多晶硅薄膜太陽能電池的襯底材料和制備工藝

1、多晶硅薄膜太陽能電池的襯底材料和制備工藝 .txt 明騷易躲,暗賤難防。佛祖曰:你倆就是 大傻 B !當(dāng)白天又一次把黑夜按翻在床上的時候,太陽就出生了 本文由 materialsyang 貢獻pdf文檔可能在 WAP 端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇 TXT ,或下載源文件到本機查看。 第 3 4卷 20 0 5年增刊 I6月稀 有 金屬 材 料 與工 程RARE ET LM A M A . TE ALS ND NGI RI A E NEE NG RIVl4Spl o. , p. 3 u lJn 0 5 2 0 u e多晶硅薄膜太陽能 電池的襯底材料和制備工藝張立明 ' ,李海峰 2 ,

2、黃 勇 ', 張厚興 ',萬之堅 ' , 2 , 2 ,許 穎 3 ,王文靜( 1 .清華人學(xué) 材料科學(xué)與工程系 , 北京 1 0 08 04(.清華大學(xué) 深圳研究生 院 , 廣東 深圳 585 2 107 (.北京 市太 陽能研究所 , 北京 108 3 003 摘 要 :研究 了太陽能電池的發(fā)展歷程 , 詳細介紹了多晶硅薄膜 太陽能電池 的各種 工 藝 , 闡述 了在實際研究過程中沉積大晶粒多晶硅薄膜的技術(shù)路線和 藝 , 并對多晶硅薄膜 太陽能電池 的研 究趨勢做 了 展望 _ 關(guān)鍵詞 :陶瓷襯底 :多 n 硅薄膜 :太 陽能電池 i p 中圖法分類號 :T 141

3、 G . 7 文獻 標(biāo)識碼 :A 文章編號 :10-8X 20 106-3 0215(058-4401 引言須要大幅度地 降低成本 .薄膜太 陽能電池在降低成本 方面 比品體太 陽能電池具有 更大的優(yōu) 勢 :一是實現(xiàn)薄 膜化后 ,可極大地節(jié)省 昂貴 的半導(dǎo)體材 料 ; 一是薄膜 電池的材 料制備和 電池 同時形成 , 因此節(jié)省了許多工照射在地球上的太陽能非常 巨大 ,每 3 陽向 d 太 地球輻射 的能量 ,就相當(dāng) 于地球 所有礦物燃料能量 的 總和 ;大約 4 mi照射在地球上 的太陽能 , 0 n 便足 以供 全球 人 類 l 能量的消費 , a 是真 正取之 不盡 , 用之不竭 的能源

4、. 太陽能電池可將太陽能直接轉(zhuǎn) 化成 電能供人 類使 用 , 是利用太陽能資源 的有效方式 ,在使用 中不 會產(chǎn) 生任 何有害 物質(zhì) ,是一種 無污染的產(chǎn) 品 . 另外太 陽能電池 還具有系統(tǒng)運行可靠 ,長壽命 ,安裝使用 方 便 等優(yōu) 點 , 所以 , 太 陽能 電池在解 決能源與環(huán)境 問題 方面倍 受青睞 , 是 尸種有著 極好市場前景 的產(chǎn) 品 , 被 譽 為是理想 的能源 20 年 諾 貝爾革新獎獲得者 , 02 澳大利 亞新 南威爾 十大學(xué) 的馬 格林教授把人 陽能電池劃分為 三代 : 一 第 一 代是傳 統(tǒng) 的晶體硅材料太陽能 電池 :第 一代是方興 未艾 的薄膜太 陽能電池 ;

5、第 三代則是處 于設(shè) 想 中的新 型 高效太 陽能 電池 , 包括疊層 電池 , 熱載流子電池等 到 1前為止晶體硅 ( 1 包括單 品硅及多 晶硅 太陽 能 電池 始終占有太 陽能電池市場份額的 8%以 卜 其 5 , 優(yōu)異 的特 性己為眾 多成功的應(yīng)用所證實 .常規(guī) 品體硅序 ; 三是薄膜太陽 能電 池采用廉價襯底 ( 陶瓷 , 不銹鋼等 可 以獲得 大面積 的電池組件 ,減少組件間串并聯(lián) , 帶來的效率損耗 . 目前研 究比較深入 的薄膜太陽能電池主要有硅 基 太陽能 電池和銅錮錫 ,硫化福 等化 合物 半 導(dǎo)體薄膜電 池 . 非晶硅薄膜太陽能 電池雖在成本上具有一定優(yōu)勢 , 但光衰退效

