李明、赵志然、姬常晓.应用于高空飞行器的薄硅“SE+PERC”太阳电池的研发[J].太阳能, 2022(3):42-47.
与传统的航空、航天飞行器相比，临近空间飞行器能执行远程投送、预警、侦察、战场监视、导航等重要任务。以平流层飞艇、太阳能无人机为代表的临近空间飞行器非常适合作为对地观测、区域预警和通信等的新型信息平台。目前，临近空间飞行器已成为国内外军工研究的新热点。
【资料图】
为实现飞行器的长时间驻空飞行，通常是采用在飞行器囊体表面铺设太阳电池的方式来为飞行器不间断的提供能量。而飞行器的载重、表面曲面结构、可铺设面积，以及高空的太阳高能辐照环境等客观因素，均对太阳电池的性价比、功率质量比、弯曲可靠性和环境适应性提出了较为苛刻的要求。
鉴于航天领域特殊的太阳高能辐照环境，太阳电池的抗太阳高能辐照能力就显得尤为重要。最早应用于航天飞行器的是n型晶体硅太阳电池，但在1963年，Bell实验室发现在太阳高能辐照(主要是高能电子和质子)下，n型晶体硅太阳电池的性能衰减严重，其稳定后的光电转换效率低于类似结构的p型晶体硅太阳电池[1]。因此，p型晶体硅太阳电池成为航天领域应用的优先选择。直到21世纪初期，砷化镓(GaAs)太阳电池技术取得突破性进展，该类太阳电池以高光电转换效率、耐太阳高能辐照、稳定性强等特点成为航天领域应用太阳电池的首选。这为p型晶体硅太阳电池在不同飞行高度飞行器上的应用指明了方向。
相较于地面太阳光谱(AM1.5)，临近空间太阳光谱(AM0)中的短波紫外线占比较高，因此，提高应用于临近空间的太阳电池的短波光谱响应是提高其光电转换效率的重要方式，而选择性发射极(SE)技术有助于提高太阳电池的短波光谱响应。
在薄硅太阳电池研发方面，1984年，Tiedje等[2]通过数学模拟发现，采用厚度为100 μm硅片的太阳电池的最大理论光电转换效率可达到29.8%。2000年，日本三洋公司开发了可应用于航天领域的p型薄硅片太阳电池，其采用的硅片厚度为75 μm，该类太阳电池的光电转换效率可达到16.7%[3]。2003年，Kerr等[4]通过仿真发现，采用厚度约为100 μm的硅片制备的太阳电池可达到的最高理论光电转换效率为28.5%。2012年，德国哈梅林太阳能研究所(ISFH)由厚度为43μm的硅片制备得到的太阳电池的光电转换效率达到了19.3% [5]。2015年，基于目前已产业化的PERC技术，ISFH采用数值模拟和实验相结合的方式发现，采用“SE+PERC”技术时，太阳电池的发射极方阻可达到160 Ω/□，其光电转换效率可以突破24% [6]。2015年，中国电子科技集团公司第四十八研究所制备出的p型晶体硅太阳电池的光电转换效率约为19%，其采用的硅片厚度为120 μm;该太阳电池率先搭载在国内首艘“圆梦号”平流层飞艇上，性能可靠性得到了验证。
综上所述可知，在未全面了解临近空间太阳辐照特性的情况下，从产业化性价比和安全可靠性的角度考量，以p型薄硅片为衬底的“SE+PERC”太阳电池技术是较为合适的技术路径。
本文根据高空飞行器对太阳电池的更高功率质量比和更为可靠的要求，结合国内外学者对采用薄硅片的太阳电池的基础理论分析和实验经验，依托p型PERC单晶硅太阳电池的产业化平台，制备了具有更高光电转换效率的采用薄单晶硅片的“SE+PERC”太阳电池(下文简称为“薄硅‘SE+PERC’太阳电池”)，并分析了关键工艺参数改变对该类太阳电池电性能的影响。
1实验准备
1.1薄硅“SE+PERC”太阳电池的制备过程
本实验采用直径为200 mm的p型CZ单晶硅棒，电阻率为1.5 Ω•cm;利用金刚线切割技术，通过有针对性的改变布线主辊的间距，得到尺寸为156 mm×156 mm、厚度为100 μm的单晶硅片;然后以该单晶硅片为衬底制备薄硅“SE+PERC”太阳电池。薄硅“SE+PERC”太阳电池的制备工艺流程及其结构分别如1、图2所示。
