大比例黑硅【guī】制绒技【jì】术已经规模【mó】化【huà】应用【yòng】，协鑫、阿特斯、韩华等领军企业【yè】已【yǐ】经【jīng】实现了黑硅PERC吉瓦级的量【liàng】产，证明多晶黑硅与【yǔ】单晶一样完全【quán】兼【jiān】容PERC电池【chí】产【chǎn】线【xiàn】。而且，多晶黑硅【guī】叠加PERC技术后可得到额外收益，实现了【le】累【lèi】加更优的效【xiào】果。“金刚线+黑【hēi】硅+PERC”将助【zhù】推高效多晶组件跨越300瓦大关，成为【wéi】高效多晶产品【pǐn】的主流。
背景
过去几年，多晶硅已【yǐ】经成为光伏行业的【de】主流技术【shù】，占据了大部分【fèn】的市【shì】场份额。然 而，多晶硅【guī】领域的行【háng】业【yè】巨头们正【zhèng】面临着来自单晶硅【guī】的高效【xiào】率和快【kuài】速降低的成本方面的巨大压力 。因此，现在急需在多【duō】晶硅【guī】电【diàn】池的大规【guī】模 生产中采用革新的【de】技术，例如金刚石线锯、黑硅【guī】制绒【róng】和【hé】PERC等【děng】以提升效率并降低成本。
到了2017年第【dì】三季度，CSI已经成功在【zài】其【qí】多【duō】晶硅电池产线上应 用了金刚石【shí】线锯【jù】和【hé】最先【xiān】进的【de】 黑硅【guī】制绒【róng】技术【shù】，总产能达到了4.5GW ，且大规【guī】模【mó】生产下【xià】的平均【jun1】效【xiào】率超【chāo】过【guò】了19.2%[1]。不过，在【zài】多晶硅电池上集成PERC技术存在诸多【duō】困难，其中包括光【guāng】致【zhì】衰减(LID)以及光致 高温致衰减(LeTID)[9-21]等效应。根【gēn】据UNSW和一些【xiē】其他【tā】研究【jiū】机构【gòu】的报【bào】道，多晶【jīng】硅PERC 目【mù】前存在两种衰减模式:1)快【kuài】速衰减模式，发【fā】 生在初始光照的100 小时以内，这种衰减是由第一种衰减效应引起【qǐ】的;2)缓慢衰减模式，衰【shuāi】减过程发 生在1000小【xiǎo】时以【yǐ】内，是由第二种衰减效应引起的[3]。尽管如此，由韩华【huá】Q-CELLs报道的【de】多晶硅PERC LeTID效应让这【zhè】项技【jì】术备受关注[5,6]。
CSI通【tōng】过结合硅锭材【cái】料控制、电池工艺优化、先【xiān】进【jìn】的在线【xiàn】控制【zhì】技术【shù】，实【shí】现了LID可控多晶硅PERC电池和组件的【de】 大规模 生产，到2017年 底产能【néng】超过了【le】1GW，并将在2018年 底提升至4GW以上。本文将展【zhǎn】示CSI多晶硅PERC电池和组件【jiàn】的【de】性能，同时介绍【shào】能【néng】实现多【duō】晶硅【guī】PREC电池【chí】和组件LID可控的解决方案。
多晶硅PERC电池和组件的性能
图一展【zhǎn】示了 CSI 高【gāo】效多晶硅PERC电池【chí】的工艺【yì】流程;同时还给出了非PERC电池的【de】工艺【yì】流程【chéng】用于对比【bǐ】。在【zài】完成【chéng】CSI具有知识产权的最先进 黑硅制绒( 金属催化【huà】化学【xué】刻蚀-MCCE)步骤之【zhī】后，将电池放【fàng】到管式炉中进行低压POCl3扩散以形成n+-Si发射极。然后在下一步【bù】移除磷硅酸【suān】盐【yán】玻璃(PSG)和清除【chú】电池背面。
图【tú】一：分别展示【shì】了传统多晶硅电【diàn】池(左【zuǒ】)和CSI的高效【xiào】多晶硅【guī】PERC电池(右)的工艺流程。
使用原子层沉积(ALD)技术形成的Al2O3层被【bèi】用于进行【háng】背面【miàn】钝化。沉积【jī】形成【chéng】的Al2O3层【céng】还要进行【háng】一次后沉积退【tuì】火，这一步被集成【chéng】在随后的背 面SiNx减反射【shè】膜(ARC)沉积工艺上，采【cǎi】用的【de】是管式等【děng】离子增强化学 气相沉积(PECVD) 工艺【yì】。 而前【qián】表 面SiNx ARC也同样【yàng】是采【cǎi】用管式PECVD 工【gōng】艺完成的。
