单硅片制备双发电单元串联的初步探索

浙江正泰太阳能科技有限公司 ■ 黄海燕 胡金艳 单伟 王仕鹏 陆川

0 引言

全球能源日益殆尽，太阳能发电凭借环境友好、取之不竭、使用灵活等优势得到广泛重视和大力发展，近年来各大公司纷纷加大力度进行技术革新及降低成本。提高电池效率是技术革新的一个关键点[1]，同时，降低电池到组件之间的功率损失 (POCTM)也至关重要。

经研究发现，在提高电池效率时，提高开路电压的提升比例可有效降低POCTM。目前多数厂家采用将电池片进行切割，利用小面积电池进行组件制备或利用激光对硅片表面的pn结进行隔离制备成组件，以获取更高开路电压及更低POCTM[2]。此种方法的不足之处在于，电池片进行切割时使用激光设备，一方面增加成本，另一方面增加电池碎片风险。本文利用碱液腐蚀及丝网印刷技术在不切割硅片的基础上实现单硅片上制备两个发电单元的串联，进而提高组件的开路电压及降低POCTM。

本文在常规多晶太阳电池制备工艺的基础上增加硅片中心线附近的pn结腐蚀，步骤位于制绒和扩散之间。通过电性能测试显示，本方法可实现双发电单元的串联。将该结构电池定义为单片双电池。本文主要介绍研究双电池初步实验的的外观形貌及初步性能。

1 实验

实验采用常规批量生产的p型多晶硅片，厚度约为180 μm，面积为156 mm×156 mm，电阻率0.5～1.0 Ω·cm。制备过程与常规多晶电池制备工艺类似：利用HNO3/HF溶液去除硅片表面损伤层并制备绒面→POCl3为掺杂源高温扩散→去除硅片中心线附近pn结→等离子刻蚀去除边缘pn结→二次清洗去磷硅玻璃→PECVD制备减反射膜→丝网印刷制备电极→烧结→测试。流程如图1所示。

图1 太阳电池制备流程

去除硅片中心线附近pn结的方法为：利用在15%NaOH中浸泡约2 min的模板在85 ℃对硅片中心区域进行腐蚀抛光，腐蚀时间为10～60 s。使用冷热探针对抛光区域进行pn型测试。双发电单元电极形成方法为：利用特制图形网版采用丝网印刷工艺，一次印刷即可完成正面电极印刷及电池正背面串联。

2 结果及讨论

2.1 碱液腐蚀硅片正背面结果

图2为利用15%NaOH在85 ℃对硅片中心区域的腐蚀结果。为保证腐蚀区域完全去除pn结及后续丝网印刷对准，绝缘区域宽度定为3 mm；腐蚀60 s后目测硅片表面已抛光，经冷热探针测试，腐蚀区域为p型，即该区域pn结已经完全去除。

图2 硅片中心线区域腐蚀结果

中心线pn结去除后相当于将硅片表面的pn结分成上、下对称的两个区域，当有光照射在硅片表面时即形成相互独立的两个发电单元。此常规电池片与单片双电池的结构示意图分别如图3、图4所示。

图3 常规电池结构示意图

图4 单片双电池结构示意图

2.2 单片双电池的丝网印刷及电性能结果

图5a显示的是单片双电池正面电极图形设计，图形中的绕体栅线是实现双电池串联的关键部分。本绕体栅线借助丝网印刷与正面电极同时印刷于硅片上。绕体栅线需要覆盖如图5a所示的硅片侧边区域，图纸设计时正面绕体栅线(如图5a)终点与硅片边缘平行；印刷后效果如图5b所示，印刷过程中由于浆料粘度、延展性等因素导致个别电池片绕体栅线印刷不完整，此类电池片需人工手动进行修补。通过后续电性能结果可知，上述实验中的绕体栅线连接良好。

图5 双电池正面电极及绕体栅线示意图

为增强导电性能，本实验中主栅采用实心设计；下电池与焊带连接主栅采用分段设计。为更清晰理解组件焊接后上、下电池结构，图6为组件焊接示意图。依照图示进行焊接与现有传统电池相比可节省50%焊带。

图7a为丝网印刷后的背电极图，红色区域为与正面绕体栅线对应的背面绕体栅线。背电场不印刷绝缘区域，如图7b所示，以便将上、下电池区分开。图7c显示的是烧结后的双电池。

表1显示经过烧结后，双电池具有均值约10.8%的转换效率，开路电压均大于1 V，短路电流均值约4.13 A，证明本结构可正常收集电流并输出电能。由于测试软件最大电压量程超出本结构所产生最大值，使得串联电阻测试显示异常。相信通过优化测试软件及绕体栅线设计可很大程度优化本结构电池电性能。单电池最优效率10.9%，漏电流0.11 A，低于产线传统电池漏电流均值，以上数据证实由单硅片作为基底的双电池结构并未因基底的导通而引起漏电流过大。

图7 双电池背电极、背电场及正面电极图

表1 电池电性能参数

3 结论

本文通过碱液腐蚀硅片表面中心区域实现了上、下电池的串联，并使用丝网印刷技实现一次印刷制备单硅片两个发电单元。I-V测试结果显示，本结构可有效收集硅片表面的载流子，并及时输出电流，同时基底硅片并未引起漏电异常。双电池电压较传统电池有明显提升，由于测试系统原因并未测试出开路电压真实值，相信通过测试改进绕体栅线可进一步大幅提高双电池效率。同时本结构电池制备组件过程中可比目前传统电池节省约50%焊带用量。

[1]于世杰，何慧若[译].太阳能的光伏利用[M].合肥：合肥工业大学出版社，1991.

[2]Abbott M D， Trupke T. Laser isolation of shunted regions in industrial solar cells[J]. Progress in Photovoltaic: Research and Applications， 2007， 15(7): 613 － 620.