薄硅“SE+PERC”太阳电池制备工艺每个流程的控制要点包括：
1)表面制绒：此类太阳电池的单晶硅制绒工艺采用了常规KOH溶液与异丙醇(IPA)溶液相结合的刻蚀液，并增加了硅片的插片间距，适度降低了制绒过程中的鼓泡速率，以便得到反射率一致的均匀结构的绒面。
2)低压扩散：太阳电池发射极常规的方阻平均值为70～80 Ω/□，为有效提高此类太阳电池的短波光谱响应，对低压扩散工艺进行了改进，使此类太阳电池发射极的方阻平均值达到130～140 Ω/□。
3)激光掺杂：此类太阳电池的激光掺杂采用纳秒级532 nm绿光激光器，优化了脉冲频率、扫描速率和激光器输出功率之间的匹配性，利用激光热效应使栅线掺杂区方阻值达到40～60 Ω/□。
4)背面刻蚀：用浓度为20%、温度为55～65 ℃的四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液对硅片背面绒面进行预处理，然后去除背面绒面，经酸洗去除磷硅玻璃(PSG)后，再利用烘干箱烘干硅片表面的水迹。
5)氧化退火：此类太阳电池的氧化温度设为680～740 ℃、退火时间为30 min。
6)表面镀膜：利用板式PECVD设备在硅片背面制备Al2O3/SiNx钝化膜，采用管式PECVD设备在硅片前表面制备SiNx钝化膜。
7)激光开膜：利用纳秒级532 nm绿光激光器在硅片背面钝化膜上形成阵列式线状开膜图形，并结合印刷烧结工序后太阳电池的填充因子和电性能情况来得到最佳的激光开膜结构。
8)印刷烧结：此类太阳电池制备时优化了网版对位精度，使电极细栅浆料印刷在对应的激光掺杂区域。
在完成上述工序后，利用I-V测试仪对太阳电池进行功率分档。相较于常规的PERC太阳电池，薄硅“SE+PERC”太阳电池的优势主要体现在：
1) SE工艺提高了太阳电池在短波波段的光谱响应;
2)改进了硅片背面的抛光工艺和激光开膜的结构，使该类太阳电池的光学损失达到了最小;
3)硅片越薄，生产过程中的碎片率就会越高，为有效降低碎片率，对该类太阳电池制备过程中的关键工艺进行了有针对性的改进，使生产过程中的碎片率降至10%以内。
1.2测试仪器
采用D8SR太阳能积分式反射仪测量硅片表面的反射率;采用面扫描Cresbox四探针测试仪测量硅片扩散工艺后发射极的方阻;采用PV Measurement设备测试太阳电池的量子效率QE;采用Berger太阳电池测试系统测量太阳电池的I-V特性，测试条件为模拟太阳光谱AM1.5G，太阳电池温度校准至25 ℃。
2实验过程及结果讨论
实验通过改变薄硅“SE+PERC”太阳电池制备过程中关键工艺的参数，分析工艺参数改变对该类太阳电池电性能的影响，以得到最佳的薄硅“SE+PERC”太阳电池制备工艺。
2.1激光掺杂SE工艺对掺杂效果的影响
激光掺杂SE工艺主要是利用激光辐照在硅片表面产生热效应，从而使磷硅玻璃瞬间升温、熔融，在高温下磷(P)原子向硅片发射极扩散，从而实现局域掺杂的工艺。
薄硅“SE+PERC”太阳电池的激光掺杂工艺采用中国电子科技集团公司第四十八研究所的纳秒级532 nm绿光激光器，该激光器的波长为532nm，光斑直径为30 μm。受设备性能限制，该激光器的脉冲宽度无法调节，可调节的参数仅有输出功率、扫描速率和脉冲频率，而这3个参数共同决定了激光脉冲的能量密度。该激光器的输出为脉冲式圆形光斑，根据激光掺杂经验，为使硅片的掺杂区域形成面掺杂，光斑重叠率需要达到20%～80%。
选取经过低压扩散工艺后平均方阻为130Ω/ □、片内方阻值极差小于等于12 Ω/ □、厚度为100 μm的硅片1000片作为实验样品，将激光器的扫描速率设置为20000 mm/s，脉冲频率分别设置为800、1000、1200、1400、1600 kHz，激光器输出功率在18～23 W之间调节;每次的激光掺杂SE工艺均形成尺寸为100 mm×100 mm的方格。激光掺杂SE工艺结束后在每片硅片上均选取5个点测试其方阻，然后以批间方阻的平均值作为该工艺参数设置下的激光掺杂结果。具体的实验结果如图3所示。
