和傳統(tǒng)太陽電池一樣， 局域背接觸（passivatedemitter and rear contact， PERC）太陽電池背面也采用全面印刷鋁背場結構， 但PERC 電池背面采用鈍化膜鈍化后再通過激光開槽的方法形成局域接觸結構， 其鈍化膜可以降低接觸電阻， 提高轉化效率[1-3]. 大量研究表明， PERC 電池的電性能主要與原材料的種類、原材料的制備工藝、導電漿料配方及電池片的制備工藝等因素有關[4-8]. 而背面用導電鋁漿是PERC 太陽電池的核心材料， 鋁粉作為鋁漿的主要原材料之一， 其本身的性質對PERC 電池有直接影響[9].

　　不少學者對鋁粉粒徑和燒結工藝對鋁漿性能的影響作了相關研究. 如：邢云[10]研究了鋁粉粒徑對傳統(tǒng)鋁漿性能的影響， 發(fā)現(xiàn)當粗細鋁粉分布適當時， 轉化效率較高. 張海珠等[11]討論了鋁粉粒徑分布對單晶硅太陽能電池的影響， 當粗粉含量為71%時， 電池片接觸電阻較小， 表面性能良好. Dressler等[12]探討了燒結時間對空洞形成的影響， 結果發(fā)現(xiàn)， 在峰值燒結溫度不變的情況下， 延長升溫時間會使空洞明顯減少， 而僅延長降溫時間， 空洞數(shù)量無明顯變化. Chen 等[13]通過協(xié)調局域接觸點尺寸、局域接觸點間隔和燒結工藝， 實現(xiàn)了100%填充率.

　　由上述研究結果可知， PERC 電池的性能和鋁粉及燒結工藝等因素息息相關. 然而對于鋁粉物性和燒結工藝對填充率、鋁背場（back surface field，BSF）厚度和電性能之間的關系尚缺少相關研究. 鑒于此， 本文主要研究鋁粉氧含量和粒徑對鋁漿活性的影響， 探究不同燒結工藝下PERC 鋁漿對電池片填充率、BSF 厚度和電性能的影響.

　　

1 實驗部分

 

　　1.1 實驗設備及原料

　　HSH2503-0510Z 型紅外快燒網(wǎng)帶爐， 合肥恒力電子裝備公司；BT-9300ST 激光粒度分析儀， 丹東百特儀器有限公司；ONH-2000 氧氮氫分析儀，德國ELTRA 公司；SDT Q600 型同步熱分析儀， 美國TA 公司；MV2100 金相顯微鏡， 無錫禮之鑫機械科技有限公司；PEL-01 型光致電致發(fā)光一體機， 蘇州旭環(huán)光伏科技有限公司；JSM-6510 掃描電子顯微鏡， 日本電子公司；VS-6821S 穩(wěn)態(tài)式太陽模擬器，新加坡維信科技有限公司.高純球形鋁粉（純度≥99.9%）：氧含量分別為0.42%~0.55%、0.57%~0.60%和0.61%~0.70%； 中位徑（D50）分別為1.5， 4.5， 10 μm. 玻璃粉為自制.松油醇、丁基卡必醇、丁基卡必醇醋酸酯、乙二醇丁醚、乙基纖維素、氫化蓖麻油， 以及其他助劑，所有試劑均為分析純.

　　1.2 鋁漿制備

　　1）將松油醇、丁基卡必醇、丁基卡必醇醋酸酯、乙二醇丁醚、乙基纖維素、氫化蓖麻油及其他助劑按比例混合， 加熱攪拌至完全溶解， 得到淡黃色溶液作為有機載體.

　　2）將鋁粉、玻璃粉和有機載體按比例混合， 先用離心機分散， 再用三輥研磨機分散研磨均勻， 得到一定黏度的鋁漿. 用粒徑相同， 氧含量分別為0.42%~0.55%、0.57%~0.60%和0.61%~0.70%的鋁粉制備的3 款鋁漿樣品對應編號分別為A1、A2、A3；用氧含量在0.50%~0.60%范圍內， D50分別為1.5，4.5， 10 μm 鋁粉制備的4 款鋁漿樣品編號為B1、B2、B3、B4， 鋁粉配比情況見表1.

 

　　1.3 電池片的制備

　　用印刷機分別將A1、A2、A3、B1、B2、B3、B4 鋁漿印刷在尺寸為156 mm × 156 mm 的單晶鈍化片上， 在烘箱中以200 ℃干燥3 min， 通過紅外快燒網(wǎng)帶爐燒結， 共制備7 個電池片樣品.在其他條件均一致的條件下， 僅調整網(wǎng)帶爐的后兩區(qū)溫度， 即分別在690~850， 720~880， 750~910 ℃下燒結B4 鋁漿印刷的單晶鈍化片， 共制備3個電池片樣品.

　　1.4 檢測部分

　　用同步熱分析儀表征鋁漿活性；采用金相顯微鏡表征PERC 電池片的填充率[14]， 測試結果均為平均值；用光致電致發(fā)光一體機表征空洞和電池片缺陷情況； 通過掃描電子顯微鏡表征BSF 形貌和厚度， 厚度測試結果為平均值； 利用穩(wěn)態(tài)式太陽模擬器測試PERC 電池片的電性能.

　　

2 結果與討論

 

　　根據(jù)柯肯達爾效應， 高溫燒結過程中， 硅基底中的硅向鋁層擴散的速度比鋁層中的鋁向硅基底擴散的速度快， 在溫度降到共晶溫度時， 若擴散到鋁層中的硅無法及時擴散回局域接觸處， 則易導致空洞的形成， 從而影響PERC 電池的電性能[15]. 空洞的產(chǎn)生和鋁粉特性及燒結工藝等因素密切相關.

