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晶體硅太陽電池表面金屬化工藝及性能研究 專業(yè)：材料物理與化學(xué) 碩士生：李軍勇 導(dǎo)師：沈輝教授 摘要 金屬化工藝是晶體硅太陽電池制備過程中最為關(guān)鍵的工藝之一。目前晶體硅 太陽電池使用最為廣泛的金屬化工藝包含前、背電極及背表面場的絲網(wǎng)印刷和燒 結(jié)工藝。研究金屬化工藝參數(shù)，電極形成機(jī)理以及電池性能參數(shù)對提高金屬化工 藝應(yīng)用水平具有重要的意義。 本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下： ( 1 ) 研究了燒結(jié)工藝和不同漿料對太陽電池輸出性能的影響。采用物理提 純法硅片制作太陽電池，基于特定漿料和方塊電阻值，并通過改變燒結(jié)最高溫度 和網(wǎng)帶速率( 頻率) 來優(yōu)化燒結(jié)工藝，得到最佳的燒結(jié)溫度8 7 0 。c 和網(wǎng)帶頻率4 2 h z 。 采用p c i d 軟件對不同的硅基底和前表面摻雜濃度進(jìn)行模擬計算，前表面摻雜濃 度越低，開路電壓v o c 、短路電流i s c 、填充因子f f 、轉(zhuǎn)換效率e t a 數(shù)值越高， 而對于硅基底摻雜濃度升高變化，除i s c 單調(diào)遞減之外，其它各參數(shù)都是先遞增 后遞減。針對兩種不同a g 漿料，分別在不同方塊電阻的硅片上制備太陽電池， 比較分析了各組太陽電池的輸出性能參數(shù)，短路電流隨方阻值升高而升高。b 2 漿料在高方阻硅片上具有更優(yōu)異的適應(yīng)性，在4 7 9q 口方阻上轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最 高。經(jīng)工藝優(yōu)化后，轉(zhuǎn)換效率繼續(xù)提高了o 2 6 。 ( 2 ) 前電極的a g s i 接觸形成機(jī)理以及電流傳輸機(jī)制目前還沒有得到很好 的解釋。本文利用s e m 和e d s 分析技術(shù)對前電極燒結(jié)工藝以及a g s i 接觸的形 成機(jī)理進(jìn)行了分析，提出了四種a g s i 界面的接觸形式，并根據(jù)不同的界面接觸 形式，提出了兩步隧道效應(yīng)和多步隧道效應(yīng)電流傳輸機(jī)制是最主要的電流傳輸方 式。 ( 3 ) 本文對太陽電池中產(chǎn)生旁路結(jié)的原因及機(jī)理進(jìn)行了分析，仿真模擬了 旁路結(jié)線性部分和非線性部分對太陽電池開路電壓的影響。當(dāng)并聯(lián)電阻大于1 q 時對開路電壓的影響開始變小，當(dāng)耗盡區(qū)復(fù)合飽和電流小于i o - 7 a 時對開路電壓 的影響可以忽略。利用s u n s - v o c 技術(shù)可以測量太陽電池的理想因子以及漏電流 大小，從而判斷旁路結(jié)的情況，測試結(jié)果與模擬結(jié)果相吻合。采用紅外熱成像系 統(tǒng)觀察太陽電池旁路結(jié)，可檢測到明顯的旁路結(jié)漏電區(qū)域，通過切除太陽電池局 部微小旁路結(jié)漏電部分，開路電壓和轉(zhuǎn)換效率可得到明顯提升，電池并聯(lián)電阻與 開路電壓關(guān)系的測試結(jié)果與模擬結(jié)果一致。 關(guān)鍵詞：絲網(wǎng)印刷燒結(jié)旁路結(jié)量子效率s u n s - v o c 2 a n a l y s i so ft h es u r f a c em e t a l l i z a t i o np r o c e s sa n dp e r f o r m a n c eo fc r y s t a l l i n e s i l i c o ns o l a rc e l l s m a j o r ：m a t r i a l sp h y s i c sa n dc h e m i s t r y n a m e ：l ij u n y o n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rs h e nh u i a b s i r a c l m e t a l l i z a t i o ni so n eo ft h em o s tc r u c i a lt e c h n o l o g i e si nt h em a n u f a c t u r i n g p r o c e s so fc r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l c u r r e n t l y , t h em o s tp o p u l a rm e t a l l i z a t i o n p r o c e s si n c l u d e st h es c r e e n - p r i n t i n ga n ds i n t e r i n go ft h ef r o n t b a c ke l e c t r o d e sa n d b a c ks u r f a c ef i e l d i ti sa s i g n i f i c a n tw o r k t os t u d yt h ep a r a n a e t e r so f t h em e t a l l i z a t i o n , f o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h ee l e c t r o d ea n dt h ee f f e c tt ot h ep e r f o r m a n c eo ft h es o l a r c e l l t h et h e s i si n c l u d e st h ec o n t e n t 嬲f o l l o w i n g ： ( 1 ) w ei n v e s t i g a t et h ee f f e c to fs i n t e r i n gp r o c e s sa n dd i f f e r e n ta gp a s t e st ot h e o p e n - c i