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文 |善辩的小乔

编辑 |善辩的小乔

光伏新能源产业逐渐成为我国极具优势的战略新兴产业，随着现有P型PERC电池效率逐步逼近理论极限(23.5%~24.5%)，N型TOPCon电池将成为未来产业化重要技术路线。

TOPCon是一种基于选择性载流子原理的隧穿氧化层钝化接触太阳能电池技术，其电池结构为N型硅衬底电池，在电池背面制备一层超薄氧化硅，然后再沉积一层掺杂硅薄层，二者共同形成了钝化接触结构，有效降低表面复合和金属接触复合。

相对P型晶硅电池，N型晶硅电池的少子寿命高，开路电压Voc高，光致衰减小，弱光效应好温度系数小，更有利于电池转换效率进一步提升，是晶硅太阳能电池迈向理论最高效率(28%)的希望。

银铝浆是N型TOPCon太阳能电池正面电极导电材料，主要由导电功能相(银粉铝粉)、无机粘结相(玻璃粉)、有机载体组成，其对电池片的电流导出起着关键性作用，N型电池正面由于是硼掺杂，硼扩散浓度低，不利于栅线与发射极的欧姆接触常规银浆很难得到低的欧姆接触电阻，为了改善欧姆接触，通常会在银浆中掺入活性金属Ni、Mg、A1等。

由于AI电阻率低能与N、P硅或多晶硅能形成低阻的欧姆接触，且与硼为同族元素，一般掺入II族活性铝元素，正面银铝浆料印刷于SiN，减反膜上，在烧结过程中玻璃粉刻蚀穿透SiN减反射膜，实现Ag-Al-Si之间良好的欧姆接触。

银铝浆比银浆有更好的欧姆接触是由于银铝浆在金属化区域形成“银铝尖钉”，数量多、深度浅的尖钉成为银栅线与硅发射极电流传输的桥梁，但是当尖钉尺寸过大，过深就容易穿透P-N结，银铝浆在烧结过程中易形成3~4um“银铝尖钉”，楔入P-N结中，这足以穿透PN结造成短路(Si发射极接触面上Al、Si原子的不均匀相互扩散所致)。

众多研究者也在积极探索解决上述问题的方案，如引入其他金属替代铝粉，但是很难同时得到较高的Vo和较低的接触电阻Rc，因而电池转换效率提升不明显，本工作以银铝浆为研究对象，掺入不同含量SiGa元素，制备正面银铝浆料，印刷烧结后测试电性能数据。

分析Ga、Si组分对金属化区域暗态饱和电流密度Jo.metal、欧姆接触电阻R等电性能参数的影响，并对金属化接触面进行微观分析，探索Si、Ga组分对Jo.metal、R.的影响机制，并得到Ga、Si掺入量的较优比例。

实验过程

本文设计了两种实验方案，分别制备掺Si银铝浆和掺Ga、Si银铝浆1.1.1掺Si银铝浆的制备称取一定量(不同比例)的铝硅粉，与一定量银粉、玻璃粉进行混合，然后在该混合物中加入有机载体，离心混合后进行三辊研磨至细度小于5m制备得掺Si银铝浆。

掺Ga、Si银铝浆的制备保持A1、Ga、Si总量在浆料中质量分数为3%，同时保持A1在ALGa-Si体系中的质量分数为2%，Ga替代部分Si，按GaxAlSilxx=0，0.1，0.2，0.2，0.3，0.4，0.5，0.60.7，0.8，1.0)改变硅比例。

将其与一定量银粉、玻璃粉进行混合，然后在该混合物中加入有机载体，离心混合后进行三辊研磨至细度小于5um，制备得掺Ga、Si银铝浆。

将制备的两种正面银铝浆用Baccini丝网印刷机分别印刷在N型TOPCon电池硅片上(硅片尺寸182mmx182mm)，然后在峰值温度为930°C的Despatch烧结炉中进行烧结，得到太阳能电池片。

