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摘要：对比研究了产线上多晶硅太阳电池背表面刻蚀对其光电转换性能的影响。示范性实验结果表明：多晶硅太阳电池背表面刻蚀能够改善其短路电流，从而相应的光电转换效率提升了约0．1％。依据多晶硅太阳电池背表面刻蚀前后的扫描电镜（SEM）形貌、背表面漫反射光谱及完整电池片外量子效率的测试结果，改进的光电转换的原因可能源于背表面刻蚀“镜面”化有利于太阳光子在背表面内反射和改进印刷Al浆与背表面覆盖接触。背表面刻蚀与当前晶硅电池产线工艺兼容，能够提升电池片的光电转换效率，是一种可供选择的产线升级工艺。
如何提升产线晶硅太阳电池的光电转换效率是当前光伏产业中的一个重要研发课题。基于晶硅太阳电池的整个光电过程，可针对增加电池片对300～1100nm太阳光子的捕获和吸收、降低电池片前后表面复合及减少电池片串并联电阻的电学损失3方面考虑，进行器件结构设计和制备工艺研发，有效地改进电池片光电转换效率。其中，增加电池片对300～1100nm太阳光子的捕获和吸收，需要合理设计电池片前表面光电结构。
当前工业生产主流晶硅太阳电池产品前表面印有图形化栅线电极，它将遮挡太阳光子入射到电池片内部，造成反射损失。降低栅线宽度及提高栅线高度的二次印刷技术［1］、减小主栅宽度的多主栅技术［2］均能够有效地降低遮挡面积，减少其光遮挡。另外，未被遮挡的晶体硅在300～1100nm光谱范围内折射率大，也将造成严重的光反射损失。通过表面织构［3～5］，可有效地降低晶硅表面光反射损失，特别是硅纳米结构［6～9］能够使获得超低光反射率。进一步在微纳织构上及在其表面制作减反射膜［10，11］，引入多次光反射和干涉效应，可进一步降低晶硅表面光反射损失。
另一方面，晶体硅的吸收系数［12，13］在300～1100nm光谱范围有很大变化，短波太阳光子（300～450nm）和长波太阳光子（850～1100nm）的吸收系数相差数2～3量级，导致各种波长太阳光具有不同的吸收深度。结合晶体硅的吸收系数及工业生产主流晶硅太阳电池产品180μm的厚度，理论计算结果表明，长波太阳光子吸收不完全而入射到晶硅电池背表面，随后被背Al电极吸收损失或内反射回晶硅中再吸收利用。碱或酸制绒工艺中晶硅太阳电池的背表面也被织构化，导致入射到晶硅太阳电池背表面的长波太阳光子在晶硅／Al电极界面多次反射，多次撞击背Al电极而增加背Al电极对长波光子的吸收，造成光损失。若将晶硅太阳电池背表面“镜面”化，力争长波太阳光子在晶硅／Al电极界面单次反射，可减少Al背电极的吸收损失，提升晶硅太阳电池背表面的内反射率，从而增加晶硅太阳电池对长波太阳光子的吸收利用。进一步探究把“镜面”化工艺集成至晶硅太阳电池产线，有利于有效提升产线电池片产品的光电转换效率。
本文以多晶硅太阳电池为研究对象，在多晶硅太阳电池产线上引入混酸各向同性腐蚀多晶硅太阳电池背表面工艺，将电池片背表面“镜面”化，证实了混酸湿法刻蚀多晶硅太阳电池背表面能够提升电池片的光电转换效率。结合多晶硅太阳电池背表面刻蚀前后的扫描电镜（SEM）形貌、背表面反射光谱及外量子效率的测试结果，分析和理解了电池片的光电转换效率提升的相关原因。
以156mm×156mm多晶硅为衬底，在晶硅太阳电池产线制备两组太阳能电池片，对比研究其光电转换性能，探究混酸湿法刻蚀多晶硅太阳电池背表面前后对电池片光电转换的影响及原因。其中一组电池片工艺流程主要包括混酸制绒、扩散制结、干法刻边、PECVD制减反、钝化膜、印刷及烧结前后电极，称之为干法去边电池片。另一组电池片将干法刻边工艺替换成混酸（HF、浓HNO3）各向同性腐蚀［14～17］多晶硅太阳电池背表面工艺，将电池片背表面“镜面”化，同时完成去边，绝缘电池片前后表面，称之为湿法背刻去边电池片。两组对照试验中除了刻边工艺不同外，后者增加了混酸各向同性腐蚀电池片背表面。混酸各向同性腐蚀时混酸工艺中，腐蚀液体积比为浓HNO3（浓度为64％）∶HF（浓度为49％）∶去离子水＝56∶13∶29。在腐蚀过程中，电池片背表面直接接触腐蚀液漂浮移动刻蚀反应，反应时选取移动腐蚀带速为1．9m／min，腐蚀液温度固定为12℃。
