太阳电池制造技术的进步离不开各家制造企业不断地工艺研发及工艺优化。光伏业界百花齐放，每一家制造企业都有自己的一技之长或独门绝技。如果我们拿到了未知来源的高效率太阳电池片，如何从中分析和理解效率的差异，有助于我们进一步优化和改善自己的工艺技术。这篇文章可能在以下两个方面对大家有所帮助：

(1)分析自产电池与业界领先的电池制造企业的电池效率差异的原因并从分析中获得提升；

(2)从企业内部来说，分析自产太阳电池片高档位与低档位的差异，找出效率差异的根源，是片源影响还是电池工艺的差异，有助于对生产过程进行更好地管控。

下面以PERC太阳电池为例从光学特性、复合特性及电阻特性三个方面来对太阳电池片的解剖分析进行说明。

1. 光学特性分析

太阳电池是光电转化器件，有多少光可以被太阳电池有效吸收是光电转化的基础，这一部分的分析可以了解不同太阳电池片的陷光特性的差异。

1.1 正表面光学特性对比

太阳电池正面的宏观及微观结构决定了大部分的光学特性，栅线遮挡区域可以认为100%的光反射，绒面及钝化减反射膜的特性决定了正表面的光反射率。

(1)栅线遮挡面积计算

这一部分细栅遮挡面积及主栅遮挡面积分开计算，着重对比细栅遮挡面积的差异。因为在太阳电池效率测试或者串焊制作组件过程中，主栅或者被测试排针遮挡或者被焊带覆盖，细栅遮光面积的差异基本是引起最终差异的主要因素。在栅线宽度测试中，要特别注意细栅印刷中形成的挤出展宽区域，这个区域在3D栅线测试中往往被忽略。对光学特性来说，这一部分展宽的区域会像其他金属覆盖区域一样几乎100%反射光线，而对电学上几乎没有贡献。图1所示就是几种不同的浆料印刷后的栅线对比，可以看到不同浆料的挤出展宽差异明显。

图1 不同浆料印刷获得的栅线对比

在这一部分测试分析中建议收集的数据：

a）细栅数目、主栅数目及栅线图形特征

b）细栅宽度、细栅高度、细栅截面轮廓、细栅两侧印刷挤出展宽宽度

c）主栅特征尺寸、主栅线高度

d）栅线遮光面积计算

e）根据栅线覆盖面积及栅线高度估算银浆耗量

(2)非金属化区域陷光性能测试分析

除去金属遮光外，这一部分的反射率是对短路电流影响最直接的因素。我们先来看一下典型的硅片制绒后的反射率曲线，如图2所示，从300nm到1100nm的波长范围来看，300-1000nm的反射率主要受前表面反射的影响，1000nm以后反射率的上升是由于长波光经过背表面反射后再次从正表面逸出造成的。真实的正表面反射率曲线长波部分如图中的虚线所示。因此我们评估正表面反射率的差异，应该比较不受背表面影响的波长范围。需要注意的是，随着硅片厚度的减薄，背表面影响波长范围会向短波方向移动。对于正表面影响的波长范围，反射率越低越好，对于背表面影响的波长范围，反射率越高越好。

图2 制绒硅片的反射率曲线组成

反射率曲线的对比需要对比两条曲线，即带有钝化减反射膜的反射率曲线及将钝化减反射膜洗掉之后的反射率曲线。通过两个反射率曲线的对比，我们可以明确反射率的高低是由绒面结构影响的还是由钝化减反射膜影响的。反射率曲线的测试建议使用QE设备带的反射率测试功能，不建议使用产线常见的D8测试设备，原因有二：一是D8测试的反射率受金字塔尺寸影响明显，不能真实反应反射率水平；二是带有钝化减反射膜的反射率D8基本测不出来。

反射率测试结束以后，可以对金字塔的微观结构进行SEM观测，主要观察金字塔的尺寸以及尺寸均匀性，典型测试图如图3所示。金字塔尺寸合适且均匀，0.5微米以下的细小金字塔数量少一般被认为是较理想的绒面微观结构。除了对金字塔结构的观察之外，前表面的钝化减反射膜也需要进行测试，包括厚度、折射率等参数。由于目前多为叠层膜结构，因此这个测试值只能大概判断膜的等效特性，细节分析建议继续利用微观测试手段对膜层结构进行分析，例如可以利用TEM或者分辨率较高的SEM对截面样品进行观测，直接测量膜的厚度，结合元素面分部扫描，分别测试Si元素、N元素以及O元素的面分布图像，进一步获得膜层的叠层膜信息，像有的叠层膜包含由氮化硅/氮氧化硅/氧化硅结构，如图4所示的测试例（DOI: 10.1039/C7EE02464A），虽然不是进行膜层结构的分析，但能说明这种方法可以在这个尺度范围进行元素面分布测试分析，类似的通过测试膜层里面的关键元素分布就可以获得膜层的设计信息。另外，也可以利用XPS进行化学键的面分布扫描，同样可以更深入的得出膜的叠层信息。