r c u i tv o l t a g e u s i n gt h es i l i c o nw a f e r sp u r i f i e db yp h y s i c st e c h n i q u e ，w e o p t i i i l i z et h es i n t e rp r o c e s sb ya d j u s t i n gt h eh i g h e s tt e m p e r a t u r ea n dt h et r a n s f e r v e l o c i t yt om a n u f a c t u r es o l a rc e l l s ，w eo b t a i nt h eo p t i m a lt e m p e r a t u r ea t8 7 0 * ( 2a n d 4 2h zf r e q u e n c yf o rt h et r a n s f e rv e l o c i t y t h ee f f e c to f d o p a n tc o n c e n t r a t i o nt ot h e p e r f o r m a n c eo fs o l a rc e l li sa l s os t u d i e db yp c1d w ec o n c l u d et h a tt h eh i g h e rs h e e t r e s i s t a n c ei ss u i t a b l ef o rm a n u f a c t u r i n gh i g h e re f f i c i e n c ys o l a rc e l l s t h e r ea r et w o t y p e so fp a s t et oa p p l yt od i f f e r e n ts h e e tr e s i s t a n c es i l i c o nw a f e r s w ec o n c l u d et h a t o n eo ft h ep a s t eb 2h a sb e t t e rp e r f o r m a n c ei nt h eh i g hs h e e tr e s i s t a n c ec o n d i t i o n t h r o u g ha n a l y z i n gt h ee l e c t r i c sp a r a m e t e r s a f t e ro p t i m i z i n gt h ed i f f u s i o na n d s i n t e r i n gp r o c e s s ，t h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo f s o l a rc e l l si n c r e a s e s0 2 6 ( 2 ) w ei n v e s t i g a t et h es i n t e r i n gp r o c e s so ff r o n tc o n t a c t sa n dt h ef o r m a t i o n m e c h a n i s m so fa g - s ic o n t a c t su s m gs e ma n de d sm e t h o d f o u rt y p e so fi n t e r f a c e s t r u c t u r e so f a g - s ic o n t a c t sa r ep r e s e n t e d ( 3 ) w ea n a l y z et h em e c h a n i s mo fs h u n t sr e s u l t e df r o ms o l a rc e l l sp r e p a r a t i o n p r o c e s s t h ee f f e c to fl i n e a ra n dn o n l i n e a rp a r t so fs h u n t so no p e n - c i r c u i tv o l t a g eo f t h ec e l l si ss i m u l a t e d u s i n gt h es u n s - v o ct e c h n i q u e ，w ea n a l y z et h ed i o d ei d e a l i t y 3 f a c t o ra n dl e a k a g ec u r r e n t t h et e s t e dd a t ai sc o n s i s t e n tw i t ht h es i m u l a t i n gd a t a u s i n gt h ei n f r a r e dt h e r m o g r a p h ys y s t e m , t h el e a k a g ec u r r e n to fs h u n t sc o u l db e d e t e c t e dd i s t i n c t l y t h eo p e n - c i r c u i tv o l t a g ea n dc o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya r ep r o m o t e d o b v i o u s l yb yc u t t i n gt h em i n o rr e g i o n so fs h u n t so b s e r v e di ni n f r a r e di m a g e s k e y w o r d s ：s c r e e n p r i n t i n g s i n t e r i n g s h u n tq es u n s - v o c 4 論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下， 獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi) 容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過 的作品成果。