CN111370341A - 晶体硅电池界面复合速率的测试方法 - Google Patents

晶体硅电池界面复合速率的测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种晶体硅电池界面复合速率的测试方法，包括选取若干硅片，进行制绒、扩散、清洗与镀膜；在镀膜后的硅片表面印刷浆料、烧结得到若干具有不同图案电极栅线的电池片，进行测试；以
Figure DDA0001933759890000011
及f为坐标建立平面坐标系，并在该平面坐标系中对若干所述电池片的相应数据进行线性拟合，得到斜率k为
Figure DDA0001933759890000012
再求解得到Sme‑Si。本发明测试方法无需对电池片上的电极栅线进行清洗，降低化学品损耗，减少废液排放；且通过常规I‑V测试设备即可实现，减少设备投入成本，具有较高的实用价值。

Description

晶体硅电池界面复合速率的测试方法
技术领域
本发明涉及光伏检测技术领域，特别涉及一种晶体硅电池界面复合速率的测试方法。
背景技术
随着光伏产业的迅速发展，市场对于太阳能电池及组件的性能及转换效率也提出了更高的要求。目前，晶体硅电池仍占据市场重要地位，上述晶体硅电池生产过程中，一般通过丝网印刷、烧结实现硅片表面的金属化。晶体硅电池表面的金属化制程对于该晶体硅电池的性能具有重要影响，此一点很大程度取决于烧结后的电极栅线与硅片界面复合速率Sme-Si的大小。上述界面复合速率Sme-Si与浆料的性能密切相关，可作为评估浆料优劣的重要参数；且准确测试界面复合速率Sme-Si，亦有助于现场工艺的调节优化。
当前，晶体硅电池界面复合速率Sme-Si主要通过QSSPC(准稳态光电导)技术测试得到，设备投入成本较高。并且，在对烧结后的电池片进行上述测试前，需要将电池片表面的电极栅线通过无机酸等溶液清洗去除，清洗处理过程复杂，化学药品耗费较多，亦增加废液排放与环境污染。
鉴于此，有必要提供一种新的晶体硅电池界面复合速率的测试方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种晶体硅电池界面复合速率的测试方法，无需清洗，降低化学品损耗；且通过常规I-V测试设备即能方便得到晶体硅电池界面复合速率。
为实现上述发明目的，本发明提供一种晶体硅电池界面复合速率的测试方法，主要包括：
选取若干硅片，进行制绒、扩散、清洗与镀膜；
在镀膜后的硅片表面印刷浆料、烧结得到若干具有不同图案电极栅线的电池片，并进行测试；
引入下列方程式：
Figure BDA0001933759870000021
Figure BDA0001933759870000022
其中，VOC为电池片测试得到的开路电压，JSC为电池片测试得到的短路电流，J0为反向饱和电流，
Figure BDA0001933759870000023
kB为玻尔兹曼常数，T为温度，q为电子电荷量，ni是硅片本征载流子浓度，Δn为非平衡载流子浓度，NA是硅片体掺杂浓度，f为电极栅线与硅片接触面积占比，Sme-Si为电极栅线与硅片接触位置的复合速率，Sm为硅片表面膜层的复合速率，结合上述方程式，得关系式：
Figure BDA0001933759870000024
建立平面坐标系，坐标轴分别为
Figure BDA0001933759870000025
与f；
根据若干所述电池片测试得到的开路电压VOC、短路电流JSC以及相应电池片的电极栅线与硅片接触面积占比f，在前述平面坐标系中标记相应的数据点，并将若干电池片对应的数据点进行线性拟合，其中，斜率k为：
Figure BDA0001933759870000026
求解即可得到Sme-Si。
作为本发明的进一步改进，忽略
Figure BDA0001933759870000027
所述关系式简化为：
Figure BDA0001933759870000028
作为本发明的进一步改进，若干所述硅片规格一致，且制绒、扩散、清洗、镀膜及烧结步骤的工艺也相一致。
作为本发明的进一步改进，所述电极栅线的宽度介于30～300μm，且相邻所述电极栅线的间距设置为0.3～3mm。
作为本发明的进一步改进，所述镀膜步骤包括在硅片两侧表面分别制备正表面膜与背表面膜。
