刘 阳，王丽婷，周啸颖，舒振兴，王守志，黄国平

(中节能太阳能科技(镇江)有限公司，镇江 212132)

0 引言

随着平价上网时代的来临，降低太阳电池的生产成本和提高其光电转换效率成为光伏行业提升竞争力的重要方法[1-3]。目前，PERC单晶硅太阳电池是晶体硅太阳电池的主流产品，正面电极栅线是该类太阳电池的重要组成部分，负责收集并传输太阳电池产生的光生电流，对其光电转换效率具有至关重要的影响作用[4-6]；丝网印刷工艺凭借工艺成熟、生产效率高、成本低等优点，成为目前制备工业化PERC单晶硅太阳电池电极的主流工艺[7-9]。

为了进一步提高PERC双面单晶硅太阳电池的光电转换效率，该类太阳电池常与选择性发射极(SE)技术相结合。初期的“SE+PERC”双面单晶硅太阳电池在丝网印刷环节采用参数为430-13(即网纱目数为430目、线径为13 µm)的乳剂网版，但该网版印刷精度差、副栅线高宽比小、使用寿命短，且易造成堵网，引起虚印和断栅等问题，从而影响“SE+PERC”双面单晶硅太阳电池的印刷品质和电性能[10-11]。随着网版技术的改进，以非感光性材料——聚酰亚胺(PI)膜代替了在网版表面涂覆感光乳剂，该方式可提升网版的耐磨性和使用寿命，同时可改善印刷精度、降低断栅率。为了进一步降本增效，“SE+PERC”双面单晶硅太阳电池的正面电极栅线开始向精细化、复杂化、大高宽比方向发展，网版也开始向高网纱目数、超细线径方向发展[12]。网版参数为520-11(即网纱目数为520目、线径为11 µm)的PI膜网版开创了丝网印刷技术的新纪元，实现了超细栅线(栅线宽度小于30 µm)印刷，减少了遮光面积，提升了副栅线高宽比。但目前针对网版参数为520-11的PI膜网版的网纱厚度、PI膜厚度及网版开口宽度之间如何匹配的研究较少。基于此，本文通过设计不同的网纱厚度、PI膜厚度及网版开口宽度匹配实验，研究不同匹配方案对“SE+PERC”双面单晶硅太阳电池正面栅线银浆耗量及电性能的影响。

1 实验准备

1.1 实验材料

实验选用同一批次的金刚线切割的太阳能级掺硼p型单晶硅片，尺寸为166 mm×166 mm，厚度为170～175 μm，电阻率为0.5～1.5 Ω·cm。

在上述硅片基础上制备“SE+PERC”双面单晶硅太阳电池，主要工艺流程包括：1)去除硅片表面损伤层，制备减反射结构；2)在POCl3气氛下进行P扩散，形成p-n结；3) SE激光重掺杂；4)背面碱刻蚀；5)正面热氧化；6)采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法背面沉积Al2O3/SiNx叠层钝化膜；7)采用PECVD法正面沉积SiNx减反射膜；8)激光开槽；9)丝网印刷、烧结电极和电注入退火。其中，印刷正面电极的网版使用新型无网结网版(网纱目数为520目、线径为11 μm，张力为15 N)。

1.2 新型无网结网版的制备

新型无网结网版的制备工艺流程包括：裁片→对网→覆膜→压合→张网→激光切割→清洗→检测→成品。本实验中的网版以PI膜代替感光乳剂，并利用精密激光器切割形成图形，取代了传统网版制作过程中的脱脂、涂布、晒版和显影等工艺。

1.3 实验设计

为了达到不同的使用效果，本实验设计了a、b、c共3种规格的网版，网版总厚度(包括网纱厚度和PI膜厚度)分别为25、27和29 μm。在保证印刷性的前提下，3种网版的使用效果有所不同，其中：a类网版的网纱厚度和PI膜厚度均较小，这样印刷栅线时的透墨量会较小，印刷的栅线较细，相应的银浆耗量会较低；b类网版的PI膜厚度较高，印刷栅线时会有更好的塑形效果；c类网版的网纱厚度和PI膜厚度均较高，印刷的栅线较宽且具有更好的堆砌性，相应得到的太阳电池光电转换效率会较高。为了使3种规格的网版达到最佳使用效果，本实验对上述3种规格的网版进行细化，并在同种规格网版的网纱厚度和PI膜厚度不变的情况下，对网版开口宽度进行调整，共得到9种网版参数匹配方案，具体如表1所示。

表1 网版参数匹配方案Table 1 Matching schemes of parameters of screen

在采用不同匹配方案的“SE+PERC”双面单晶硅太阳电池的制备过程中，仅改变网版参数，其他工艺条件均保持一致。

1.4 实验仪器

采用Zate 3D显微镜观察栅线的3D形貌、测量栅线的宽度和高度；利用电子天平测量单片太阳电池正面栅线的银浆耗量；利用电学性能测试仪HALM测试太阳电池的光电转换效率Eta、填充因子FF、开路电压Voc、短路电流Isc、串联电阻Rs和并联电阻Rsh等电性能参数；利用电致发光(EL)测试仪测试太阳电池的EL特性。