對本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均 已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié) 果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 日期：20 0 9 年6 月 1日 學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 本人完全了解中山大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即： 學(xué)校有權(quán)保留學(xué)位論文并向國家主管部門或其指定機(jī)構(gòu)送 交論文的電子版和紙質(zhì)版，有權(quán)將學(xué)位論文用于非贏利目的 的少量復(fù)制并允許論文進(jìn)入學(xué)校圖書館、院系資料室被查閱， 有權(quán)將學(xué)位論文的內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用 復(fù)印、縮印或其他方法保存學(xué)位論文。 學(xué)位論文作者簽名：緬鋤簽名：船 日期：200 9 年6 月1 日日期：20 09 年6 月1 日 晶體硅太陽電池表面金屬化工藝及性能研究 第一章緒論 1 1 晶體硅太陽電池理論基礎(chǔ) 1 1 1 理想晶體硅太陽電池 太陽電池是一種能夠直接將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能的電子器件。晶體硅太陽 電池是目前市場上應(yīng)用最為廣泛的一種太陽電池。對p 型或n 型硅襯底進(jìn)行相反 類型的源摻雜，形成n + 或p + 型發(fā)射區(qū)，經(jīng)電子擴(kuò)散之后形成內(nèi)建電場，可將光 照條件下產(chǎn)生的光生載流子進(jìn)行分離。常規(guī)晶體硅太陽電池結(jié)構(gòu)及工作原理如下 圖1 - 1 所示： l s u n l i g h t l 融洲g r i d - - x ( 舢n 航： 豳豳豳黝豳 n - t ) p el a y e r h + ，0 l 尹- t y p e l a y e f h + ， j m e t a lc 。n l 猶i 圖1 - 1n p p + 型晶體硅太陽電池結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖 太陽電池理想i v 特性方程，即工作狀態(tài)電流電壓關(guān)系式，如式1 - i 1 l ： m 一厶w lk 蚓n k l ) 一，他1 ) 其中，q 為電子電量，k 為玻爾茲曼常數(shù)，t 為絕對溫度，i 。為二極管飽和電 1 晶體硅太陽電池表面金屬化工藝及性能研究 流，i p h 為光生電流，n 為二極管理想因子。 一般晶體硅太陽電池i - v 曲線如圖 1 2 所示，縱坐標(biāo)表示電流，最大值為短路電流i s c ，橫坐標(biāo)表示電壓，最大值 為開路電壓v o c 。 i s c 1 1 2 短路電流( i s c ) 圖1 - 2 太陽電池i - v 曲線圖 v o cv o l t a g e 當(dāng)太陽電池的輸出電壓為0 ，即外接電路短路時，流經(jīng)太陽電池體內(nèi)的電流 為短路電流i s c ，對于理想太陽電池，短路電流就等于光生電流i 。，所以短路電 流的大小和以下幾個因素相關(guān)聯(lián)： ( 1 ) 太陽電池的面積。通常在分析時利用短路電流密度概念j s c ，即單位 面積上流過的電流，單位為a c m 2 。 ( 2 ) 光照強(qiáng)度以及光譜分布。 ( 3 ) 太陽電池的減反射、陷光效果和前表面柵線的遮擋面積。 ( 4 )電子收集效率。這主要取決于表面鈍化效果以及少子壽命。如在非常 好的表面鈍化和一致的電子空穴對產(chǎn)生率條件下，短路電流密度2 1 為： 厶= g g 憶。+ l p j ( 1 2 ) 其中g(shù) 為電子空穴產(chǎn)生率，l n 、l p 分別為電子和空穴擴(kuò)散長度。 2 晶件# 陽電池表面?zhèn)}屬化i 藝及性能研究 1 1 3 開路電壓( v o c ) 當(dāng)太陽電池外接電路丌路時可得到太陽電池的有效最大電壓，即開路電壓 v o c 。在開路狀態(tài)下，流經(jīng)太陽電池的凈電流為0 。在方程( 卜1 ) 中，令i - 0 ， 可得到： = 警t 悖+ - ) m 。， 從中可以看出，v o c 的大小與以下因素相關(guān)： ( i ) 光生電流i 舭可以看出，i 的改變量有限，其對v o c 的大小影響也較小。 ( 2 ) 反向飽和電流i 。在太陽電池中，i 。的變化通?？蛇_(dá)幾個數(shù)量級，所以它 對v o c 的影響非常大。而i 。決定于太陽電池的各種復(fù)合機(jī)制，所以通常 v o c 的大小可以用柬檢測太陽電池的復(fù)合大小。 1 1 4 填充因子( f f ) v o c 和i s c 是太陽電池所能達(dá)到的最大電壓和電流值，但是，從i v 特性曲 線上可以看出，此時的輸出功率為0 。填充因子表示最_ 人功率點(diǎn)處功率與v o c x i s c 的比值。 根據(jù)理想i - v 特性方程 = 0 ，可得到超越方程： 好芋1 i l ( 等+ c v 圖i - 3 填充田于f f 定義示意圖 可求得最大功率點(diǎn)處v m p ，解微分方程d ( i v ) d v ( 卜4 ) 晶體硅太陽電池表面金屬化工藝及性能研究 該方程只是v n l p 和v 0 c 的關(guān)系，若要得到f f 和i l 坤還需要另外的方程， 非常復(fù)雜。般計算f f 可采用經(jīng)驗(yàn)公式3 l ： 阿：堡二坐蝗q ：z 壟 v w + l ( 卜5 ) 其中v 定義為“歸一化v o e ， k 2 去 ( 1 - 6 ) 根據(jù)方程( 1 6 ) ，高的開路電壓可得到高的填充因子。 1 1 5 轉(zhuǎn)化效率( e t a ) 太陽電池轉(zhuǎn)換效率e t a 是表示單位面積上將輻照能量轉(zhuǎn)換為多少電能的量。 通常定義為： e 幻：墨生：i x f f 最 匕 ( 1 7 ) 其中p 。表示入射光功率。 