《單晶硅電池材料》PPT課件

單晶硅電池材料 俞亮周小雄 硅的介紹 單晶硅生產(chǎn)流程 單晶硅太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)流程 單晶硅太陽(yáng)能電池的應(yīng)用 硅的介紹硅材料是半導(dǎo)體行業(yè)中最重要且應(yīng)用最廣的元素半導(dǎo)體 是微電子工業(yè)和太陽(yáng)能光伏工業(yè)的基礎(chǔ)材料 由于硅材料的獨(dú)特性質(zhì) 成為現(xiàn)代電子工業(yè)和信息社會(huì)基礎(chǔ) 其發(fā)展是20世紀(jì)材料和電子領(lǐng)域的里程碑 它的發(fā)展和應(yīng)用直接促進(jìn)了20世紀(jì)全球科技和工業(yè)的高速發(fā)展 因而被稱為進(jìn)入了 硅時(shí)代 硅具有元素含量含量豐富 化學(xué)穩(wěn)定性好 無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn) 又具有良好的半導(dǎo)體特性 半導(dǎo)體特性 添加雜質(zhì) 導(dǎo)電性能 光照 導(dǎo)電能力 光照 導(dǎo)電能力 無(wú)光照不導(dǎo)電 溫度 導(dǎo)電能力 溫度 導(dǎo)電能力 硅材料有多種晶體形式 包括單晶硅 多晶硅和非晶硅 應(yīng)用于太陽(yáng)電池工業(yè)領(lǐng)域的硅材料包括直拉單晶硅 薄膜非晶硅 鑄造多晶硅 帶狀多晶硅和薄膜多晶硅 他們有各自的優(yōu)缺點(diǎn) 其中直拉單晶硅和鑄造多晶硅應(yīng)用最為廣泛 占太陽(yáng)能光電材料的90 左右 石英砂 SiO2 金屬級(jí)硅 99 左右 焦炭反應(yīng) 作為單晶硅原料的高純多晶硅 三氯氫硅氫還原法 硅烷熱分解法 四氯化硅還原法 二氯二氫硅還原法 單晶硅的生產(chǎn)流程 高純多晶硅原料 熔化 種晶 縮頸 放肩 等徑 收尾 圓柱狀單晶硅 直拉單晶硅的制備工藝一般工作流程 多晶硅的裝料 熔化 種晶 縮頸 放肩 收尾 太陽(yáng)能電池的發(fā)展歷史 1839年法國(guó)物理學(xué)家貝克勒爾首次發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng) 1954年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室制成第一個(gè)單晶硅太陽(yáng)能電池 1958年我國(guó)研制出了首塊硅單晶 研發(fā)出的電池主要用于空間領(lǐng)域 70年代末 我國(guó)與國(guó)際同期開展了砷化鎵太陽(yáng)能電池研究 該電池具有很高的光吸收系數(shù) 1999年 2 2cm2電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)22 1975年寧波 開封先后成立太陽(yáng)電池廠 電池制造工藝模仿早期生產(chǎn)空間電池的工藝 太陽(yáng)能電池的應(yīng)用開始從空間降落到地面 80年代末期 國(guó)內(nèi)先后引進(jìn)了多條太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線 生產(chǎn)能力由原來的幾百KW 千瓦 一下子提升到4 5MW 這種產(chǎn)能一直持續(xù)到2002年 產(chǎn)量則只有2MW左右 1999年 保定天威英利新能源有限公司承建了 多晶硅太陽(yáng)能電池及應(yīng)用系統(tǒng)示范工程 項(xiàng)目 2003年12月正式通過國(guó)家驗(yàn)收 全線投產(chǎn) 填補(bǔ)了我國(guó)不能商業(yè)化生產(chǎn)多晶硅太陽(yáng)能電池的空白 2002年9月 尚德第一條10MW太陽(yáng)電池生產(chǎn)線正式投產(chǎn) 產(chǎn)能相當(dāng)于此前四年全國(guó)太陽(yáng)電池產(chǎn)量的總和 一舉將我國(guó)與國(guó)際光伏產(chǎn)業(yè)的差距縮短了15年 2004年1月19日 中國(guó)第一臺(tái)12對(duì)棒多晶硅高效節(jié)能大還原爐在中硅高科試驗(yàn)成功 各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平 至此 中國(guó)人掌握了由美國(guó) 日本 德國(guó)等國(guó)壟斷20余年的多晶硅生產(chǎn)核心技術(shù) 2005年 國(guó)內(nèi)第一個(gè)300噸多晶硅生產(chǎn)項(xiàng)目在洛陽(yáng)中硅建成投產(chǎn) 拉開了中國(guó)多晶硅大發(fā)展的序幕 2005年12月14日 