超声低温等离子体在太阳能电池表面的改性作用

时间：2024-05-17

张信华杜建建杜文汉贺华

（1．常州工学院光电工程学院，江苏常州 213001；2．浙江大学信息与电子工程学院，浙江杭州 310058；3．苏州恩奇医疗器械有限公司，江苏苏州 215011；4．西安电子科技大学机电工程学院，陕西西安 710071）

1 低温等离子体简介

近年来，超声低温等离子体材料表面改性技术快速发展并得到了广泛应用。超声低温等离子体包含的高能电子可以诱导许多反应，例如前驱体分子的离解和大量自由基的产生[2]。超声低温等离子体在材料表面改性具有低温、高效以及不产生化学废料等优点，更重要的是在材料表面改性时，材料内部原有的特性并不会发生改变。

许多研究团队、制造商都致力于提高太阳能电池的性能，并开展了大量的研究和开发工作。李小玄等人[3-4]在沉积工序之前采用NH3等离子对硅片表面进行预处理，研究不同预处理时间对硅片表面的影响，以及对氮化硅膜层结构和电性能的影响，结果表明，预处理时间对SiNx：H 膜层结构性质的影响不大。天津中环半导体有限公司对氢等离子体钝化太阳能电池的表面悬挂键进行了研究，在最佳工艺条件下，获得了双面钝化后的742 mV 开路电压太阳能硅片，以及734 mV 开路电压的异质结太阳能电池片。等离子体具有优良的改性作用，但是到目前为止，没有出现很有效的工艺技术，而该研究工作结合了超声等离子体，对太阳能电池板表面进行处理，取得了不错的效果。

2 测试常规工艺制备的多晶硅太阳能电池

该实验采用常规工序制备太阳能光伏组件，除了层压前采用超声低温等离子体对电池片表面进行处理外，其余都采用相同的制备工艺。通过形成的对照关系，分析超声低温等离子体处理前后太阳能电池组件的性能变化。首先，选择10片标准电池片（156×156 规格）以正常工序制备成10 块标准组件，每块小组件内仅含一片电池片。使用太阳能组件测试仪测试10 片标准电池片的性能，测试结果见表1。

测试后取10 次测试数据的平均值，这样可以降低自然误差。常规多晶硅太阳能电池测试包括光电转换效率、串联电阻、并联电阻、填充因子、短路电流、开路电压、最大功率点数据等测试因素。各测试因素相互影响，最终决定了太阳能电池的质量。

3 测试利用超声低温等离子体进行表面处理的多晶硅太阳能电池

实验的第二步是采用超声低温等离子体对多晶硅太阳能电池片表面进行处理。与传统的等离子技术相比，其可在超低功率条件下实现较高的表面活化。例如，在正弦输入电压仅为12 Vpp～24 Vpp 的情况下，超声低温等离子体的输出电压可达15 kV，足以在空气和其他工业气体（如氮气、氩气）中产生放电现象。等离子本身温度低于50 ℃，因此，几乎适合对所有的温敏材料进行表面处理，包括人体皮肤。所用超声低温等离子体设备内部结构图如图1 所示。

图1 超声低温等离子体设备内部结构

其中硬PZT（锆钛酸铅）陶瓷材料可以与内部铜电极共烧结在一起。该元件被设计成一种叠层Rosen 型压电式变压器。输入侧采用一种带有铜内部电极的叠层结构，而输出侧则采用一种单片结构，如图2 所示。

图2 硬PZT（锆钛酸铅）陶瓷

电压转换是借助形成的驻波在谐振频率下，将输入侧的低压转换成机械耦合输出侧的高压来实现的。压电变压器具有2 个电极。即主电极和第二电极，主电极为纵向（厚度）电极；第二电极为水平（长度）电极。当在初级侧引入谐振频率电压时，在次级侧产生强烈的机械振荡。因为压电变压器在二次谐波振动模式下工作，它可以在振动节点处进行接触和安装，而且不会干扰其机械运动，因此，能够同时产生超声等离子体与低温等离子体。

表1 标准组件测试结果

实验采用超声低温等离子体对5 片电池片进行覆盖式扫描后制备成组件，经过太阳能组件测试仪测试的结果见表2。

测试结果均取平均值，与标准组件对比结果见表3。

测试结果表明，经过超声低温等离子体扫描后组件的峰值功率从标准组件的526.571 mW 升高到了557.640 mW，整体上升5.9%。由峰值功率等于峰值电流与峰值电压乘积的关系可以计算出组件峰值的功率参数，表3 中的数据也显示出峰值电流与峰值电压都有所上升。填充因子是太阳能电池组件的重要参数，表3 中的数据表明填充因子由0.808 上升至0.853，上升了5.55%。填充因子与串联电阻和并联电阻有关，串联电阻由112.21 mΩ 下降到84.28 mΩ，并联电阻由3.4 Ω 上升至4.0 Ω。由于采用单片电池片进行实验测试，因此，串并联电阻以及受它们影响的开路电压、短路电流的变化很微小，对太阳能电池组件性能的影响也较小。最关键的因素还是太阳能电池组件的光电转换效率，数据表明超声低温等离子体扫描太阳能电池后，其转换效率由标准组件的3.24×10-4上升到了3.43×10-4，提升了6.02%。光电转换效率的提升可以整体抬高组件的性能参数，提高单位面积的发电量，从而降低成本。

