池的制备工艺

5.4试验结果分析

5.5本章小结

第六章 基于硅浆料激光熔覆工艺的SP-PERC电池研制

6.1试验条件

6.2高效局部硼铝背场结构的制备

6.3 SP-PERC电池的制备

6.4试验结果分析

6.5本章小结

第七章 结论与展望

7.1论文结论

7.2主要创新点

7.3研究展望

参考文献

致谢

在学习期间的研究成果及发表的学术论文

附录