为了排除其他因素的干扰，达到更好的电性能评价效果，实验浆料所用的有机载体、银粉、玻璃粉相同，浆料粘度、印刷网版、烧结温度参数均保持一致。

正面电极湿重控制在(65+1)mg，用3D显微镜(VHX-970F)观测电极形貌图，线型参数无明显差异，为了测试金属化区域复合值大小，在同一网版上设计不同遮光面积的图形，将浆料通过此网版印刷在硅片上，烘干烧结后采用少子寿命测试仪(SunsVoc，WCT-120)进行测试。

采用激光切割机将烧结后的太阳能电池片切割成2cmx2cm的小片，然后将其浸泡在硝酸：盐酸=1：3(体积比)的溶液中1h，用蒸留水不断冲洗硅片表面的残留液体，在120°C的烘箱中烘干，使用扫描电子显微镜(SEM，PhenomProx)观测其界面形貌。

1.2浆料电性能测试方法采用四探针方阻测试仪(RTS-9)对硅片进行方阻测试，并按方阻分组，取同组硅片进行印刷、烧结，用德国Berger测试仪(PSS10-HE)测试其转换效率E，开路电压Vo等电性能参数(数据为5次实验的平均值)。

采用扫描电子显微镜(SEM，PhenomProx)观测金属化区域接触界面形貌、扩散浓度测试仪(ECV，CVP21)测定Ga元素浓度电致发光测试仪(EL，OPT-C313)测试烧结后的电池片(测试电流输出通畅度)、接触电阻测试仪(TLM，Keithlink)测定欧姆接触电阻Rc。

使用SunsVoc测试金属化接触复合值表征金属接触区域的暗态饱和电流密度Jo.metal(准确反映浆料金属化区域对Si发射极的损伤程度)，具体测试方法和流程如下，太阳能电池复合模型的计算公式可表示为：

结果与讨论

1、掺杂银铝浆对TOPCon硅片电性能的影响

随着Si含量的增加，Jo.metal减小，对应的V增加，这是由于银铝浆中加入少量的Si，降低了A1原子在Si发射极的局部扩散行为，抑制了退火时对P-N结损伤Jo.metal的增加主要由于铝粉的存在，当温度大于400°C时，发射极中Si向A1中溶解，在发射极表面形成腐蚀坑。

银铝注入腐蚀坑，退火后形成银铝尖钉，随着铝粉含量的增加，腐蚀坑深度增大，损伤P-N结产生漏电。

随着Si掺入量的增加，在烧结过程中A1对Si的溶解会接近饱和，这会抑制铝与发射极的硅熔合，减小银铝尖钉楔入深度，以达到降低Jo.metal，提高Vo的目的。

随着Si含量的增加，R，也在增加，这是由于Si的电阻率(2.52X10-102·m)远大于Al(2.83x10-142m)，当浆料中Si：A1比例大于4：6时，电池片上出现了“云雾”，说明当Si超过一定量时，由于Si的阻挡作用，A1与发射极的接触点减少，致使电流输出不畅。

当硅铝粉含量为3%，Si：A1=1：5时效率最高为24.28%，当硅铝比例进一步增加时，效率呈下降趋势。

这是由于随着Si组分含量的不断增加，A1对Si发射极的溶解腐蚀作用越来越弱，银铝尖钉尺寸逐渐减小直至完全消失，同时银铝尖钉对P-N结的损伤作用逐渐减小至无影响，si组分的不断增加也会使Jo.metal逐渐减小并趋于稳定，故Voc逐渐上升并趋于稳定。

2、Ga、Si掺杂银铝浆对TOPCon硅片电性能的影响

为解决掺Si后R增大的问题，在浆料中再掺入Ga组分，测试其电性能参数，当Ga含量小于40%时，Jometal增加缓慢，R下降迅速；当Ga含量大于40%时，Jo.metal上升迅速，R趋于平稳。

掺少量Ga后R.明显下降，是由于Ga熔点低、密度高，烧结过程中，Ga易将溶解的A1均匀浸润到Si发射极表面形成欧姆接触：同时Si(2.52x10-102·m)的电阻率远大于Ga(1.74x10-132·m)。