在AM1．5G模拟太阳光照下测试两组电池片电性能，光照强度为100mW／cm2，获得关键光电参数及光电转换效率，表征电池片的光电转换性能。借助SEM和D8漫反射光谱测试仪表征太阳电池片背表面腐蚀前后形貌及背表面的漫反射光谱，并采用量子效率测试仪对比测试了传统干法刻边工艺与引入背表面刻蚀及去边工艺制备的完整多晶硅太阳电池片的外量子效率，从而进一步理解和印证采用混酸湿法腐蚀多晶硅太阳电池背表面对其光转换的影响的原因。
图1结果比较表明，引入背表面刻蚀及去边工艺制备的多晶硅太阳电池片，相对于传统干法刻边工艺制备的多晶硅太阳电池片，其均值短路电流Isc从8．676A增加到了8．728A，均值开路电压Voc从0．6263V提升到0．6269V，以及几乎一致的填充因子（FF）。依据光伏理论，由晶硅太阳电池的Isc、Voc及FF的决定式，并结合相应决定式分析和理解两组晶硅太阳电池片的3个关键光电参数的差异及可能的产生原因。
晶硅太阳电池的Isc可表示为［18］
其中：q为电子电量；A为器件面积；G为光生载流子的产生速率；Ln和Lp分别为电子和空穴在电池中的扩散长度。依据公式（1），两组电池片的短路电流取决于G、Ln、Lp。二者具有相同前表面光电结构，可认为Ln一致。二者不同之处在于背表面结构，引入背表面“镜面”化工艺后将有利于减少背Al电极的吸收损失，提升晶硅太阳电池背表面的内反射率，从而增加对长波太阳光子的吸收利用。因此，相应的G提高，Lsc相对于未“镜面”化干法去边工艺制备的电池片有所提升。另外，多晶硅太阳电池片背表面“镜面”化后，印刷背Al电极及烧制背表场工艺时有利于Al浆全覆盖接触背表面，提高了背场钝化的一致性和均匀性，从而提升电池片P型基区的Ln，改进Isc。
晶硅太阳电池的VOC可表示为［19］
 其中：kT／q＝0．02585V为热电势；Jsc为短路电流密度；Job为基极饱和电流密度；Joe为发射极饱和电流密度。从公式（2）中可知，Voc取决于Jsc及Job和Joe。若Voc提升直接源于Isc的提升，则传统干法刻边工艺与引入背表面刻蚀及去边工艺制备两组多晶硅太阳电池片的Job和Joe相同，则由公式（2）可得
根据式（3）和实验获得的Voc干刻＝0．6263V、Isc干刻＝8．676A及Isc湿刻＝8．728A，可得引入背表面刻蚀及去边工艺制备的电池片的Voc计算值应为Voc湿刻＝0．6265V。实验中的均值Voc为0．6269V。因此，Voc的提升除了因Isc的提升诱导的之外还可能与Job和Joe的改变有关。两种工艺制备的电池片前表面完全一样，N型Joe可认为一致。二者不同之处在于背表面结构，采用混酸湿法腐蚀将电池片背表面“镜面”化有利于印刷Al浆料与背表面有效接触，改进了背场钝化，从而能够降低P型Job，进一步提升Voc。
考虑到并联电阻效应，晶硅太阳电池的FF可表示为［20］
其中：FF0为不计并联电阻影响的填充因子；Rch为电池片最大功率点时的电阻；Rsh为电池片并联电阻。
传统干法刻边工艺与引入背表面刻蚀及去边工艺制备多晶硅太阳电池片的相同功能为绝缘电池前后两个表面，确保较高的Rsh。两组电池片的电性能测试中获得的均值Rsh干刻＝47．19Ω和均值Rsh湿刻＝186．65Ω。结合公式（4）可知，引入背表面刻蚀及去边工艺制备电池片的Rsh导致的FF下降将低于传统干法去边工艺制备电池片的Rsh导致的FF下降。因此，引入背表面刻蚀及去边工艺具有很好的去边能力，相对传统干法刻边工艺能够提升Rsh，减少因Rsh导致FF的降低。
晶硅太阳电池的光电转换η可表示为