图3 单晶硅金字塔绒面SEM测试图

图4 TEM结合EDS进行元素面分布测试对器件的微观结构进行分析

在这一部分测试分析中建议收集的数据：

a）带有钝化减反射膜的反射率曲线

b）绒面裸面的反射率曲线

c）绒面金字塔尺寸及微观结构图

d）钝化减反射膜膜厚折射率及微观叠层信息

e）通过以上数据分析得出的到底是绒面好还是减反射膜好

1.2 背表面光学特性分析

这一部分的背表面光学特性分析是指太阳电池背面的特征对电池正面效率的影响部分。对于单面PERC太阳电池来说，背面几乎完全被金属覆盖，光学特性差异较小，而对于双面PERC电池来说，有必要对背面的特性进行分析测试，因为背面的设计也会明显影响陷光特性。

我们知道，太阳电池中的金属电极对于光来说是一个反射镜。因此，在双面PERC太阳电池中，背面铝栅线的宽度以及栅线数目也即背面金属覆盖率会影响太阳电池的内背反射。

双面PERC太阳电池背面除了金属覆盖区域之外，膜层的设计对陷光特性有明显的影响。在上文对反射率曲线的说明中（图2），我们已经知道长波段反射率的上升是由于背表面的内背反射造成的。在硅片厚度不变的基础上，我们需要更多的内背反射来提高长波光的光谱响应。这一部分的对比分析中，我们重点来比较分析背面设计对内背反射的影响，主要分析手段包括背表面形貌测试、反射率测试及透射率测试。如图5所示是双面PERC太阳电池的光路示意图，入射光在硅体内不断被吸收，未吸收完的长波光在背面部分反射部分投射，反射率会硅体内的光继续不断被吸收直到在正表面逸出或者再次被反射回硅体内。基于正表面膜层结构差异不大，我们通过正面反射率测试，对长波段光的反射率进行对比，就可以知道两个电池内背反射率的差异，对于不同厚度的太阳电池，我们可以比较长波段反射率曲线的斜率绝对值，越大说明内背反射率越高。对于前表面膜变化较大的情况，我们可以通过测试透射率来评估背表面的陷光特性，透射率越低越好。

图5双面PERC太阳电池的光路示意图

内背反射率的提高可能有不同的原因，可以来自背面膜层的设计，也可以来自背表面形貌的变化，也可以来自金属覆盖率的差异，因此，在进行反射率测试或者透射率测试进行对比的时候，需要测试几种不同情况下的曲线：完整电池、腐蚀去除金属栅线后、腐蚀去除背面钝化膜后。通过三种曲线的对比，我们就可以明确，内背反射率的高低的影响因素。图6所示为优化膜层结构的反射率对比（DOI: 10.1002/pip.3475），可以看出，经过正表面及背表面的膜层设计，短波的反射率可以降低，长波的内背反射率也可以获得提高。膜层的信息可以根据上文中提到的方法进行深入分析。

图6 不同膜层结构的反射率曲线对比

本部分建议收集的数据：

a）铝栅线的线宽线高及数目

b）计算背面金属覆盖面积

c）完整电池的反射率曲线或透射率曲线

d）腐蚀去除背面金属电极的反射率曲线或透射率曲线

e）进一步腐蚀去除背面钝化膜的反射率曲线或透射率曲线

f）背表面形貌

g）背面膜层测试分析

2. 复合特性分析

上面光学分析部分只设计太阳电池的陷光特性，也即只与太阳电池的短路电流有关，本部分的分析跟太阳电池的开路电压、短路电流及FF都有关系。我们先来看一下哪些因素会影响太阳电池的开路电压、短路电流及填充因子，如表1所示，我们会发现，影响开路电压的参数都会影响短路电流，这是因为这些因素都是通过影响光生载流子的收集效率来影响短路电流的，另外需要说明的是，填充因子的影响因素中，并联电阻在正常情况下都已经足够大，对填充因子的影响较小，结区复合是通过影响J02来影响填充因子的，钝化界面复合一般主要影响J01以及开路电压，但在现在的双面钝化高效太阳电池中也会影响J02，这两个因素都会影响填充因子。