硅分凝系数只有0.008，这样Ga很难在Si发射极深入扩散而损伤P-N结，这也是Ga含量小于40%时随着Ga含量的增加，R迅速下降、Jo.metal缓慢上升的原因。

当Ga含量大于40%(Si含量小于60%)时，Si的阻挡作用减弱，形成大而深的银铝尖钉造成漏电，且金属与发射极已经有足够多的接触点，故Jo.metal上升迅速，R.趋于平稳，Ga：Si比例为2：3时最大效率达24.68%，与银铝浆(24.13%)相比，效率明显提升。

当Ga：Si比例大于2：3时，效率不再上升反而呈下降趋势，这是由于Ga可以溶解A1，使其均匀浸润于Si发射极表面，改善了金属电极与Si发射极间的欧姆接触，当Ga组分含量增加时，R.会越来越小，FF随之增大。

Si具有阻挡银铝尖钉形成的作用，Si组分的含量会随着Ga的增加而减少，Si的阻挡作用减弱因而形成尺寸越来越大的银铝尖钉，损伤P-N结，使Voc减小。

当Ga与Si的比例为2：3时，根据电池转换效率公式3，当FFXV的值达到最大时，Isc随Ga与S比例变化的影响可以忽略不计，故此时电池转换效率最高。

3、Ga、Si掺杂银铝浆对硅发射极表面的微观影响

腐蚀后的银铝浆金属化区域表面微观形貌，发射极表面有很大很深的漩坑，说明在烧结过程中形成了“银铝尖钉”，大而深的银铝尖钉局部击穿发射极而短路，这就是银铝浆金属化后Jo.metal上升、Voc下降的原因，掺Si后发射极表面的漩坑不明显，说明浆料中含有少量的Si，抑制了发射极中Si对A1的扩散，避免了形成大而深的尖钉造成P-N结损伤。

掺Ga、Si后发射极表面观测到很多的漩坑，深度很浅，尺寸很小，说明有大量小而浅的银铝尖钉存在大量的小而浅的银铝尖钉存在，损伤发射极不明显，反而有利于欧姆接触。

用ECV测试发射极中的Ga浓度Ga浓度随扩散深度的变化，在0~50nm深度范围内存在Ga元素，扩散深度大于50nm时未测出Ga元素。

由于硅分凝系数较小，因而Ga在Si发射极扩散深度很浅，不易损伤P-N结，同时Ga的扩散也改善了银栅线与发射极的欧姆接触因而得到较低的Rc，且Vo无明显差异。

结论

在银铝浆中掺入少量的Si，增加了A1中Si的浓度，抑制了发射极中Si对A的扩散，避免了形成大而深的银铝尖钉损伤P-N结造成漏电，故Jometal减小，Voc增加。

Ga在浆料金属化过程中易将溶解的A1均匀浸润到Si发射极表面，有利于形成大量小而浅的尖钉，Ga、Si的存在也抑制了铝的垂直扩散，尖钉倾向于横向扩展，有利于欧姆接触，对P-N结损伤较小。

通过SEM观察金属化域的Si发射极表面形貌，发现掺入Si组分后，未出现漩坑，表明Si组分抑制了A1在Si发射极的局部扩散，未观测到明显尖钉，掺入Ga组分后，观测到了大量小而浅的尖钉，用ECV对发射极表层Ga浓度分布进行测定，发现0~50nm扩散深度处有Ga元素存在，有利于欧姆接触。

浆料中Ga：Si比例小于2：3时，随着Ga含量的增加，Rc迅速下降，Jo.metal缓慢上升，效率呈上升趋势：当Ga：Si比例2：3时，金属与发射极已经有足够多的接触点，R较低，有最高的电池效率：当Ga：S比例大于2：3时，易形成大而深的银铝尖钉造成漏电，故Jo.metal上升迅速，R趋于平稳，效率呈下降趋势。