其中：Pin＝100mW／cm2为电性能测试时入射的模拟太阳光的入射功率密度。由于引入背表面刻蚀及去边工艺制备的多晶硅太阳电池片相对于传统干法刻边工艺制备的多晶硅太阳电池片的均值Isc提升及相近的均值Voc及均值FF，因此相应的η能够得到提升。图2为两组电池片η分布对照，引入背表面刻蚀及去边工艺相对于传统干法刻边工艺，电池片的η从17．66％增加到了17．78％，提升了约0．1％，产线上实验证实了引入背表面刻蚀及去边工艺有利于电池片η的提升。
为印证上述采用混酸湿法腐蚀多晶硅太阳电池背表面能够将其“镜面”化，及理解光电转换效率η提升的原因，测试太阳电池片背表面（未印刷Al电极）刻蚀前后的SEM形貌及漫反射光谱；同时，分别测试了传统干法刻边工艺与引入背表面及去边工艺制备的完整多晶硅太阳电池片的外量子效率。背表面刻蚀前后的SEM形貌测试结果如图3所示。图3表明，引入背表面混酸各向同性腐蚀后绒坑密度减小、绒坑面积增大及绒坑深度降低，整个表面趋于平坦，即“镜面”化。绒坑密度、面积及深度决定着太阳子在该表面上的加权撞击次数，绒坑的密度越小、面积越大和深度越浅，相应太阳光撞击表面的次数也就越低。
图4（a）为背表面刻蚀前后的漫反射光谱。由图可见，在宽光谱范围内，背表面刻蚀后相对于腐蚀前的漫反射率明显提高，证实了上述绒坑形貌决定背表面加权撞击次数。若背表面印刷背Al电极及烧制背表场后，从Si片内部入射到Si／Al界面将产生内反射，同样存在绒坑形貌决定加权撞击次数。由于背表面刻蚀“镜面”化后绒坑的密度变小、面积变大和深度变浅，从而太阳光子的加权撞击次数减少，Al背电极光吸收损失将有效地降低，使得太阳光内反射回晶硅中吸收增加。实验结果印证了上述短路电流Isc提升起源于“镜面”化工艺有利于增加光吸收，提升了光生载流子产生速率。更进一步理解，图4（b）为两组多晶硅太阳电池片的量子效率。可以看出，二者在短波区量子效率几乎一致，而长波区“镜面”化电池片的量子效率明显提高，进一步说明背表面“镜面”化有利于太阳光子的吸收和转换。可是，依据晶体硅的吸收系数，500～850nm光谱范围的太阳光子几乎在晶体硅内吸收完，背表面光损失对这一光谱范围的光电转换影响不大，这一波段光电转换的改善将另有其它物理原因。结合背表面刻蚀前后的形貌及上述短路电流Isc、开路电压Voc分析可知，背表面“镜面”化有利于Al浆全覆盖接触背表面，能够提高背场钝化的一致性和均匀性，从而提高电池中P型基区少数载流子寿命及扩散长度，降低P型基极的饱和电流密度Job。背表面“镜面”化工艺使得500～800nm光谱范围的太阳光子改进的量子效率的实验结果印证了Isc、Voc改善的分析，因此，500～850nm这一光谱范围光电转换效率η的提升可能起源于印刷铝浆与背表面覆盖接触的改善。
为了在晶硅太阳电池产线上有效地应用电池片背表面“镜面”化工艺，探究了其的工艺窗口。改变腐蚀温度10℃至14℃，及改变腐蚀带速1．7m／min至2．1m／min，相应的多晶硅太阳电池的光电转换效率η偏差低于0．04％，均高于传统干法刻边工艺制备多晶硅太阳电池。因此，可将晶硅太阳电池产线中传统干法刻边工艺替换成混酸各向同性腐蚀多晶硅太阳电池背表面及去边工艺，进行产线升级，从而改进多晶硅太阳电池的性能。
示范性实验证实，在多晶硅太阳电池制备产线中引入湿法混酸各向同性腐蚀工艺，能将电池片背表面“镜面”化，改进电池片短路电流；同时能够有效实现去除电池片边缘的扩散层，提升电池片的并联电阻。该工艺制备的多晶硅太阳电池片相对于传统干法刻边工艺制备，湿法混酸各向同性腐蚀工艺制备多晶硅太阳电池片的光电转换效率能够提升约0．1％。光电转换效率提升的可能原因，是源于背表面刻蚀“镜面”化有利于太阳光子在背表面内反射和改进印刷Al浆料与背表面覆盖接触。背表面刻蚀工艺与当前晶硅电池产线工艺兼容，能够提升多晶硅太阳电池片的光电转换效率，是一种可供选择的产线升级工艺。
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