表1：太阳电池各参数的影响因素

参数影响因素（不分先后）

开路电压

硅片少子寿命、扩散层复合、结区复合、前表面复合、背表面复合、金属接触界面复合

短路电流

硅片少子寿命、扩散层复合、结区复合、前表面复合、背表面复合、金属接触界面复合、金属遮光、前表面反射、内背反射、硅片厚度、钝化层吸收

填充因子

串联电阻、并联电阻、结区复合、钝化界面复合

2.1 IQE几乎是最简单便利的复合特性分析工具

量子效率（QE）设备是太阳电池制造企业普遍配备的测试工具，它直接测试的是外量子效率（EQE），再结合反射率测试，我们就可以得到内量子效率（IQE）曲线。外量子效率反映了太阳电池将总入射光转化为电能的能力，而内量子效率反应的是太阳电池将进入太阳电池体内的光转化为电能的能力，内量子效率主要反应的是复合特性，而外量子效率综合了陷光特性。我们先来看以下IQE的曲线组成，如图7所示，IQE曲线的X轴是波长，Y轴是量子效率，因为波长越短的光，吸收深度越浅，因此不同的波长的量子效率反映了太阳电池不同深度的复合特性。例如紫外波段的IQE数值反应的是前表面的复合特性，包括表面钝化情况、扩散层复合等，中波段IQE反应的是硅片少子寿命，长波段IQE受少子寿命及背表面复合速度共同影响，在少子寿命足够高的基础上，主要反应背表面的钝化特性。因此，IQE测试是一种非常便利的分析太阳电池复合特性的测试手段，在IQE测试的基础上进一步结合其他测试手段，可以对太阳电池的复合特性进行全面的评估。

图7 太阳电池IQE曲线的组成

类似的，不同波长的LBIC也是好用的复合特性分析工具，这是少子寿命测试仪wt-2000的一个功能模块，典型的测试图如图8所示，分别利用四个不同波长的激发光进行LBIC测试（405nm、662nm、852nm和974nm），可以分别对不同深度的复合活性进行评估，405nm反应的是正表面复合特性，662nm及852nm反应硅片体内的载流子复合特性，974nm也是受少子寿命和背表面复合的共同影响，在852nm比较正常的情况下，974nm如果比较差，就说明主要原因是背表面钝化问题。

在利用IQE或者LBIC确定太阳电池的问题或者差异主要在哪一部位的基础上再去进行进一步分析就可以对症下药，快速解决问题或者弥补差距。

图8 不同波长的LBIC扫描图

这一部分建议收集的数据：

a）无偏置光以及有偏置光条件下的IQE曲线

b）不同波长的LBIC扫描图

c）利用上述数据确定太阳电池效率差异产生的部位

2.2 太阳电池中硅片少子寿命的确定及正背表面复合速度的确定及分析

首先将太阳电池前后表面的电极用酸去除，前后表面的钝化膜腐蚀去除，然后采用碱抛光或者酸抛光的方法将扩散层腐蚀去除，只保留硅片基体。腐蚀完成以后先测量剩余的硅片厚度，之后利用Sinton WCT-120结合碘酒钝化测试硅片的少子寿命，碘酒浓度0.01mol/L，碘酒钝化后的表面复合速度可以设定为10cm/s，然后利用公式1/τeff=1/τbulk+2S/W来计算体少子寿命，其中S是表面复合速度，W是硅片厚度。另外，正表面的扩散层掺杂浓度曲线通过ECV测试来获得。

在获得体少子寿命及掺杂浓度曲线的基础上，我们就可以利用PC1D模拟软件来确定正、背表面复合速度。如图9所示，将测试得到的IQE曲线导入PC1D软件中，在PC1D软件中各部分输入合适的数值，包括我们刚刚获得的硅片体少子寿命值，使得模拟得出的IQE曲线于测试得到的曲线尽量完全重合，此时输入参数中的正、背表面复合速度基本就是这个太阳电池片的综合正、背表面复合速度。