在进行【háng】激光【guāng】电极【jí】开窗【chuāng】操作之后，采用丝网印刷和共【gòng】烧结工艺完成【chéng】金属电极【jí】制作【zuò】。随后对所有完成烧结的多晶硅PERC电池【chí】进行一道电流引入再【zài】生【shēng】(CIR) 工艺，最后【hòu】在进行测试和分档。
图二展示了CSI多【duō】晶硅PERC电池的效【xiào】率分布情况;其中【zhōng】，平均【jun1】电【diàn】池【chí】效率【lǜ】超过了 20%， 比同样【yàng】基于金刚石线【xiàn】锯(DWS)硅片技术的传统多【duō】晶硅电池技术高出【chū】0.9%。
图二：(a)多晶硅PERC电【diàn】池的【de】效率【lǜ】分【fèn】布。(b)60 片和120片【piàn】多【duō】晶硅PERC组件的功率分配。
表一【yī】 比【bǐ】较了多晶硅PERC和传【chuán】统黑【hēi】硅多晶硅【guī】电池的I-V特性。相比于后者，多晶硅PERC电池的开路【lù】电压Voc提升了 13.6%，短路电流【liú】Isc提升了【le】320mA。
表 一：多晶【jīng】硅电池和传【chuán】统 黑硅多晶【jīng】硅电【diàn】池之间的【de】I-V特性差异。
如图二(a)所示，在【zài】组件性能【néng】方面，标准60片电池多晶硅PERC组件的平均功率【lǜ】超过了 287W，与同类型单晶硅组件相当。在结合使用半切片和多【duō】主栅等组件技术之【zhī】后，标准120 片电【diàn】池多晶【jīng】硅PERC组【zǔ】件【jiàn】的【de】平均功【gōng】率超过【guò】了300W，如图二(b)所【suǒ】示【shì】;这一【yī】表现【xiàn】同样【yàng】与同类型单晶硅组件【jiàn】相当。显【xiǎn】然【rán】，多晶硅PERC技术的使用增强了多晶硅性能【néng】竞争力【lì】 ，并【bìng】降低了【le】成本。
图三：硅片质量对多晶硅PERC组件性能衰减的影响。
控制LID的解决方案
在LID问题上【shàng】，多晶硅【guī】PERC 面临的挑战比单晶硅PERC更多。最【zuì】直【zhí】接的体【tǐ】现是，对于很多能够生产高质【zhì】量高可【kě】靠性【xìng】的单【dān】晶【jīng】硅PERC组件【jiàn】的制造商之中，却只【zhī】有很少部分能够【gòu】生产多晶硅PERC组【zǔ】件[7]。
UNSW和其【qí】他研究机构提出【chū】了两种衰减模式，包括【kuò】1)由名为类型【xíng】1缺陷引起的在100 小【xiǎo】时内发 生的快速【sù】衰减模【mó】式【shì】，以及【jí】由名为【wéi】类型2缺陷引起的在【zài】1000 小时内发 生的慢【màn】速【sù】衰减模式。类型1缺陷【xiàn】已经确认是【shì】B-O复合缺陷，而类型2缺陷则还未被完全解释。根据猜测，类型【xíng】2缺陷【xiàn】由氢[8]或 金 属杂【zá】质例 如【rú】Fe、Co和Ni[9]引起的可能性最大。UNSW最近报【bào】道了这些类型1缺陷【xiàn】和类型2缺陷同样出现在【zài】了 p型单晶硅【guī】和n型【xíng】单晶硅【guī】组件上[10]。
为了解决LID—这种多晶硅PERC所【suǒ】面临最具挑战的【de】问题，CSI采取【qǔ】了多项【xiàng】技术创【chuàng】新：
1. 采用一项独特【tè】的【de】硅锭铸【zhù】造工艺以【yǐ】控制多晶硅【guī】硅片材料【liào】的杂质含量 。
2. 优【yōu】化【huà】电池工艺，特别【bié】是【shì】与金【jīn】属电【diàn】极相关的工艺，以抑制【zhì】缺陷复合体的形成并增强多晶硅硅块内氢钝化【huà】效果。
3. 采用先进的恢复工艺以解除引起LID的缺陷中心。
4. 一套增【zēng】强型【xíng】线上工艺控制体系【xì】以制造可靠【kào】的LID可【kě】控多晶硅PERC电池和组件。