轉(zhuǎn)換效率越高，表示在單位面積上單位輻照強(qiáng)度下能產(chǎn)生更多的電能。其大 小與v o c 、i s c 、f f 息息相關(guān)。 1 1 6 晶體硅太陽電池性能的影響因素 1 1 6 1 特征電阻r 硎 特征電阻表示在最大功率點(diǎn)條件下太陽電池的負(fù)載電阻。當(dāng)負(fù)載電阻等于特 征電阻時，太陽電池的最大功率加載到負(fù)載上，太陽電池也同時運(yùn)行在最大功率 條件下。如圖1 - 4 所示： y = l 呷 ( 1 - 8 ) 也可近似表示為： 5 專 m 9 ) 所以一般的電流電壓關(guān)系可表示為：i = v ，r c h 晶體硅太陽電池表面金屬化工藝及性能研究 圖h 特征電阻r c h 定義示意圖 1 1 6 2 串聯(lián)電阻( r s ) 和并聯(lián)電阻( r s h ) 太陽電池的自身電阻的存在消耗了太陽電池的功率，降低填充因子和轉(zhuǎn)換效 率，通常指串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻，如圖1 5 所示。由于電阻的值與面積密切相關(guān)， 通常在分析時采用“歸一化電阻( n o m a l i z e dr e s i s t a n c e ) 概念，其單位為q c m 2 ， 根據(jù)歐姆定律，將i 值以j 值替代，得到： r ( q c m 2 ) ：v j( 1 】0 ) v 圖1 - 5 太陽電池串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻不慈圖 串聯(lián)電阻主要來自于以下四個方面： ( 1 ) 晶體硅的體電阻和發(fā)射區(qū)電阻，即p n 結(jié)兩側(cè)p 區(qū)和n 區(qū)材料的電阻。 ( 2 )電極用的金屬與硅表面層的接觸電阻，即正面和背面的金屬與半導(dǎo)體表面 之間的接觸電阻，也包括p n 結(jié)深度、雜質(zhì)濃度和接觸面積大小的影響， 這是串聯(lián)電阻最大的部分。 ( 3 ) 器件內(nèi)部和外部線路互相連接的引線接觸電阻。 ( 4 ) 電極接觸用的金屬本身和它們的互聯(lián)電阻。 并聯(lián)電阻主要與晶體硅材料質(zhì)量和太陽電池制造過程中引入的缺陷和雜質(zhì) 有關(guān)，并聯(lián)電阻使光生電流產(chǎn)生反向分流，降低工作電壓，嚴(yán)重影響填充因子。 s 晶體硅太陽電池表面金屬化工藝及性能研究 其主要來自四部分。 ( 1 ) 太陽電池周邊因擴(kuò)散p - n 結(jié)時會引入p - n 結(jié)完全或部分的短路。 ( 2 ) 非理想的p - n 結(jié)或p - n 結(jié)內(nèi)部不完善部分的漏電短路。 ( 3 ) 襯底和薄膜層及p n 結(jié)之間的部分漏電。 ( 4 ) 多晶體或薄膜的晶體界面的部分漏電。 并根據(jù)圖1 - 5 ，太陽電池單二極管模型i v 特性方程嗍： 一厶 e x p 掣 - l 警 ” 考慮串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻的影響，得到填充因子表達(dá)式( z - 1 2 ) ， 職= 卜，冉辨警黜乩+ 黜塒 其中f f o 為理想狀態(tài)的填充因子， ，：生 3 尺刪 ( 卜1 3 ) 2 毒 ” 1 1 6 3 溫度對太陽電池的影響 如同多數(shù)半導(dǎo)體器件一樣，太陽電池的運(yùn)行狀態(tài)對溫度的變化也比較敏感。 溫度的升高，可使硅材料的禁帶寬度降低，電子具有更低的能量就可從價帶越過 禁帶到達(dá)導(dǎo)帶，短路電流會有提高。溫度的變化，影響最大的是v o c ，如圖卜6 所示嘲： v 船餅翻嘲v 圖卜6 溫度對太陽電池電流、電壓的影響示意圖 6 晶體硅太陽電池表面金屬化工藝及性能研究 隨溫度升高，v o c 降低，主要是由于反向飽和電流i 。對溫度非常敏感。 厶= 叫簧 ” 其中q 為電荷，d 為少子擴(kuò)散系數(shù)，l 為少子擴(kuò)散長度，n 。為摻雜濃度，n t 為本 征載流子濃度，以上的幾個參數(shù)中，基本上都是溫度的函數(shù)。 1 1 6 4 復(fù)合機(jī)制 光生載流子的復(fù)合損失不僅影響電流的收集( 降低短路電流) ，而且影響正 偏注入電流( 降低開路電壓) 。光生載流子的復(fù)合主要分為表面復(fù)合、體區(qū)復(fù)合 以及空間耗盡區(qū)復(fù)合，而前兩者為主要的復(fù)合，如圖1 7 所示2 1 。 1 2 研究意義 w a v e l e n g t h 圖1 7 太陽電池表面與體區(qū)復(fù)合示意圖叫 能源緊張和環(huán)境污染促使世界各國積極尋求可代替常規(guī)化石能源的綠色可 再生能源。光伏發(fā)電是一種利用光伏效應(yīng)將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的新型發(fā) 電技術(shù)，因其具有資源無限、清潔安全、長壽命等優(yōu)點(diǎn)，所以被普遍認(rèn)為是最有 發(fā)展前途的可再生能源。歐、美、日等一些發(fā)達(dá)國家為了鼓勵光伏發(fā)電的使用， 出臺了一系列補(bǔ)助政策，更是推動了光伏發(fā)電的發(fā)展，在2 0 0 8 年太陽電池產(chǎn)量 達(dá)到了6 8 5 g w ，安裝量達(dá)到了5 5 5 9 g w 5 1 。中國也在2 0 0 9 年3 月份出臺了光伏 應(yīng)用發(fā)電相關(guān)補(bǔ)貼政策，也會推動國內(nèi)光伏應(yīng)用跳躍式發(fā)展。 對于我國太陽電池行業(yè)來說，近幾年的發(fā)展非常迅速，現(xiàn)在已成為世界上最 7 品體h e 太跨1 n 池表面e 幅* l 藝絲性能m 究 大的太陽電池偉0 造基地。然而，與國外相比我國 陽電池生產(chǎn)線咒鍵設(shè)備f “重 依賴進(jìn)f i ，日主要生產(chǎn)常規(guī)硅基太陽電池；研究太陽電池的科研力量還非常薄弱， 對1 + 新結(jié)構(gòu)島效電池的研發(fā)還處于起步階段。 由此，針對國內(nèi)a 陽電池發(fā)展現(xiàn)狀以及當(dāng)前國內(nèi)外生產(chǎn)工藝較大的著距，本 文對太陽電池表而金屬化工藝進(jìn)行了研究，并對a 陽電池輸卅性能進(jìn)行丁分析。 