2 实验结果与分析

2.1 最佳网版开口宽度的确定

按照表1中的网版参数匹配方案分别制备9种“SE+PERC”双面单晶硅太阳电池，编号分别为A1～A3、B1～B3、C1～C3，并将其分别归类为A类太阳电池、B类太阳电池、C类太阳电池；然后从9种“SE+PERC”双面单晶硅太阳电池中随机各取1片，分别在太阳电池4个角及中心位置选取1个点，测量各个点对应的栅线宽度和高度，并对5个点的栅线宽度和高度求平均值，利用该平均值计算高宽比，用于判断网版开口宽度对栅线宽度、高度和高宽比的影响。采用不同网版参数匹配方案时9种“SE+PERC”双面单晶硅太阳电池的栅线宽度、高度和高宽比的变化曲线如图1所示。

图1 不同网版参数匹配方案时9种“SE+PERC”双面单晶硅太阳电池的栅线宽度、高度和高宽比的变化曲线Fig. 1 Variation curves of grid line width，height and aspect ratio of nine kinds of“SE+PERC”bifacial mono-silicon solar cells with different screen parameters matching schemes

从图1可以看出，在网版总厚度相同的情况下：栅线的宽度随着网版开口宽度的增加而增加；而栅线高度的变化受网版开口宽度的影响较小，均在0.15 μm范围内波动；栅线的高宽比随着网版开口宽度的增加而逐渐降低。文献[4, 9-10]的研究发现：在其他网版参数均相同的情况下，网版开口宽度越大，银浆越容易透过网孔，越有利于银浆的转移，银浆的透墨量也就越大，而透墨量与网版栅线的宽度呈正比关系，即透墨量越大，栅线宽度越大。在网版开口宽度相同的情况下，通过对比A3、B2和C1太阳电池可以发现，栅线高度主要受网版总厚度的影响，其随着网版总厚度的增加而增加。这是因为随着网版总厚度的增加，银浆的转移量增多，墨层厚度随之提高，栅线高度也相应提高。此外，在网版开口宽度相同的情况下，随着网版总厚度的增加，栅线的宽度也随之变宽，这是因为，在网版开口宽度相同的情况下，随着网版总厚度的增加，银浆与网版表面的接触几率变大，增加了银浆在丝网边缘粘附的几率，使银浆铺展的几率变大，造成栅线宽度增大，而且随着网版总厚度继续增加，银浆转移量也随之增加，导致银浆出现了一定程度的坍塌现象，从而使栅线宽度增加。

EL测试常用来判别太阳电池的质量，其测试原理是在太阳电池两端施加反向电压，注入非平衡态载流子后，非平衡态载流子与电池内部的载流子复合，从而产生光子，利用CCD 相机捕捉产生的光子并将其信息显示在计算机上，由此发现太阳电池的缺陷。

在太阳电池制备过程中，存在断栅的太阳电池的EL图像如图2a所示。而正常太阳电池的EL图像均匀、明亮，如图2b所示，这说明材料本身无缺陷，符合硅料及太阳电池的质量标准；同时也说明在太阳电池制备前序工艺中不存在工艺污染的情况。

图2 断栅和正常太阳电池的EL图像Fig. 2 EL images of broken grid line and normal solar cells

不同网版总厚度下栅线的断栅率随网版开口宽度的变化情况如图3所示。

图3 不同网版总厚度时栅线的断栅率随网版 开口宽度的变化情况Fig. 3 Variation of the broken grid line ratio of grid lines with screen opening width under different total screen thicknesses

从图3可以看出，当网版总厚度一定时，栅线的断栅率随网版开口宽度的减小而逐渐增加。当A类太阳电池(A1～A3)的网版开口宽度减小至16 μm时，断栅率为0.09%，超过了产线断栅率的标准值(0.08%)；当B类太阳电池(B1～B3)的网版开口宽度减小至17 μm时，断栅率为0.12%，也超过了产线断栅率的标准值；当C类太阳电池(C1～C3)的网版开口宽度减小至19 μm后，断栅率为0.11%，同样超过了产线断栅率的标准值。断栅率超过产线断栅率的标准值会严重影响栅线的印刷效果，且断栅会增加栅线的接触电阻，从而影响太阳电池的光电转换效率。为了降低断栅率，产线往往会加大印刷压力，且增加擦拭网板的频率，但这一方式不仅会严重影响产线的产能，还会降低网版的使用寿命，当印刷压力过大时还可能造成网版绷坏。因此，在不改善银浆印刷性的条件下，仅依靠减小栅线宽度来降低单片太阳电池正面栅线的银浆耗量并不能达到节约成本的目的，而要综合考虑印刷时栅线的断栅情况。

通过综合分析丝网印刷时栅线的高宽比和EL图像的断栅情况，从而确定a、b和c这3种规格网版的最佳网版开口宽度分别为17、18和20 μm，即对应a2、b2、c3的网版参数，后文依据这3种规格网版参数对应制成A、B、C 3类“SE+PERC”双面单晶硅太阳电池。