利用SEM 可以对太阳能电池片表面的物质性能进行微观成像分析，标准组件及经过超声低温等离子体处理后的组件的测试结果如图3 所示。

超声低温等离子体由大量的电子、离子、中性粒子组成。超声低温等离子体中存在复杂的原子分子碰撞过程以及繁多的物理化学反应，这些粒子和这些复杂的过程作用于材料表面，会使材料表面的结构、成分和性能发生变化。由SEM照片可以看出，经过超声低温等离子体处理过的材料表面，显微结构更加有序，说明超声低温等离子体对表面质点产生作用并且诱导其质点取向一致。超声低温等离子体作用于材料表面后，材料表面吸附的气体杂质会从材料表面脱附，这样就消除了材料吸附气体对材料表面质点的作用，所以经过超声低温等离子体处理后的材料性能得到了改善。

4 实验作用

实验结果表明，超声低温等离子体能够有效改善多晶硅太阳能电池的性能。通过以上测试得出，超声低温等离子体对光伏组件性能具有改善作用，结合对光伏组件的生产工艺的研究，可以推断超声低温等离子体处理光伏组件的具体改良作用。其具体作用在光伏制备工艺中推测为以下5 个方面。

表2 经过超声低温等离子体表面改性后的太阳能电池测试数据

表3 经过超声低温等离子体表面处理后的太阳能组件与标准组件的测试对比

4.1 清洗电池片表面

电池片表面会因为员工排片或焊接过程中手指碰触会留下指纹以及油污等，电池片表面具有细致的绒面结构，因此清理起来比较困难。油污等会阻碍电池片表面对光的吸收及利用，导致组件的发电效率降低。超声低温等离子体会通过电离气体产生高温高速的电子束流（宏观呈现低气体温度），束流在轴向风机的作用下吹扫，去除电池表面的油污、指纹等，从而起到清洗的作用。

4.2 表面制绒

多晶硅光伏电池表面需要通过制绒工艺来制备一层蠕虫状的绒面，以此来提高光的吸收和利用效率。一般制备工艺是利用硝酸和氢氟酸按一定配比对多晶硅电池表面进行绒面腐蚀制备，在硅片表面形成一层多孔硅。多孔硅可以作为吸杂中心，提高光生载流子寿命并且具有较低的反射系数。但是多孔硅结构松散不稳定，具有较高的电阻以及表面复合率。超声低温等离子体的高速粒子撞击在电池片表面，一方面可以将绒面处理的更加细致有序，另一方面也可以使表面结构更加稳定，减少了复合中心的产生。

图3 电池片表面SEM 图

4.3 温性刻蚀

光伏制备工艺中由于磷的扩散，电池片表面及边缘会不可避免的掺入磷元素。光生电子会随着磷的扩散由正面流动到背面，造成PN 结短路，从而导致并联电阻降低。并联电阻反映的是电池的漏电水平，它会影响太阳电池的开路电压，它的减小会使开路电压降低，但对短路电流基本没有影响。电池片表面还会形成PSG（磷硅玻璃），PSG 易吸收空气中的水分，导致电流降低和功率衰减。超声低温等离子体可以通过粒子吹扫将多余扩散的磷分解，从而达到去除PSG 的目的。

4.4 表面钝化

光伏电池制备过程中由于切割工序的存在，会在电池片表面形成悬挂键，悬挂键具有捕获光生载流子的作用，限制光电流的产生，是光伏电池较为严重的能量损失方式。超声低温等离子体可以电离氢气体，用氢离子来修补钝化电池片表面的悬挂键，使硅原子恢复到稳定结构。

4.5 降低死层影响

在扩散区中，由于不活泼磷原子处于晶格间隙位置，会引起晶格缺陷。由于磷和硅的原子半径不匹配，高浓度的磷还会造成晶格缺陷。因此，在硅电池表层中，少数载流子的寿命极低，表层吸收短波光子所产生的光生载流子对电池的光电流输出贡献甚微，因此，该表层称为“死层”。“死层”的存在是不可避免的，但是可以利用一些方法来降低“死层”的影响。超声低温等离子体的吹扫可以使表面磷原子分布更加均匀，促进磷原子的正确落位，从而降低了电池片表面的死层影响。