通過對燒結(jié)工藝、島與附漿料、a g s i 接觸咀及旁路結(jié)等方面的研究，期望使得 1 業(yè)化生產(chǎn)過程得到簡化，時提高轉(zhuǎn)換效率。這對于提高我幽晶體畦太剛1 n 池 制備技術(shù)水平，具千f 重要的意義和參考價值。 1 3 國內(nèi)外晶體硅太陽電池發(fā)展現(xiàn)狀 1 3 1 晶體硅太陽電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀 近幾年吐界太陽l 乜池行業(yè)迅猛發(fā)展。歐洲光伏工業(yè)協(xié)會e p i a ( e u r o p e a n p h o t o v 0 1t a l ci n d u s t r ya s s o c i a ：i o n ) 對1 9 9 8 年以米光伏 j ：、的發(fā)勝狀況進(jìn)行 了總結(jié)，如圖卜8 ，卜9 所示“1 。2 0 0 8 年，眥界總的光伏安裝吊達(dá)到了55 5 9 g w ， 西班玎受凼內(nèi)光伏刺激政策影響，成為世界e 年安裝量最大的圓家，超過以往的 德罔、本和茭罔。e p i a 預(yù)測到2 0 1 3 年，1 廿界光伏安裝量將會達(dá)剁2 23 2 5 g w ， 如圖l j04。 蚓2 - 8 世界各地匣近兒年累汁光伏宜犍艟 譬巍 _ - 蛐蛐啪m聊聊砌啪嘞啪蝴咖咖。 品體硅太陽電池表面盤屬化工藝廈性能研究 - j- 圖i 世界各地吒年度光伏安裝量“ 5 。? = = ：二= = ：誓i2 i i 。_ i。= = ：二= = ：誓_ 削1 - 1 0 全球年度光伏安裝量及預(yù)測1 9 而根據(jù)s o l a r b u z z 的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2 0 0 6 年的全球太陽電池產(chǎn)量為6 8 5 g w 比2 0 0 7 年的3 4 4 g w 增長近1 0 0 ，產(chǎn)能利用率由2 0 0 7 年的6 4 提高到6 7 。 薄膜電池產(chǎn)量2 0 年達(dá)到8 9 0 m w ，增長1 2 3 。中國大陸和臺灣的太陽電池的 產(chǎn)量繼續(xù)提高，其產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的份額由2 0 0 7 年的3 5 增長到4 4 ，繼續(xù) 保持第一大光伏生產(chǎn)國的地位。全球光伏行業(yè)銷售收入3 7 1 億美元。 _ 為割型蘭 一_ 簪芝，j； = - ，薯 蘭筍。 蘭i|；生二l | j ： lm覃。一：*蘭 ! 釜剖警一 熹。一一一 毒 晶體硅太陽電池表面盤?；痠 藝挫性能研究 根據(jù)2 0 0 9 年3 月出版的 p h o t o n 雜志，2 0 0 8 年世界太陽電池產(chǎn)量按生產(chǎn) 公司排名如表1 - 1 。 表1 2 0 0 8 年a 陽電池產(chǎn)最世界前5 名 排名公司產(chǎn)量地區(qū) 1 q - c e l l ss e 5 8 16 m w g e r m a n y f i n ts o l a ri n c5 0 4 m w 3s u n t e c hp o w e r c ol t d4 9 75 m wc h i n a 4 s h a r pc o r p 4 7 3 m w j a p a n 5j as o l a rh o l d i n g sc o l t d3 0 0 m wc h i n a 其中中田有兩家公司排名進(jìn)入了世界前5 。中國大陸地區(qū)總產(chǎn)最占世界總產(chǎn) 量的2 6 ，略低于歐洲( 占2 7 ) 。 1 3 2 高效晶體硅太陽電池發(fā)展現(xiàn)狀 目前，太陽電池市場r 主流產(chǎn)品仍然是常規(guī)絲網(wǎng)印刷單p - n 結(jié)晶體恥a 陽電 池，其基本結(jié)構(gòu)如圖1 1 1 所不： 。l y- 1 圖1 1 l 常規(guī)晶體硅太剛電池結(jié)構(gòu)示意圖 常規(guī)品體硅太陽電池皋本工藝如下： ( 1 ) 存p 型晶體硅襯底上去除表面損傷層、表而彭 構(gòu)化，主要采州n a o h 溶液。 ( 2 ) 以p o c l 3 液態(tài)源擴(kuò)散織p - n 結(jié)a ( 3 ) 等離子體刻蝕去除邊緣p - n 結(jié)。 曼墮壁查里! ! 蘭墨亙皇璺些三蘭墨堡墮塑壅 ( 4 ) 在氫氟酸溶液中去除磷硅玻璃。 ( 5 ) p e c v d 鍍s i n ，減反射膜。 ( 6 ) 絲網(wǎng)印刷a g a i 背電極并烘干。 ( 7 ) 絲網(wǎng)印刷a i 背場，f ：烘干。 ( 8 ) 絲網(wǎng)印刷a b 電極并燒結(jié)。 ( 9 ) 電池測試分選。 常規(guī)晶體硅太陽電池具有工藝實(shí)現(xiàn)簡單、成本較低、適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn) 等優(yōu)點(diǎn)，但同時轉(zhuǎn)換效率到目前為止還沒有超過1 8 。追求高的轉(zhuǎn)換效率一直是 太陽電池領(lǐng)域研發(fā)的重點(diǎn)和發(fā)展方向。新的電池概念、結(jié)構(gòu)、工藝1 i 斷涌現(xiàn)，使 電池轉(zhuǎn)換效率不斷得到突破，越來越接近效率極限。以下就目前市場上和實(shí)驗(yàn)室 出現(xiàn)的高效晶體硅太陽電池作出些概述。 1 3 2 1 刻槽埋柵電池 刻槽埋柵電池概念于1 9 8 3 年首次在新南威爾士大學(xué)提出來。早在2 0 0 4 年， 就有撤道其平均轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到了1 83 ，其結(jié)構(gòu)示意圖如f ： 圈1 1 2 刻1 昔埋柵太a l 屯池結(jié)構(gòu)示意圖” 基本丁藝91 0 1 如下： ( 1 ) 硅襯底去除損傷層，表面織構(gòu)化。 ( 2 ) 沉積p 2 0 5 至前表面，或者對表面進(jìn)行輕度擴(kuò)散。 ( 3 ) 前表面沉積s i n ，薄膜。 ( 4 ) 激光刻槽，形成柵線圈案。 ( 5 ) 去除激光損傷并清沈。 ( 6 ) 對柵線區(qū)域進(jìn)行高溫重擴(kuò)散，一般是采用p o c l 3 擴(kuò)散源。 ( 7 ) 背面蒸鍍一層a j ，并熱處理形成背面高低結(jié)。 ( 8 ) 化學(xué)鍍m ，并燒結(jié)形成余屬- 硅接觸。 ( 9 ) 在前、背面化學(xué)鍍c u 和a g 。 晶件硅太m 電池表面金科化工藝及性能研究 ( 1 0 ) 激光刻邊。 ( 1 1 ) 電池測試。 1 3 2 2 硼背面場太陽電池 常規(guī)電池一般采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備a i 背場，但此技術(shù)最大的缺陷就是容易 導(dǎo)致太陽電池彎曲，且對背表面的鈍化效果差，復(fù)合速率較高。使用硼背場就能 很好的改善以上缺陷。但是，擴(kuò)散硼技術(shù)相對比較復(fù)雜，且擴(kuò)散溫度非常高，也 會引入一些熱缺陷。有報道m(xù) 1 潑種電池最高效率可達(dá)到1 88 。其結(jié)構(gòu)示意圖如 下： 鹺。i ”i d 。e 幽1 ”硎背表面場太阿1l u 池結(jié)構(gòu)示意斟 基本工藝如下所示： ( 1 ) 硅襯底去除損傷層，表面縱構(gòu)化。 ( 2 ) 在背表面涂硼源，并進(jìn)行硼擴(kuò)散。 ( 3 ) 去除硼硅玻璃。 ( 4 ) 前表面磷擴(kuò)散，去除磷硅玻璃。 ( 5 ) 去除邊緣結(jié)。 ( 6 ) 鍍s i n 。減反射膜。 ( 7 ) 絲網(wǎng)印刷前、背電極并燒結(jié)。 ( 8 ) 電池測試。 1 , 3 2 3 h i t 電池( h e t e r o j u n c t i o n w i t h i n t r i n s i c t h i n l a y e rs o l a rc e l l s ) h i t 電池日前是高教電池研究的熱點(diǎn)之一。自日本三洋公司m 1 將效率超過2 0 的h i t 電池市場化后，人們開始重視非晶硅作為表面鈍化作用的優(yōu)異性能。其結(jié) 構(gòu)示意圖1 - 1 4 。h i t 電池最大的特點(diǎn)是所有工藝都在低溫4 0 0 以內(nèi)完成u 3 1 ，以 及在重?fù)诫s非品硅層和基體層之間引入本征非晶硅層，且在電極與非晶硅層之間 引入導(dǎo)電玻璃薄膜層，大大提高了電子的收集效率。所有的薄膜層沉秘都是采用 p e c v d 法，所以避免了使用高溫環(huán)節(jié)。作為鈍化層的本征非晶硅，從理論上來說， 品體硅太m 電池表面金塒化l ，藝駛性能研究 還可以使用二氧化硅層或碳化硅層等。 剛1 - 1 4h i t 太剛電池結(jié)構(gòu)示意幽m 1 1 3 2 41 b c 太陽電池( i n t e r d i g l t a t e db a c kc o n t a c ts o l a rc e l l s ) 早在1 9 9 7 年l b c 太陽電池n 4 1 就已經(jīng)丌始設(shè)計。目前，美國s u n p o w e r 公司已 經(jīng)量產(chǎn)這種結(jié)構(gòu)電池1 。i b c 太陽電池在前表面沒有電極，所以沒有遮擋，r 吸 收更多的光線，且更能實(shí)現(xiàn)良立_ f _ 的表麗鈍化，減少表面復(fù)合速率。正、負(fù)電極都 制作在背表面，這就要求硅基底材料有很高的少子壽命。同時，在背表面同時制 作兩種電極，工豈實(shí)現(xiàn)難度也非常大。 電池結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 1 5 ； 、k l “l(fā) 】n i、l 【1 1 1 l h ll r m 【。h l i m ll i _ _ 圈1 - 1 5 1 8 c 太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖 1 3 2 5e w t 太陽電池( e m i t t e r w r a p t h r o u g hs o l a r c e l l s ) e w t 太陽電池m ”也是在前表面沒有電極，正、負(fù)都在背表而。但_ = 一個 最大的特點(diǎn)是采用激光將太陽電池貫穿許多孔，在孔周圍進(jìn)行了重擴(kuò)散，在孔 中絲網(wǎng)印刷或者化學(xué)鍍電極，使前表面發(fā)射區(qū)收集的電子，很容易的到達(dá)背表面 電極處。這樣的蹯，對硅材料少子壽命的要求就沒有i b c a 陽電池那么高了所 以可以采用一般的c z 硅片制作電池。電池結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 - 1 6 = 蠢 體硅太m 電池袁面盤屬化i 豈及性能研究 黼1 1 6e w t 太剛l u 池結(jié)構(gòu)示意圖 基本工藝如下所示t ( 1 ) 在p 型硅襯底上激光穿孔。 ( 2 ) 去除硅襯底損傷層并表面織構(gòu)化。 ( 3 ) 矩網(wǎng)印刷擴(kuò)散掩模層。 ( 4 ) 擴(kuò)散磷和去磷硅玻璃。 ( 5 ) 在前背表面分g 鍍s i n 。膜。 ( 6 ) 在p 型區(qū)絲網(wǎng)印刷a l 。 ( 7 ) 在n 型區(qū)始叫印刷a g 】j 二將貫穿7 l 連接起來。或者采用化學(xué)鍍方法。 ( 8 ) 燒鮚。 ( 9 ) 電池測試。 1 3 2 6p e r l 太陽電池( p a s s i v a t e de m i t t e r , r e a r l o c a l l y d i f f u s e d s o l a rc e i l s ) p e r l k 陽電池是由澳大利砸新南威爾士大學(xué)研發(fā)成功并一直保持著單晶 硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率世界紀(jì)錄，商達(dá)2 47 掣。