多晶硅PERC电池的衰减速率决定于【yú】硅锭和硅片材料的质量 。对于多晶硅硅锭，常 见的衰【shuāi】减趋势【shì】是【shì】从硅【guī】锭顶【dǐng】部到底部衰减速【sù】率【lǜ】逐渐增加。此【cǐ】外，还有其他各种能引起【qǐ】衰减速率增加【jiā】的因素，例 如电【diàn】阻率或掺杂【zá】浓度、氧含量【liàng】 和结【jié】构缺陷密度等。衰减速率还与施【shī】主【zhǔ】B元素或Ga元素或者B与Ga化合物有关;Ga掺杂或【huò】部分Ga掺杂【zá】所【suǒ】带来的收益是【shì】被【bèi】普遍【biàn】认可的。图三展【zhǎn】示了 由电致衰减(CID)测得的经过【guò】质【zhì】量【liàng】 控制【zhì】的和普通【tōng】的多晶硅硅 片之间在多晶硅PERC组件衰减 方 面的巨 大差异。
烧结【jié】温度对衰减【jiǎn】的显【xiǎn】著影响已经被【bèi】 广泛认识到[11,12]。降低烧结 工艺时【shí】的【de】峰值【zhí】温度或减缓冷却速度都有助于【yú】 大幅【fú】降低衰减速率。已【yǐ】经【jīng】有许多 文章提出了【le】 解释这【zhè】些发现的理 论[9-21];其中的【de】解释包括降低烧【shāo】结温度将抑制缺陷的形【xíng】成【chéng】同时【shí】/或者改变多晶【jīng】硅【guī】硅锭中氢的含量 。
降低多【duō】晶硅PERC电【diàn】池衰减速率的关键因素在于提升恢复工艺。 用于【yú】分解导【dǎo】致【zhì】LID的缺【quē】陷【xiàn】中心【xīn】的恢复【fù】 工艺包括过剩载流子注【zhù】入、恰当的温度【dù】和持续【xù】时间【jiān】[15]。通常，使【shǐ】用卤【lǔ】素灯、LED或激光来【lái】进【jìn】行单晶硅PERC的光致【zhì】恢复(LIR)操作【zuò】;然 而， 工业LIR工艺并不适【shì】用于多晶硅PERC。 而CSI使用了合【hé】适的CIR工艺;相 比于LIR，CIR有着【zhe】诸多优【yōu】势，例【lì】如更宽的工艺窗【chuāng】 口，更【gèng】高的产能，更低耗电和更【gèng】 低的成本。通过使用CIR工艺，衰减速率可以降低80%。
图四【sì】显示了【le】 由CID测试所得【dé】的，经过CIR处理 后【hòu】降低的衰减【jiǎn】速率与未经过CIR处理 的衰减速率之间【jiān】的【de】关系。从图中可以【yǐ】看到，多【duō】晶硅【guī】PERC电池【chí】在未经【jīng】过CIR处理 时【shí】CIDw/o CIR 的衰减速率越高，反应在【zài】降低衰减【jiǎn】速率上的缓解系数CIDw/o CIR-CIDCIR就越大。有趣的是，CIDw/o CIR-CIDCIR和CIDw/o CIR之间【jiān】存在拟【nǐ】线性关系，表【biǎo】明CIR 工【gōng】艺有【yǒu】效地钝化了 导致LID的【de】缺陷中 心。不仅如【rú】此【cǐ】，我们还可【kě】以看【kàn】到【dào】来 自某些供应商【shāng】(供应商1到4)的硅 片质量 并不令人满意，在没有经过CIR处理 的情况下【xià】衰减速率非常高【gāo】。这再一【yī】次表【biǎo】明控制硅锭和硅【guī】 片材料【liào】 质量 对【duì】 生产LID可控的多【duō】晶硅PERC电池的重要性。
图四：CIR 工艺的LID衰减率。
控制多【duō】晶【jīng】硅【guī】PERC电【diàn】池LID 比单晶硅PERC更 具有挑战【zhàn】性【xìng】的原因主要是多晶硅【guī】硅【guī】 片【piàn】的质【zhì】量 波动更大[6]。尽管【guǎn】已经采取【qǔ】了创新步骤来控制多晶硅锭的杂质浓度，仍然有必要增强线【xiàn】上的【de】控制;这【zhè】除了推进工艺优化之【zhī】外，还【hái】需要对电池层面上的衰【shuāi】减速率进行更加【jiā】严密的监控。
通常硅太阳能电池LID是通过光浸润测试的;然而，该技术存在一定缺陷【xiàn】，例 如测试【shì】时间太 长(通常为9-21 小【xiǎo】时)、硅 片温【wēn】度控【kòng】制不【bú】精确【què】同【tóng】时【shí】限制了 样品【pǐn】数量【liàng】 。为了【le】测试【shì】多晶硅PERC电池的LID性能，CSI使用CID 方法，有以下几种优势，如表格二所【suǒ】示。