从图3可以看出，当激光器的扫描速率设置为20000 mm/s时，在激光器输出功率不高于21W的条件下，方阻值随脉冲频率的增大而减小。这主要是因为激光光斑重叠率随着脉冲频率的增大而增大，同个掺杂区域受瞬间二次激光掺杂的比例也随之增大，激光的二次辐照会增大受光区域的温度和延迟熔融时间，从而增加高浓度P原子向硅片发射极的扩散程度，增大发射极结深，导致方阻值降低。
当脉冲频率大于等于1200 kHz且激光器输出功率大于21 W时，随着激光器输出功率的增大，易产生方阻值增大的现象。这主要是因为激光光斑的能量服从高斯分布，激光光斑重叠率越高，激光器二次激光辐照区域的能流密度就越高，输出功率增大到一定程度后，激光辐照的掺杂区域的温度会瞬间升高并会超过阈值，导致掺杂区域的离化等离子体挥发，从而产生刻蚀凹槽现象，发射极因表面浓度降低而出现方阻值增大的情况。
2.2激光掺杂SE工艺对“SE+PERC”太阳电池性能的影响
为研究SE工艺对PERC太阳电池性能的影响，利用湖南红太阳光电科技有限公司现有的PERC太阳电池生产线制备PERC太阳电池，然后在PERC太阳电池制备工艺的基础上增加激光掺杂SE工艺，制备“SE+PERC”电池。这2种太阳电池均采用厚度为180 μm的常规厚度硅片。在制备过程中，“SE+PERC”太阳电池扩散工艺后的平均方阻为130 Ω/□，掺杂区的细栅宽度设为150 μm，网版细栅宽度为30 μm;氧化温度设为700 ℃、退火时间设为30 min。
在PERC太阳电池的激光掺杂SE工艺过程中，激光器的扫描速率设置为20000 mm/s，频率设为1000 kHZ，激光器输出功率分别设为20.0、20.5、21.0、21.5、22.0、22.5 W。制备6组“SE+PERC”太阳电池样品，每组20片，然后对每组样品的性能测试结果求平均值。PERC太阳电池与“SE+PERC”太阳电池的性能测试结果如表1所示。
由表1可知，SE工艺及激光器输出功率均会对太阳电池的光电转换效率产生较大影响，在这2个因素共同影响下，“SE+PERC”太阳电池的光电转换效率最大可提高0.3%，达到21.50%。在激光器输出功率小于等于21.5 W的情况下，由于采用高扩散方阻工艺，“SE+PERC”太阳电池的Voc和Isc均有一定幅度的提高，这是因为“SE+PERC”太阳电池掺杂区域发射极的表面浓度高于PERC太阳电池的，降低电极的接触电阻以降低电池的串联电阻，从而使Voc和Isc得到提高。
当激光器输出功率大于21.5 W时，“SE+PERC”太阳电池的Eta、Voc和Isc均明显降低。这主要是因为：1)激光器的高输出功率将导致结深内掺杂区域的掺杂浓度过大，在一定程度上形成“死层”，从而造成发射极和较浅的基区内产生的光生载流子在横向传输至激光掺杂区域内的细栅接触区时就已被复合，导致其并未传输至接触电极;2)扩散工艺后发射极的表面浓度本应服从余误差函数分布，但激光器的输出功率使其变为高斯分布，而且激光的能量密度越大，P原子的表面浓度越小，从而导致电极的接触电阻变大。
2.3不同抛光效果下薄硅“SE+PERC”太阳电池的IQE测试
太阳光谱的波长与其在硅片内的穿透深度呈非比例化正相关，波长为1000 nm的红外光在硅片内的有效穿透深度(红外光的能量降为初始值的1/e，e为自然常数)超过100 μm，而对于该厚度的硅片，很大比例的红外光极易穿透硅片，从而被损失掉。