其電池結(jié)構(gòu)如圖1 - 1 7 所示： 幽i 1 7p e r l 太r i 電池結(jié)構(gòu)示意凹u 剮 其制造工藝和結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn)：( 1 ) i t 面采光面為倒命字塔結(jié)構(gòu)，結(jié)合背 電極反射器，形成了優(yōu)異的光陷井結(jié)構(gòu)： ( 2 ) 在正面上燕鍍y m g f 2 z n s 雙層減 1 4 晶體硅太陽電池表面金屬化工藝及性能研究 反射膜，進(jìn)一步降低了表面反射；( 3 ) 正面與背面的氧化層均采用t c a i 藝( 三 氯乙烯工藝) 生長高質(zhì)量的氧化層，降低了表面復(fù)合； ( 4 ) 在正面的氧化層上 蒸鍍鋁膜，然后在3 7 0 c 的合成氣氛中退火3 0 r a i n ，最后用磷酸腐蝕掉這層鋁膜u 訓(xùn)。 該工藝稱之為“a l n e a l 一工藝，經(jīng)過 a l n e a l ”工藝后，載流子壽命和開路電壓都 得到較大提高，而與正面氧化層的厚度關(guān)系不大。這種工藝的原理是，在一定溫 度下，鋁和氧化物中o h 離子發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生了原子氫，在s i s i 0 2 的界面處對一些 懸掛鍵進(jìn)行鈍化。( 5 ) 電池的背電場通過定域摻雜形成。定域擴(kuò)散提供了良好 的背面場，同時減少背面金屬接觸面積，使金屬與半導(dǎo)體界面的高復(fù)合速率區(qū)域 大大減少。并且由于背面濃摻雜區(qū)域的大面積減少，也很大降低背面的表面復(fù)合。 1 3 3 雙面晶體硅太陽電池發(fā)展現(xiàn)狀 雙面太陽電池為實(shí)現(xiàn)單位硅材料產(chǎn)生更多的電能提供了一種非常有實(shí)用前 景的方向。雙面太陽電池相對常規(guī)太陽電池，由于其獨(dú)特的電極和表面鈍化設(shè)計， 在前表面和背表面能同時吸收光線，產(chǎn)生電能；并有著更低的工作溫度捌，負(fù)溫 度效應(yīng)的影響較小。雙面太陽電池在空間應(yīng)用、聚光系統(tǒng)、光伏幕墻等領(lǐng)域有它 獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢。 早在1 9 6 6 年，h m o r i 就提出雙面太陽電池的概念設(shè)計，并申請專利【2 1 1 。而 在1 9 7 7 年第一屆歐洲光伏太陽能會議上，l u q u e 等人2 2 1 首次報道了在硅片兩面 分別制作p - n 節(jié)的雙面太陽電池，其效率不足7 。其后，世界各國眾多研究機(jī) 構(gòu)展開了對雙面太陽電池的研究，新結(jié)構(gòu)和更高的轉(zhuǎn)換效率不斷出現(xiàn)。下面根據(jù) p - n 結(jié)數(shù)量和位置分類來概述雙面太陽電池的研究情況。 1 3 3 t 雙p n 結(jié)雙面太陽電池 1 9 6 6 年首次設(shè)計的雙面太陽電池概念1 2 1 l 如圖1 1 8 所示，在n 型硅片前、背 表面制作p - n 結(jié)( 即p + n p + 結(jié)構(gòu)) ，正、負(fù)電極設(shè)計在硅片的邊緣處。圍繞這一類 型的電池結(jié)構(gòu)，之后進(jìn)行了很多的研究，結(jié)構(gòu)設(shè)計不斷改進(jìn)，轉(zhuǎn)換效率不斷提升， 并尋找能夠適用于低成本大規(guī)模生產(chǎn)的工藝方法。 1 5 晶體硅太陽電池表面金屬化工藝及性能研究 圖1 - 1 8 雙p - n 結(jié)太陽電池1 2 1 l ( 1 表示n 型硅襯底，2 和2 表示p 型發(fā)射極，3 和4 表示電極) 在硅片前、背表面都制作p n 結(jié)，并通過電極與外電路接觸，光生載流子不 需要很長的擴(kuò)散長度就能到達(dá)結(jié)區(qū)，所以這種結(jié)構(gòu)對硅襯底材料的質(zhì)量要求不需 要很高，適合應(yīng)用于低純度硅襯底上。在這種雙p 1 1 結(jié)上，電極可制作在硅片側(cè) 面，也可以在前、背表面。一種典型的雙p n 結(jié)雙面太陽電池結(jié)構(gòu)如圖l 。1 9 2 3 1 所示，在電池的前表面制作全p n 結(jié)，而在背表面制作局部p - n 結(jié)和局部高低結(jié) ( p p + 或n n + ) ；在全p n 結(jié)表面制作一種極性電極，而在另一表面制作交錯的兩 種極性電極。由于在背表面需要實(shí)現(xiàn)交錯的兩種電極，增加了工藝實(shí)現(xiàn)的難度， 同時也增加了背面的遮光面積。這種結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)高效太陽能電池的一種有效方式。 1 9 8 0 年，a c u e v a s 2 4 1 等人就制作過這種結(jié)構(gòu)的雙面太陽電池，在4 c m 2 面積p 型 硅襯底上制作的電池的轉(zhuǎn)換效率只有1 2 7 。1 9 9 3 年，h i t a c h i 公司【2 3 l 報道了在 1 0 c m 2 面積p 型鑄造多晶硅上制作的這種結(jié)構(gòu)的雙面太陽電池，采用絲網(wǎng)印刷技 術(shù)制作前、背電極，通過a g - a i 漿形成a l 背表面場，電池效率前面為1 5 5 背 面為1 2 。到2 0 0 1 年，h i t a c h i 公司研究人員1 2 s 】改進(jìn)結(jié)構(gòu)和工藝，在l c m 2 區(qū)熔 硅襯底上制作出的雙p - n 結(jié)雙面太陽電池，其前表面效率達(dá)2 1 3 ，背表面為 1 9 8 。 1 6 晶體睦太陽l a 池表面金屬化i 藝& 性能研究 圖1 - 1 9 壩 n 結(jié)取面太r i 電池 對于圖1 - 1 9 結(jié)構(gòu)電池，若將背面發(fā)射極不聯(lián)結(jié)電極，則背面的p - n 結(jié)被稱為 浮動結(jié)( f l o a t i n gj u n o t i o n ) ，浮動結(jié)能夠?qū)Ρ潮砻嫫鸬胶芎玫拟g化作用2 2 ”。但是 浮動結(jié)若沒有和背面電極有效的隔離，很容易導(dǎo)致旁路結(jié)的產(chǎn)生，會大幅度降低 太陽電池的開路電壓和填充因子。 