作为本发明的进一步改进，所述测试方法还包括在镀膜后的硅片背面进行激光开槽，得到若干间隔排布且贯穿所述背表面膜的窗口；定位并将既定浆料印刷在硅片背面，再经烧结得到前述电极栅线，所述电极栅线覆盖所述窗口。
作为本发明的进一步改进，所述窗口的宽度介于30～300μm，且相邻所述窗口的间距设置为0.3～3mm。
作为本发明的进一步改进，所述激光开槽步骤包括在硅片的背面开设至少三个呈非线性排布的定位点。
作为本发明的进一步改进，所述背表面膜包括AlOx膜层及层叠设置在所述AlOx膜层背离硅片一侧的SiNx膜层。
作为本发明的进一步改进，所述测试方法还包括将若干硅片划分为至少三组，且每组硅片数目设置为至少5片；同一组硅片对应的电池片表面的电极栅线相同。
本发明的有益效果是：采用本发明晶体硅电池界面复合速率的测试方法，通过建立以
Figure BDA0001933759870000031
及f为坐标的平面坐标系，根据若干具有不同电极栅线图案的电池片的电性参数、电极栅线与硅片接触面积占比数据，在所述平面坐标系中标记相应的数据点并进行线性拟合，得到斜率k为
Figure BDA0001933759870000032
再求解得到Sme-Si。本发明测试方法无需对电池片上的电极栅线进行清洗，降低化学品损耗及废液排放；且通过常规I-V测试设备即可实现，减少设备投入成本，具有较高的应用价值。
附图说明
图1为本发明测试方法的主要流程示意图；
图2为本发明测试方法一较佳实施例中硅片背面激光开窗示意图；
图3为图2中硅片制得的电池片在平面坐标系中线性拟合结果示意图；
图4为本发明测试方法另一较佳实施例中硅片背面激光开窗示意图；
图5为图4中硅片制得的电池片在平面坐标系中线性拟合结果示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的实施方式对本发明进行详细描述。但该实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
参图1所示，本发明提供的晶体硅电池界面复合速率的测试方法主要包括：
选取若干规格一致的硅片，进行制绒、扩散、清洗与镀膜；
在镀膜后的硅片表面印刷浆料、烧结得到若干具有不同图案电极栅线的电池片；
引入下列方程式：
Figure BDA0001933759870000041
Figure BDA0001933759870000042
其中，VOC为电池片测试得到的开路电压，JSC为电池片测试得到的短路电流，J0为反向饱和电流，
Figure BDA0001933759870000043
kB为玻尔兹曼常数，T为温度，q为电子电荷量，此处VT取常数值0.0257V，ni是硅片本征载流子浓度，Δn为非平衡载流子浓度，又称注入量，NA是硅片体掺杂浓度，f为电极栅线与硅片接触面积占比，Sme-Si为电极栅线与硅片接触位置的复合速率，Sm为硅片表面膜层的复合速率，结合上述方程式，得关系式：
Figure BDA0001933759870000051
建立平面坐标系，坐标轴分别为
Figure BDA0001933759870000052
与f；
测试得到若干所述电池片的电性参数，包括电池片的开路电压VOC及短路电流JSC，计算得出所述电池片的
Figure BDA0001933759870000053
作为纵坐标y轴，结合相应电池片的电极栅线与硅片接触面积占比f作为横坐标x轴，在前述平面坐标系标记数据点；并在该平面坐标系中对若干电池片对应的数据点进行线性拟合，得到斜率k，k为
Figure BDA0001933759870000054
得到：
Figure BDA0001933759870000055
求解即可得到界面复合速率Sme-Si。
此处，硅片表面膜层的复合速率Sm可引用现有的硅片相关数据，而所述硅片表面膜层的复合速率Sm通常远小于界面复合速率Sme-Si。因此可忽略
Figure BDA0001933759870000056
前述关系式简化为：
Figure BDA0001933759870000057
相应地，界面复合速率Sme-Si为：
Figure BDA0001933759870000058
前述制绒是指在硅片表面形成减反射绒面；扩散是指在硅片表面制取相应的PN结；清洗是指对扩散后的硅片进行边缘刻蚀及表面清洗；镀膜是指在硅片受光面制备减反射膜。特别地，就双面电池而言，所述镀膜步骤包括在硅片两侧表面分别制备正表面膜与背表面膜。此处，制绒、扩散、清洗及镀膜步骤均采用业内现有工艺，且上述制绒、扩散、清洗及镀膜步骤的工艺相一致。