表格二描绘了 CID 方法的设置。CID 方法的参数为前置偏压注入电流、硅片【piàn】温度和时【shí】间。这些参数是经过大范围的实验评估仔细挑【tiāo】选【xuǎn】出来【lái】的【de】，以尽可能【néng】反应PERC电池的衰【shuāi】减速率。实际上【shàng】，如果将注入电流和硅【guī】片温【wēn】度参数【shù】设【shè】置为特定值会【huì】导致恢复占主要的效应，那么就是CIR 工【gōng】艺;相【xiàng】反，如果是更 低【dī】的注 入【rù】电流和硅 片温度导【dǎo】致恢【huī】复占【zhàn】主要的效【xiào】应【yīng】，那么就是CID工艺。所【suǒ】选择的CID参数为【wéi】3.5A，105℃以及4小时，相【xiàng】当于【yú】在1,000W/m2光浸润下的测试LID;此【cǐ】外【wài】，取样 比【bǐ】例 等于每条电池产线 里 总电【diàn】池数【shù】量 的0.08%。这 一【yī】策略【luè】 的【de】使 用将带来多晶硅PERC电池良好的CID控制【zhì】，低至1%。
表二：CID相对于LID在测试多晶硅电池衰减性能方面的优势。
对于组件衰减测【cè】试，CID 方法【fǎ】还被 用【yòng】于替代【dài】室内或室外光浸润 方法，采 用韩华【huá】Q-CELLS的【de】设备【bèi】和参数。图【tú】五显【xiǎn】示【shì】了 多晶硅【guī】PERC组件和传统多晶硅组件之间CID衰减的对 比【bǐ】。该图【tú】表明【míng】多【duō】晶硅PERC组件衰减速【sù】率的【de】提升，相 比于传统多晶硅组件【jiàn】。不 过，在300 小【xiǎo】时后，多晶硅PERC组【zǔ】件稳定【dìng】性衰减速率，证明 比 高达500 小时的低1.5%;这相当于【yú】两【liǎng】年 的户【hù】外热环境【jìng】测试，韩华【huá】Q-CELLS报道[16]。
图五：CID测试下CSI多晶硅组件的性能。
所有电池【chí】和组件衰【shuāi】减结果表明，在实 行 几项创新步骤之【zhī】后【hòu】，CSI多晶硅PERC电池和【hé】组件的LID现象可以【yǐ】被成功控【kòng】制【zhì】。
未来蓝图
CSI致力于生产高效多晶硅【guī】电池【chí】和组件。在【zài】2017年里CSI技术【shù】和【hé】产品都实【shí】现了快速的演进，并预计在2018年仍将持续【xù】，如图六【liù】所示。到了2017年第三季度，传统【tǒng】P2(砂浆切割硅【guī】片和酸制绒)将被淘汰【tài】，并全面升级 至P3( 金 刚 石切割硅 片和 黑硅制绒【róng】)，总产能 高【gāo】达4.5GW。此【cǐ】外【wài】，从2017的第三季度，P4( 金 刚【gāng】 石【shí】切割硅 片【piàn】、 黑硅制绒和多【duō】晶PERC)将要引入【rù】，到2018年【nián】 产能将超过【guò】4GW。下【xià】 一代 高效多晶硅产【chǎn】品P5将【jiāng】从【cóng】2018的【de】第【dì】三季度【dù】开始，并将逐渐获得【dé】更 大的市【shì】场份额。
图【tú】六：CSI 高效多晶硅产品的技术演进：P2(传统浆料 )、P3(MCCE+DWS)、P4(多晶【jīng】硅PERC)、P5(下 一【yī】代【dài】多【duō】晶【jīng】硅)。
在现【xiàn】有【yǒu】平【píng】均【jun1】效率超过20%的P4产【chǎn】品基【jī】础上【shàng】，下 一步将【jiāng】整合【hé】先进技术(包括双 面【miàn】发电、选择性发射极【jí】、多主栅和浆料优化等) 至P4+，使【shǐ】效率提升至【zhì】20.6%。再往下 走的 目标是提【tí】升 至下 一代硅【guī】 片技术P5，效【xiào】率提升至21.5%，并最终在P5+阶段提升至22%。
总结
通【tōng】过【guò】材料【liào】 、电【diàn】池工艺、先进恢复和【hé】增强线【xiàn】上工艺【yì】控制的创新，CSI已经成功证明了 LID可控【kòng】多晶硅PERC电池和组件能实【shí】现GW级的生产。多晶硅PERC技【jì】术是 高效多【duō】晶硅产品必备的【de】技术【shù】，才【cái】能【néng】与高产能【néng】的单晶硅产品【pǐn】竞【jìng】争。为了进一步提升竞争力 ，通过双面多【duō】晶硅PERC以及先进技【jì】术的【de】整合来进一【yī】步推动效率至更高，是非常有必要的。