2 0 0 1 年，澳大利亞國立大學(xué)在o r i g i ne n e r g y 公司的資助下，成功丌發(fā)了長條 太陽電池( s l i v e rs o l a rc e l l ) 硼。這是一種新型結(jié)構(gòu)電池，在同等發(fā)電量的條件下， 硅材料用量只需要常規(guī)電池的1 0 左右，電池結(jié)構(gòu)類似圖1 - 2 0 2 9 3 0 i o 在約l 2 m m 厚的硅片上刻槽，形成單個的長度為5 0 l o o m m 、寬度為l 2 m m 、厚度為4 0 6 0um 的長條形硅片，但這些小硅片仍然和原硅襯底片相連。在完成擴(kuò)散、氧化、 鍍膜等t 藝后，將各小硅片從村底硅片上分離出來，然后在長條硅片邊緣上制作 電極，制作的電池在光照面上沒有電極的遮擋。由于其獨(dú)特的制作工藝和結(jié)構(gòu)設(shè) 計，電池效率雙面都超過了2 0 ，且還可制作成為柔性彎曲組件。雖然制作長條 太陽電池工藝復(fù)雜，但由于其高效率和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，市場應(yīng)用前景極具優(yōu)勢。 。h | ， 幽1 - 2 0 長條形太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖0 9 】 晶體硅太陽電池表面金屬化工藝及性能研究 1 3 3 2 單p - n 結(jié)雙面太陽電池 ( 1 ) 背表面場雙面太陽電池 常規(guī)太陽電池一般采用p 型硅片，在前表面制作絨面、擴(kuò)散制結(jié)、鍍氮化硅 減反射膜、絲網(wǎng)印刷銀電極，在背表面絲網(wǎng)印刷鋁漿形成背表面場。若將常規(guī)太 陽電池的鋁背表面場由硼背表面場代替，并引入背表面鈍化技術(shù)，就形成了單 p n 結(jié)雙面太陽電池。由于制作太陽電池使用的硅片越來越薄，絲網(wǎng)印刷的鋁背 表面場在燒結(jié)后會使硅片產(chǎn)生較大的彎曲，導(dǎo)致在封裝組件時電池片容易破裂， 采用硼背表面場可有效消除彎曲影響，且能有效降低背表面復(fù)合速率和反向飽和 電流f 3 1 1 。這種結(jié)構(gòu)一般根據(jù)襯底材料的不同，可分為n + p p + 和p + n n + 結(jié)構(gòu)，如圖 1 2 1 所示。該結(jié)構(gòu)電池與常規(guī)太陽電池結(jié)構(gòu)類似，制作工藝與常規(guī)電池基本一致， 在大規(guī)模生產(chǎn)上可以與常規(guī)電池設(shè)備相兼容。 圖1 2 1 單p - n 結(jié)雙面太陽電池結(jié)構(gòu)口2 l 1 9 8 1 年首次報道了3 2 1 p + n n + 結(jié)構(gòu)雙面太陽電池，在5 c m s 大小的n 型區(qū)熔硅片 上，前、背表面分別采用b b r 3 和p o c l 3 制p - n 結(jié)和背表面場，雙面旋涂t i 0 2 減反 射膜和濺射t i p d a g 電極，得到前表面電池效率為1 5 7 背表面電池效率為 1 3 6 。隨著在常規(guī)電池中制造工藝的不斷改進(jìn)，各項(xiàng)新技術(shù)同時應(yīng)用于雙面電 池，使雙面電池的性能逐步提高。 1 9 9 4 年，a m o e h l e c k e 等人【3 3 1 于艮道了一種p + n n + 結(jié)構(gòu)的雙面太陽電池，其前 表面效率達(dá)1 8 1 ，背表面為1 9 1 。該電池采用2 0 “6 0qc m ，2 英寸n 型區(qū)熔 硅片，雙面制絨和熱氧化s i 0 2 減反射膜，以b b r 3 和p o c l 3 制結(jié)和背表面場，并通 過光刻掩膜來定義前、背面電極位置，電子束蒸發(fā)a i - t i p d - a g 前電極和t i p d a g 背電極，最后在4 5 0 。c 溫度下進(jìn)行退火處理。對于這種全表面的p - n 結(jié)和背表面 場電池結(jié)構(gòu)，a m o e h l e c k e 等人實(shí)驗(yàn)分析了n + 表面的效率總是高于p + 面，這是由 晶體硅太陽電池表面金屬化工藝及性能研究 于擴(kuò)散源的不同，p + 面有比n + 面更高的表面復(fù)合速率。 在太陽電池背面采用局部鋁背表面場也可以實(shí)現(xiàn)雙面吸光效果1 。采用2 x 2 c m 2 、p 型1 5 q c m 區(qū)熔硅，雙面制絨和p e c v d 鍍s i n x 減反射膜，以p o c l 3 擴(kuò)散 制結(jié)，而背表面采用掩膜蒸鍍a l 柵線，通過高溫處理在背面形成局部a l 背表面 場。前表面掩膜蒸鍍t i - p d - a g 電極。在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，測得一電池的前、背 面效率分別為1 9 4 、1 6 5 ；另一電池分別為1 8 4 、1 8 1 。 ( 2 ) 刻槽埋刪雙面太陽電池 刻槽埋刪電池是實(shí)現(xiàn)高效電池的有效結(jié)構(gòu)之一【8 1 。在硅片兩面采用激光刻槽 埋刪技術(shù)制作電極；或?qū)⒐杵氨砻嬷恢谱鞅砻鎴?，而在背面交錯刻槽形成p - n 結(jié)和局部背表面場，也可得到理想的雙面吸光效果。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 2 2 。在 8 c m 2 , 1 7 5i lm 厚n 型區(qū)熔硅片上制作的圖1 - 2 2 a 結(jié)構(gòu)的電池，前面效率達(dá)1 6 6 ， 背面為1 6 2 t 3 5 1 。這種結(jié)構(gòu)獨(dú)特的工藝是采用了激光刻槽、選擇性擴(kuò)散和化學(xué)鍍 n j c u 電極技術(shù)。類似工藝制作的圖1 - 2 2 b 結(jié)構(gòu)的電池1 3 5 3 引，前面效率達(dá)1 9 2 背面為1 4 5 ，且可獲得高達(dá)6 8 0 m v 的開路電壓。 r l b m l a a t i l 瞳 姍，一1 土上l 土l 圭l 。 r 腭r 7 f m p c ( a ) ( b ) 圖1 2 2 刻槽埋柵雙面太陽電池結(jié)構(gòu) ( 3 ) 背接觸雙面太陽電池 背接觸太陽電池是一種已經(jīng)商