在硅片表面印刷、烧结得到的电极栅线的宽度介于30～300μm，且相邻所述电极栅线的间距优选设置为0.3～3mm。此处，电极栅线是指用以收集硅片表面电流的副栅线。
为提高测试准确性，所述测试方法还包括将若干硅片划分为至少三组，且每组硅片数目设置为至少5片。上述硅片制得电池片的工艺制程一致，且同组电池片表面的电极栅线也一致，通过对同一组不同电池片的测试数据取均值后再标记在前述平面坐标系中进行线性拟合。当然，实际操作中，我们亦可通过多次测试并分别进行线性拟合，得到相应的斜率(k1、k2…)，平均得到均值斜率，再通过上述均值斜率计得界面复合速率Sme-Si。
本实施例中，测试分析双面电池背面Al浆栅线与硅片接触界面的复合速率，所述镀膜步骤包括在硅片两侧表面分别制备正表面膜与背表面膜。一般地，所述正表面膜设置为SiNx膜；所述背表面膜包括AlOx膜层及层叠设置在所述AlOx膜层背离硅片一侧的SiNx膜层。
所述测试方法还包括在镀膜后的硅片背面进行激光开槽，得到若干间隔排布且贯穿所述背表面膜的窗口；定位并将既定浆料印刷在硅片背面的窗口对应区域，再经烧结得到前述电极栅线，所述电极栅线覆盖所述窗口，所述电极栅线为Al栅线。通过激光开设的前述窗口的宽度介于30～300μm，且相邻所述窗口的间距设置为0.3～3mm。考虑操作误差及实际工艺需求，所述Al浆栅线的设置宽度会大于所述窗口的宽度，以使得烧结得到的Al浆栅线能够完全覆盖前述窗口。并且，为实现精确定位，所述激光开槽步骤还包括在硅片背面开设至少三个呈非线性排布的定位点，所述定位点优选设置在硅片的边角位置。
具体地，所述测试方法包括选取40片同等规格的硅片并分为四组，每组包括10片。参图2所示，硅片(a～d)背面的窗口宽度依次设置为60μm、90μm、120μm、150μm，相邻窗口的间距固定为1mm。需要说明的是，此处图示仅为说明该四组不同硅片上开设窗口的区别，而非直接体现硅片表面窗口的实际宽度与占比。
上述硅片采用同样的烧结工艺得到相应的电池片，对电池片进行测试，统计得出每一组电池片开路电压VOC及短路电流JSC的平均值。此处，将前述硅片的开窗比率作为相应电池片的Al浆栅线与硅片接触面积占比f，以方便计算，因此前述四组硅片的开窗比率分别为6％、9％、12％、15％。就前述Al浆栅线而言，其与硅片的实际接触界面要大于所述窗口开设区域，因此，也可以通过测量前述Al浆栅线的线宽、抑或Al浆栅线与硅片形成的Al-Si合金面的宽度，以得到Al浆栅线与硅片接触面积占比f。
如图3所示，根据每组电池片开路电压VOC及短路电流JSC的平均值计得该组电池片对应的
Figure BDA0001933759870000071
值，再于前述平面坐标系中标记各组电池片对应的数据点，进行线性拟合得到既定斜率k的直线。
Figure BDA0001933759870000072
此处，电子电荷量q为1.6e-19C，本征载流子浓度ni为1e10cm-3，非平衡载流子浓度Δn为1e16cm-3，硅片的体掺杂浓度NA为1e16cm-3，计算可得Al浆栅线与硅片界面复合速率SAl-Si为1525cm/s。
参图4，在本发明另一实施例中，同样测试双面电池的背面Al浆栅线与硅片的界面复合性能。硅片(a＇～d＇)背面的窗口宽度固定设置为60μm，相邻窗口的间距则分别设置为400μm、500μm、670μm及1000μm。同样地，将硅片的开窗比率作为相应电池片的Al浆栅线与硅片接触面积占比f，以方便计算，前述四组硅片的开窗比率分别为15％、12％、9％、6％。
如图5所示，在前述平面坐标系中标记各组电池片对应的数据点，进行线性拟合得到既定斜率k的直线。
Figure BDA0001933759870000073
根据上式可计算得到Al浆栅线与硅片界面复合速率SAl-Si为1600cm/s。
根据上述实施例，若待分析的Al浆相同且电池片制程工艺完全一致，还可以进一步将上述两次测试结果再次取均值，核算得出Al浆栅线与硅片界面复合速率SAl-Si为1563cm/s。
综上所述，采用本发明晶体硅电池界面复合速率的测试方法，通过建立以
Figure BDA0001933759870000081