我们知道，对PERC太阳电池来说，正表面复合速度主要由正面钝化膜、掺杂浓度曲线及结特性影响，这几个参数的对比可以通过测试J0e，ECV以及Suns-Voc中的J02以及ideality factor来进行对比。对于背表面复合速度来说，它是由钝化区的表面复合速度以及金属接触区的复合速度来共同影响的。钝化区的复合速度可以通过设计实验实际测试获得，金属接触区的复合速度可以根据公式Seff=Smetal*A+Spassivation*B来计算获得，其中A和B分别是金属接触区的面积占比以及钝化区的面积占比。在获得金属接触区复合速度的基础上，我们可以进一步对PERC电池背面的局域铝背场进行分析测试，包括用SEM观察局域背场的宽度（一般来说越宽越好），利用ECV或者SIMS测试局域背场中的掺杂浓度曲线（一般来说掺杂浓度越高越好）。对于正面银硅接触界面的复合特性，可以参照文献DOI: 10.1109/JPHOTOV.2020.3003792进行实验测试。通过这些对比我们就会知道，太阳电池的复合特性差异的主要来源，是由于硅片少子寿命的影响、扩散曲线的影响、还是背面钝化膜的影响还是局域铝掺杂区的影响。

图9 PC1D中IQE曲线的拟合

这一部分建议收集的数据：

a）硅片体少子寿命

b）扩散掺杂浓度曲线

c）正、背表面复合速度

d）钝化膜区域表面复合速度

e）金属接触区域表面复合速度

3. 电阻特性分析

首先在太阳电池的电性能参数测试中我们就可以获得串联电阻、并联电阻等参数，其中串联电阻是我们主要关心的数据。串联电阻主要包括硅片电阻率、扩散层电阻、正面栅线接触电阻、银栅线传导电阻、背面铝电极接触电阻、铝栅线传输电阻。这其中受工艺影响的部分我们需要细致分析。

3.1 栅线图形分析

栅线图形分析包括银栅线数目、背面开孔图形及开孔率、栅线宽度、高度及截面积、主栅数目等。

3.2 接触电阻测试分析

传输线法（TLM）是常用的测试比接触电阻率的方法，方法的原理如图10所示，具体的步骤不在这里赘述，可以参考相关文献进行详细了解(DOI: 10.1007/s10854-011-0295-z, www.pveducation.org/pvcdrom/tlm-measurement)。基于此方法，可以直接将获得的太阳电池片进行激光划片之后进行测试并计算得到不同太阳电池片比接触电阻率的差异。通过在太阳电池片的不同区域进行比接触电阻率的测试，可以获得接触电阻的面分布特性。在了解差异的基础上通过浆料调整、扩散曲线调整或者烧结工艺调整来进一步改善比接触电阻率。

图10 TLM法测试比接触电阻率的方法原理

TLM这个基本方法可以获得比接触电阻率的绝对值，因此不同样品直接测试获得的数值可以进行横向比较。商品化的设备Core Scan可以进行接触电阻的面分布测试，但这个方法不能获得接触电阻的绝对值，只能进行相对比较。如图11所示，Core Scan的测试原理是在有负载导通的太阳电池光照情况下，位于光斑中心的探针在扫描过程中划穿钝化膜保持与硅或栅线的接触，扫描过程中测试扫描探针与正面电极之间电势差的变化，由于电池处于短接状态，光生电流从扩散层流向栅线，电势差可以反应出栅线与硅接触电阻的差异以及扩散层与探针接触电阻的差异。如图11展示的线扫描曲线，周期出现的最低点即是探针扫描到栅线的位点，两个最低点之间电势差变化由扩散层电阻、接触电阻共同影响。通过设置多线扫面，我们可以获得接触电阻的面分布图形，如图12所示，左图展示的是正面电阻基本正常的太阳电池片，而右图的太阳电池片中间区域接触电阻偏高且断栅较多。

图11 Core Scan设备测试原理及典型线扫描图示例

图12 Core Scan面扫描图。左：基本正常的太阳电池片；右：中间区域接触电阻偏高且断栅较多的太阳电池片

最后总结一下，本文介绍了从光学特性分析、复合特性分析以及电阻特性分析三个方面从不同太阳电池片之间分析差异，光学方面重点关注栅线遮光、绒面及前后表面的钝化减反射膜，复合方面重点关注扩散层掺杂曲线、前后表面的钝化，电阻方面重点关注正面银栅线的接触电阻，从这些方面找到差异的原因并对症下药，从巨人的肩膀上找到工艺技术提升的方法。