無(wú)錫尚德在美國(guó)紐約證券交易所掛牌 成為中國(guó)內(nèi)地首家在紐交所掛牌上市的民營(yíng)高科技企業(yè) 從此 國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)和研發(fā)也駛?cè)肓丝燔嚨?2007年 我國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的三分之一 成為世界第一大太陽(yáng)能電池生產(chǎn)國(guó) 盡管我國(guó)從2007年開始成為世界生產(chǎn)太陽(yáng)能電池最多的國(guó)家 但與國(guó)外還有不少的差距 而且 在各種新型太陽(yáng)能電池的開發(fā)上 我們還處在起步的階段 而國(guó)外已經(jīng)有了很大的發(fā)展 因此 我國(guó)太陽(yáng)能電池的發(fā)展任重而道遠(yuǎn) 目的 增加照射到太陽(yáng)能電池片表面光的吸收 減少反射 實(shí)現(xiàn)方法 利用酸堿對(duì)硅片表面進(jìn)行腐蝕 在硅片表面腐蝕出 倒金字塔 形狀的凹凸 增加光在表面的反射次數(shù)從而達(dá)到增加光吸收的目的 單晶硅太陽(yáng)電池的制造工藝 制絨 擴(kuò)散 刻蝕 二次清洗 PECVD 絲網(wǎng)印刷 燒結(jié) 測(cè)試分選 制絨及一次清洗 反射 吸收 散射 透射 100 單晶制絨 NaOH Na2SiO3 IPA 異丙醇 清洗 HCl HFIPA 消泡劑Na2SiO3 控制反應(yīng)速度HCl 去除硅片表面的金屬離子HF 去除硅片表面的硅酸鈉和氧化物 單晶硅太陽(yáng)電池的制造工藝 制絨 擴(kuò)散 刻蝕 二次清洗 PECVD 絲網(wǎng)印刷 燒結(jié) 測(cè)試分選 目的 制備PN結(jié)實(shí)現(xiàn)方法 通過高溫?cái)U(kuò)散 在p型硅片表面擴(kuò)散一n層 形成pn結(jié) 單晶硅太陽(yáng)電池的制造工藝 制絨 擴(kuò)散 刻蝕 二次清洗 PECVD 絲網(wǎng)印刷 燒結(jié) 測(cè)試分選 擴(kuò)散制結(jié) POCl3在高溫下 600 有充足的氧氣時(shí) 其反應(yīng)式如下 生成的P2O5在擴(kuò)散溫度下與硅反應(yīng) 生成二氧化硅 SiO2 和磷原子 其反應(yīng)式如下 單晶硅太陽(yáng)電池的制造工藝 制絨 擴(kuò)散 刻蝕 二次清洗 PECVD 絲網(wǎng)印刷 燒結(jié) 測(cè)試分選 目的 去除硅片邊緣的PN結(jié) 防止短路實(shí)現(xiàn)方法 利用輝光放電過程中等離子體所引起的化學(xué)反應(yīng) 產(chǎn)生揮發(fā)性的產(chǎn)物對(duì)硅的腐蝕特性 達(dá)到邊緣腐蝕去除周邊擴(kuò)散層的目的 單晶硅太陽(yáng)電池的制造工藝 制絨 擴(kuò)散 刻蝕 二次清洗 PECVD 絲網(wǎng)印刷 燒結(jié) 測(cè)試分選 等離子刻蝕 目的 去除擴(kuò)散所產(chǎn)生的表面磷硅玻璃層 為PECVD鍍膜做準(zhǔn)備實(shí)現(xiàn)方法 利用SiO2與HF生成可溶于水的絡(luò)合物SiF6的性質(zhì) 用酸使硅片表面的磷硅玻璃溶解 單晶硅太陽(yáng)電池的制造工藝 制絨 擴(kuò)散 刻蝕 二次清洗 PECVD 絲網(wǎng)印刷 燒結(jié) 測(cè)試分選 二次清洗 氫氟酸能夠溶解二氧化硅是因?yàn)闅浞崮芘c二氧化硅作用生成易揮發(fā)的四氟化硅氣體 若氫氟酸過量 反應(yīng)生成的四氟化硅會(huì)進(jìn)一步與氫氟酸反應(yīng)生成可溶性的絡(luò)和物六氟硅酸 總反應(yīng)式為 單晶硅太陽(yáng)電池的制造工藝 制絨 擴(kuò)散 刻蝕 二次清洗 PECVD 絲網(wǎng)印刷 燒結(jié) 測(cè)試分選 目的 在擴(kuò)散后的硅片表面沉積一層折射率低于硅片本身折射率的薄層 可以減少光入射到硅片時(shí)的表面反射 因此該薄層被稱為減反射膜 實(shí)現(xiàn)方法 采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積 PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition 技術(shù)在電池表面沉積一層氮化硅減反射膜 在成膜的同時(shí)還有加氫作用 因此在增強(qiáng)對(duì)光的吸收性的同時(shí) 對(duì)太陽(yáng)電池起到很好的表面和體內(nèi)鈍化作用 同時(shí)提高短路電流和開路電壓 單晶硅太陽(yáng)電池的制造工藝 制絨 擴(kuò)散 刻蝕 二次清洗 PECVD 