对于厚度为100 μm的薄硅片，若采用“链式湿法刻蚀机对硅片进行背面抛光，且刻蚀液采用HF/HNO3体系，硅片酸洗后采用强气流吹气方式去除其表面水迹，并将金字塔绒面在抛光后的表面反射率控制在30%以内”的流程，这一流程将无法有效提高硅片的抛光效果，且硅片极易因强气流而碎裂。因此，可在加热槽中采用浓度为20%、温度为45～ 60 ℃的TMAH溶液进行硅片的背面抛光，而硅片正面在扩散工艺下则以其表面的PSG作为TMAH腐蚀时的阻挡层;然后利用烘干箱对硅片表面的水迹进行烘干，再将硅片制备成金字塔绒面反射率分别为25%、30%、35%、40%、45%的薄硅“SE+PERC”太阳电池;最后采用PV Measurement设备对制备得到的太阳电池进行内量子效率IQE测试，测试结果如图4所示。
从图4中可以看出，当波长大于900 nm时，随着波长的增大IQE值逐渐降低，但随着反射率的增大，IQE值也随之提高，这说明背面抛光效果越好，IQE值越高。
2.4背面抛光效果对“SE+PERC”太阳电池性能的影响
选取扩散工艺后平均方阻值均为130 Ω/□、厚度分别为100、180 μm的硅片各500片。在相同工艺条件下，每片硅片均只进行单面扩散工艺，并按照前文中的背面抛光工艺使绒面的反射率分别为20%、25%、30%、35%、40%;然后制备成“SE+PERC”太阳电池;根据绒面的反射率不同，将同种硅片厚度的PERC太阳电池分成5组，每组为100片，再将这100片均分为10个小组;最后再分别测试这10个小组PERC太阳电池的光电转换效率，并取平均值。2种硅片厚度下，硅片背面绒面的反射率与制备得到的太阳电池光电转换效率之间的关系如图5所示。
从图5中可以看出，在硅片背面绒面的反射率低于25%的条件下，相较于硅片厚度为100μm时制备的“SE+PERC”太阳电池，硅片厚度180 μm时制备的“SE+PERC”太阳电池的光电转换效率较低。但随着硅片背面绒面的反射率从25%提高至40%，硅片厚度为180 μm时制备的“SE+PERC”太阳电池的光电转换效率从20.5%提高至21.0%，提高了0.5%;而相同前提条件下，硅片厚度为100 μm时制备的“SE+PERC”太阳电池的光电转换效率可从21.25%提升至21.45%，提高约0.2%。综上可知，提高背面抛光效果可较大程度提高薄硅PERC太阳电池的光电转换效率。根据工艺试验经验，在抛光效果不佳的条件下利用板式PECVD设备制备的Al2O3薄膜的钝化效果也会受到极大影响，而钝化效果与太阳电池的光电转换效率有关，却基本与硅片厚度无关。
2.5薄硅“SE+PERC”太阳电池的性能表征
严格按照上文中薄硅“SE+PERC”太阳电池的制备工艺流程及其制备工艺控制要点，在每道工序都选择最优条件的前提下，进行硅片厚度为100 μm的薄硅“SE+PERC”太阳电池的批量生产;然后利用Berger太阳电池测试系统对批量生产的薄硅“SE+PERC”太阳电池的性能进行测试，并求平均值。测试结果显示：批量生产的薄硅“SE+PERC”的Eta均值为21.10%、Voc均值为0.6590 V、Isc均值为9.622 A、FF均值为81.28%。批量生产的薄硅“SE+PERC”太阳电池的光电转换效率分布情况如图6所示。
由图6可知，批量生产的薄硅“SE+PERC”太阳电池的光电转换效率的分布符合正态分布。批量生产的薄硅“SE+PERC”太阳电池的Eta均值可达到21.1%，比产线量产的采用常规硅片厚度制备的PERC太阳电池的光电转换效率(21.2%)低0.1个百分点。
3结论
本文根据高空飞行器对太阳电池更高功率质量比和可靠性的要求，依托p型PERC单晶硅太阳电池的产业化平台，在常规PERC太阳电池生产线的基础上增加了选择性发射极(SE)技术，并严格按照薄硅“SE+PERC”太阳电池制备工艺控制要点，在每道工序都选择最优条件的前提下，批量生产的薄硅“SE+PERC”太阳电池的平均光电转换效率可达到21.1%。此外，本文还针对常规HF/HNO3体系溶液对硅片背面抛光效果差和易产生碎片的问题，改为采用TMAH溶液进行抛光，硅片背面绒面的反射率可达到40%，有效提高了“SE+PERC”太阳电池在长波段的背面反射率，从而使“SE+PERC”太阳电池的光电转换效率也得到了提高。