　　對PERC 電池背場進行切割， 通過SEM 觀察發(fā)現(xiàn)， 背場局域開槽截面存在填充飽滿和空洞兩種情況， 如圖1 所示， 兩種局域填充形式均具有明顯的鋁摻雜層. BSF 厚度和鋁硅合金對PERC 電池的電性能均有影響.

 

　　2.1 鋁粉物性對PERC 電池性能的影響

　　圖2 為鋁漿樣品的DSC 圖， 曲線中的峰值溫度為鋁粉和玻璃粉的反應溫度， 若在較低的溫度下玻璃粉就能夠與鋁粉氧化層開始反應， 則說明鋁粉的活性較高. 對A1、A2、A3 鋁漿樣品進行DSC 分析， 吸熱峰溫度分別為655.76， 657.44， 658.44 ℃.吸熱峰溫度隨鋁粉氧含量的增加而升高， 表明鋁粉活性下降.

 

 

　　圖3（a）顯示了不同氧含量鋁漿對PERC 電池性能的影響. 從圖中可以看出， 隨鋁粉氧含量增加，BSF 厚度減小， 填充率上升. 這是因為鋁粉氧含量的增加， 導致鋁粉活性下降. 活性高的鋁粉， 在同種燒結工藝下， 氧化層更容易被玻璃粉溶解， 硅鋁間的相互擴散作用更強， 因此容易形成較厚的BSF層， 但同時也會造成局域開槽線處的鋁漿流失， 由于沒有足夠的鋁與硅形成硅鋁合金， 導致空洞增加、填充率下降.

　　選用同一燒結工藝對B1、B2、B3、B4 鋁漿進行燒結， 測試BSF 厚度和填充率， 測試結果如圖3（b）所示. 從圖中可以看出， 隨著鋁粉粒徑的增大， 鋁漿的填充率明顯提高. 粒徑小的鋁粉比表面積大，活性高， 暴露在表面的相對不穩(wěn)定原子多， 在升溫階段易熔融， 鋁原子向硅基底擴散較容易發(fā)生， 與此同時， 硅也更傾向于向鋁層中擴散；在冷卻階段，鋁層中的硅不能及時擴散回局域接觸區(qū)， 從而形成空洞. 相反， 粒徑大的鋁粉在同樣的燒結工藝下，硅鋁間的相互擴散程度會降低， 增大了硅及時擴散回局域接觸區(qū)的可能性， 保證了大粒徑鋁粉的高填充率. 鋁漿樣品B1 具有較厚的BSF 層， 比鋁漿樣品B2、B3 所獲得的BSF 厚1~2 μm， 也說明了粒徑小的鋁粉在高溫燒結時由于活性高， 向硅基底的擴散速率快.

 

　　根據(jù)上述實驗結果可知， 鋁漿樣品B1 燒結后填充率低、BSF 厚；B3 燒結后具有填充率高、BSF 較薄的特點； 相對而言， B2 各方面性能均一般； 而對1.5， 4.5， 10 μm 3 種不同粒徑的鋁粉進行搭配使用，不僅能獲得較高的填充率和較厚的BSF 層， 還有利于顆粒間的相互填充， 從而形成更致密的導電網(wǎng)絡.

　　2.2 燒結工藝對PERC 電池性能的影響

　　在對鋁粉氧含量和粒徑進行優(yōu)選之后， 進行快燒快退燒結工藝的優(yōu)化， 僅改變五溫區(qū)網(wǎng)帶爐的后兩區(qū)溫度， 設計3 種燒結工藝（工藝1：550~530~630~690~850 ℃~2 800 mm/min； 工藝2：550~530~630~720~880 ℃~2 800 mm/ min ； 工藝3 ： 550 ~530 ~ 630 ~ 750 ~ 910 ℃~ 2 800 mm/min）對B4 鋁漿制備的電池片進行燒結， 同時對溫度變化進行監(jiān)控， 燒結過程溫度變化曲線如圖4 所示. 根據(jù)溫度變化曲線可以獲得3 種燒結工藝的峰值溫度分別為744.8、778.6 和817.9 ℃.

 

　　不同峰值溫度下B4 鋁漿填充率如圖5 所示.

　　隨著燒結峰值溫度升高， 填充率呈下降趨勢. 這是由于溫度越高， 燒結驅動力越大， 硅鋁間的擴散程度更劇烈， 增大了空洞的形成機率， 同時也獲得了更厚的BSF 層.

 

　　圖6 為不同峰值溫度下PERC 電池的EL 圖. 圖6（a）表面光潔， 幾乎無黑點， 表現(xiàn)為填充率高的特點；圖6（b）有少量黑點， 整體填充性良好；圖6（c）在高溫燒結下， 電池片填充率﹤50%， EL 圖中有大量黑點出現(xiàn)， 表明背表面局域接觸區(qū)產(chǎn)生大量空洞.

 

 

　　表2 是不同峰值溫度下PERC 電池的電性能數(shù)據(jù). 隨峰值溫度升高， 開路電壓（Voc）、短路電流（Isc）和串聯(lián)電阻（Rs）整體基本呈升高趨勢， 但填充因子（FF）和轉化效率（Eff）均先增大后急劇減小，這是由燒結溫度過高、電池片填充率很低造成的. 因此， 在550~530~630~720~880 ℃~2 800 mm/min 工藝下進行燒結， 可獲得良好的電性能.