絲網(wǎng)印刷 燒結(jié) 測(cè)試分選 PECVD 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積中所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為 SiH4 NH3 SiN H H2 單晶硅太陽(yáng)電池的制造工藝 制絨 擴(kuò)散 刻蝕 二次清洗 PECVD 絲網(wǎng)印刷 燒結(jié) 測(cè)試分選 SiO2 N Silicon P Silicon SiN 目的 在硅片背面制備能夠與硅片形成良好歐姆接觸的電極 實(shí)現(xiàn)方法 利用絲網(wǎng)印刷技術(shù) 所用漿料為銀鋁漿 在背面刷兩條與硅片形成互聯(lián)焊接的正電極 在以后的高溫?zé)Y(jié)爐燒結(jié)后 與硅片表面形成良好的歐姆接觸 制作過程 漿料攪拌 印刷 烘干 單晶硅太陽(yáng)電池的制造工藝 制絨 擴(kuò)散 刻蝕 二次清洗 PECVD 絲網(wǎng)印刷 燒結(jié) 測(cè)試分選 絲網(wǎng)印刷第一道 背電極印刷 目的 通過Al背場(chǎng)的反型作用 將背表面的n層變?yōu)閜層 從而將背表面的PN結(jié)去除實(shí)現(xiàn)方法 通過背表面純鋁漿絲網(wǎng)印刷技術(shù)和燒結(jié) 可以在硅片的背表面形成一層重?fù)诫sP型層 從而覆蓋擴(kuò)散過程形成的N型摻雜層 重?fù)诫sP型層可以增加p n結(jié)對(duì)于光生載流子的收集 提高太陽(yáng)電池的開路電壓 通常稱為背表面 電 場(chǎng) 制作過程 漿料攪拌 印刷 烘干 單晶硅太陽(yáng)電池的制造工藝 制絨 擴(kuò)散 刻蝕 二次清洗 PECVD 印刷絲網(wǎng) 燒結(jié) 測(cè)試分選 絲網(wǎng)印刷第二道 背電場(chǎng)印刷 目的 在硅片正面制備能夠與硅片形成良好歐姆接觸的電極 實(shí)現(xiàn)方法 利用絲網(wǎng)印刷技術(shù) 所用漿料為純銀漿 在正表面刷與硅片形成互聯(lián)焊接的正電極 在以后的高溫?zé)Y(jié)爐燒結(jié)后 與硅片表面形成良好的歐姆接觸 正電極包括主柵線和副柵線 制作過程 漿料攪拌 印刷 烘干 單晶硅太陽(yáng)電池的制造工藝 制絨 擴(kuò)散 刻蝕 二次清洗 PECVD 絲網(wǎng)印刷 燒結(jié) 測(cè)試分選 絲網(wǎng)印刷第三道 正電極印刷 目的 使得前道工序絲網(wǎng)印刷所制備的電極可以與硅片形成良好的歐姆接觸實(shí)現(xiàn)方法 利用燒結(jié)爐 在燒結(jié)過程中需要燒穿減反射膜層 又不至于使上電極金屬燒穿p n結(jié)致使p n結(jié)損壞 同時(shí)要使背表面的鋁漿與硅片形成良好的金屬化 單晶硅太陽(yáng)電池的制造工藝 制絨 擴(kuò)散 刻蝕 二次清洗 PECVD 絲網(wǎng)印刷 燒結(jié) 測(cè)試分選 燒結(jié) 目的 將生產(chǎn)的太陽(yáng)能電池片按照性能結(jié)果 轉(zhuǎn)換效率 進(jìn)行優(yōu)差分檔實(shí)現(xiàn)方法 通過模擬太陽(yáng)燈光照射到電池片表面測(cè)試太陽(yáng)電池的電性能參數(shù) 單晶硅太陽(yáng)電池的制造工藝 制絨 擴(kuò)散 刻蝕 二次清洗 PECVD 絲網(wǎng)印刷 燒結(jié) 測(cè)試分選 測(cè)試分選 單晶硅電池優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 結(jié)晶完整 自由電子與空穴在內(nèi)部移動(dòng)不受限制 產(chǎn)生電子空穴復(fù)合幾率低 太陽(yáng)電池效率高 缺點(diǎn) 將晶棒切割成晶柱的過程中 浪費(fèi)一半的材料 成本高 價(jià)格昂貴 控制成本方法提高單晶生長(zhǎng)良率與產(chǎn)率 使用生產(chǎn)廢料降低原料使用 降低線切割成本發(fā)展更薄硅片 太陽(yáng)能電池的應(yīng)用 太陽(yáng)能作為一種無(wú)污染 用之不竭的新能源 在近幾十年來得到的極大的發(fā)展 其中以太陽(yáng)能電池為代表的太陽(yáng)能利用 使得這種綠色能源在人們生活的能耗中扮演著一個(gè)重要的角色 目前 太陽(yáng)能電池已廣泛應(yīng)用于工業(yè) 農(nóng)業(yè) 商業(yè) 通信 軍事 航天等領(lǐng)域 還包括家用電器以及公用設(shè)施 太陽(yáng)能電池的應(yīng)用主要可分為3種類型 并網(wǎng)型 離網(wǎng)型和消費(fèi)類電子產(chǎn)品 太陽(yáng)能電池的應(yīng)用舉例 通訊 太陽(yáng)能公用電