2.2 不同匹配方案时的银浆耗量对比

理论上，太阳电池的银浆耗量增大会对其电性能起到积极作用，但会增大其成本，因此在工业生产中，将单片太阳电池的银浆耗量作为印刷工艺的控制要点，具有重要的现实意义。为测试A、B、C这3类“SE+PERC”双面单晶硅太阳电池正面栅线的银浆耗量，每隔2 h从这3类太阳电池中各选1片进行正面栅线的银浆耗量测量，然后取所有测量结果的平均值，作为该类太阳电池正面栅线的银浆耗量。3类太阳电池正面栅线的银浆耗量对比如图4所示。

图4 单片3类太阳电池正面栅线的银浆耗量对比Fig. 4 Comparison of front grid line silver paste consumption of a piece of solar cell for three types of solar cells

从图4可以看出，不同网版参数对单片太阳电池正面栅线的银浆耗量有明显影响。单片A、B、C 3类太阳电池正面栅线的银浆耗量分别为0.0584、0.0646和0.0699 g。采用a2网版参数制得的单片A类太阳电池正面栅线的银浆耗量比采用c3网版参数制得的单片C类太阳电池的正面栅线的银浆耗量节约11.5 mg，比采用b2网版参数制得的单片B类太阳电池的节约了5.3 mg。在“SE+PERC”双面单晶硅太阳电池制备过程中，减少银浆耗量可以明显降低生产成本，增加企业收益；但从太阳电池电性能的角度来说，单片太阳电池银浆耗量的降低会影响栅线的接触电阻，从而影响太阳电池的光电转换效率。

2.3 不同网版参数下制备的“SE+PERC”双面单晶硅太阳电池电性能对比

测试分别由a2、b2、c3网版参数制得的A、B、C 3类“SE+PERC”双面单晶硅太阳电池的电性能，测试结果如图5所示。

图5 3类“SE+PERC”双面单晶硅太阳电池的 电性能测试结果Fig. 5 Electrical performance test results of three kinds of “SE+PERC”bifacial mono-silicon solar cells

从图5中可以看出：A类太阳电池的Isc最高，为11.0739 A；FF最低，为81.69%；Eta最低，为22.808%。C类太阳电池的Isc最低，为11.0702 A；FF最高，为82.29%；Eta最高，为22.961%；而这3类太阳电池的Voc均无明显变化。

Isc的大小是太阳电池栅线处遮光面积增减的直观体现[12]。比如：A类太阳电池的栅线宽度最窄，使栅线处的遮光面积减少，光生载流子数量增加，其Isc得到提高；而C类太阳电池的栅线宽度最大，栅线处的遮光面积也随之增加，光生载流子数量相应减少，因此其Isc最低。Voc的大小由p-n结和太阳电池表面的复合速率共同决定，栅线宽度的增加不会对p-n结造成影响，但会直接影响太阳电池表面复合速率，金属与硅金属化区域的能带中存在较多的缺陷能级，这些缺陷能级的存在会充当复合中心，导致复合电流的增大，从而影响Voc；而当网版开口宽度在3 μm之内变化、栅线的宽度变化小于6 μm时，不会对Voc产生明显影响。FF反映了太阳电池材料的接触性能，较低的栅线宽度会增加太阳电池栅线的接触电阻，从而使FF降低。A类太阳电池的栅线不仅高宽比较小，而且虚印、断栅现象较多，增加了栅线的接触电阻，从而导致太阳电池Rs较大，进而导致FF减小，由于Isc的增长量小于FF的减小量，从而使Eta降低。C类太阳电池的栅线宽度较大，导致太阳电池的遮光损失增大，但增大了栅线金属化面积，使栅线电阻降低，Rs也随之降低，进而使FF增大，由于FF增长量大于Isc和Voc的损失量，从而使Eta得到提升。

3 结论

本文研究了不同网纱厚度、PI膜厚度及网版开口宽度对“SE+PERC”双面单晶硅太阳电池正面栅线银浆耗量及电性能的影响，得到以下结论：

1)单片太阳电池正面栅线的银浆耗量随着网纱厚度、PI膜厚度及网版开口宽度的增加而升高。

2)当网纱厚度为17 μm、PI膜厚度为8 μm、网版开口宽度为17 μm时：单片太阳电池正面栅线的银浆耗量最低，仅为0.0584 g；制得的太阳电池的Isc最高，FF最低，Eta为22.808%；该匹配方案可最大限度地降低太阳电池的生产成本。

3)当网纱厚度为17 μm、PI膜厚度为10 μm、网版开口宽度为18 μm时：单片太阳电池正面栅线的银浆耗量为0.0646 g，制得的太阳电池的Eta为22.898%。

4)当网纱厚度为19 μm、PI膜厚度为10 μm、网版开口宽度为20 μm时：单片太阳电池正面栅线的银浆耗量为0.0699 g；印刷栅线宽度最宽，遮光损失增大，Isc最低，但栅线金属化面积增大，使其电阻降低，FF增大，制得的太阳电池的Eta最高，为22.961%；该匹配方案可最大限度地提升太阳电池的Eta。