及f为坐标的平面坐标系，根据若干具有不同电极栅线图案的电池片的电性参数、电极栅线与硅片接触面积占比数据，在所述平面坐标系中标记相应的数据点并进行线性拟合，得到斜率k为
Figure BDA0001933759870000082
再求解得到Sme-Si。本发明测试方法无需对电池片上的电极栅线进行清洗，降低化学品损耗及废液排放；且通过常规I-V测试设备即可实现，无需配备如WCT-120等测试仪器，减少设备投入成本，具有较高的应用价值，便于业内推广。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种晶体硅电池界面复合速率的测试方法，其特征在于：
选取若干硅片，进行制绒、扩散、清洗与镀膜；
在镀膜后的硅片表面印刷浆料、烧结得到若干具有不同图案电极栅线的电池片，并进行测试；
引入下列方程式：
Figure FDA0001933759860000011
Figure FDA0001933759860000012
其中，VOC为电池片测试得到的开路电压，JSC为电池片测试得到的短路电流，J0为反向饱和电流，
Figure FDA0001933759860000013
kB为玻尔兹曼常数，T为温度，q为电子电荷量，ni是硅片本征载流子浓度，Δn为非平衡载流子浓度，NA是硅片体掺杂浓度，f为电极栅线与硅片接触面积占比，Sme-Si为电极栅线与硅片接触位置的复合速率，Sm为硅片表面膜层的复合速率，结合上述方程式，得关系式：
Figure FDA0001933759860000014
建立平面坐标系，坐标轴分别为
Figure FDA0001933759860000015
与f；
根据若干所述电池片测试得到的开路电压VOC、短路电流JSC以及相应电池片的电极栅线与硅片接触面积占比f，在前述平面坐标系中标记相应的数据点，并将若干电池片对应的数据点进行线性拟合，其中，斜率k为：
Figure FDA0001933759860000016
求解即可得到Sme-Si。
2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：忽略
Figure FDA0001933759860000017
所述关系式简化为：
Figure FDA0001933759860000021
3.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：若干所述硅片规格一致，且制绒、扩散、清洗、镀膜及烧结步骤的工艺也相一致。
4.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：所述电极栅线的宽度介于30～300μm，且相邻所述电极栅线的间距设置为0.3～3mm。
5.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：所述镀膜步骤包括在硅片两侧表面分别制备正表面膜与背表面膜。
6.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于：所述测试方法还包括在镀膜后的硅片背面进行激光开槽，得到若干间隔排布且贯穿所述背表面膜的窗口；定位并将既定浆料印刷在硅片背面，再经烧结得到前述电极栅线，所述电极栅线覆盖所述窗口。
7.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于：所述窗口的宽度介于30～300μm，且相邻所述窗口的间距设置为0.3～3mm。
8.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于：所述激光开槽步骤包括在硅片的背面开设至少三个呈非线性排布的定位点。
9.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于：所述背表面膜包括AlOx膜层及层叠设置在所述AlOx膜层背离硅片一侧的SiNx膜层。
10.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：所述测试方法还包括将若干硅片划分为至少三组，且每组硅片数目设置为至少5片；同一组硅片对应的电池片表面的电极栅线相同。
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