6、應(yīng)嚴(yán) 重制 約 了其 發(fā)展空間 , 一些理論問題 也有待進一步探 索 而銅錮 錫 . 蹄 化鍋 等化合物薄膜 電池 , 也因為錮 兀素含量稀少 , 鍋元 素有劇毒等 問題 , 影響其應(yīng)用化進程 .所 以 , 效率 穩(wěn) 定 , 原材料豐富的 多晶硅薄膜太陽能 電池成為最有希望取得 成功的第二 代太陽能電池 .清華大學(xué)新 型陶 瓷與精細 工藝國家重 點實驗 室在 國 內(nèi)首次將 ZR ( M 區(qū)熔再結(jié) 品 方法應(yīng)用 到陶瓷襯底 多晶硅薄膜太 陽能 電池 的土藝 中 , 可 以得 到厘米 量級 的晶粒 , 并且在一定 的技術(shù) 處理和工 藝條件 的配合 下可 以得 到 比 較 一 致 的 晶粒 取 向

7、.太陽能電 池組件中硅片的 成本約占 50-0 1 硅 5 6%1 0 ,片的來源主要有 : 直拉單 晶硅 , 澆鑄 / 向凝固多晶硅 , 定2 多晶硅 薄膜 電池襯 底和 沉積工藝在太 陽能 電池 中 , 吸 收太 陽光 能量所 需的半 導(dǎo)體 膜的厚度是很薄的 . 對硅 來說 , 在太 陽光譜峰值 附近 50 -0 n 0 n 60 ,吸收系數(shù)值為 10 m 數(shù)量級 , 從 m m 處 0c / 原理 L講幾微米厚度 的硅膜 ,就可 以吸收絕大部分 的電磁澆鑄多品硅 . 硅片厚度目 前常見的是 20 -0 0 p 30 m p ,由 m 于目 前制片及封 裝工藝 的限 要進 一 低 制 ,

8、步降硅 片的厚度已經(jīng)比較困難 1a 2 1要使光伏 發(fā) 電真 正 成 為 能 源 休 系 的 組 成 部 分 ,必2 0-0 1 04 1-4北京市白然科學(xué)華金重點項 12201 1 1 (0 0 張 婦歸 , 男 ,16 98年生 , 博士研究 , 清 華人學(xué)材料利學(xué)與 I 程系 , 北京 108 , la: 0 2787 004 T / x 0 - 731 eF 16Emal Am0 劍 mal. ig u.d .n - i: 1 i l n h a uc ss e增刊 1張立明等 :多晶硅薄膜太 陽能電池 的襯底材料和制各工藝. 5. 46能量 .因此人 們研 制了多晶硅 薄膜材 料 ,

9、 以降低硅太 陽能電池 的成本 3 在廉 價 襯底 上 制各 的 多 晶硅 薄膜 太 陽 能 電 池 能 實低溫沉積多晶硅薄膜太陽能 電池 ,由于生 長溫渡 低于 60C 0',可以采用玻璃 為襯 底 ,利用 P C D ( EV 等 離子增強化學(xué)氣相沉積 法生長多晶硅薄膜 閻 , 日本 K nk aea公 司 制造 的太 陽能 電池 的轉(zhuǎn) 換 效 率 已達 到 1.% 但 山于生長溫度低 ,必須輔以 某 些晶化技術(shù) , 0 7 薄膜沉積 的生長速度 也較低 , 太陽能 電池的厚度 在 2驗室效率 已達 1%, 8 遠高 于非 晶硅薄膜 太陽能電池的 效率 .最新研究表 明 , 多 品

10、硅薄膜太 陽能電池的光電 轉(zhuǎn)換效率可接近晶體硅太陽能 電池 ,并且 具有光電性 能穩(wěn) 定的特點 .月前 , 多晶硅薄膜太 陽能電池研究和 產(chǎn)業(yè)化開發(fā) _作主要沿 以下幾個途徑 . 21 在廉價襯底上高溫沉積 . 目前所采用的襯底主要有 :多晶硅襯底或 冶金硅 襯底 , 石 墨包 S i c 襯底 , 陶瓷襯底 ,石英襯底 ,玻璃 襯底 ,甚至有人使用不銹鋼襯底 . 目 所獲得 的較 好 前P -0 , m 1P 必須采取陷光措施 m澳大利亞太平洋光伏公司在大面積鋼化玻璃上 的多晶硅 薄膜太 陽能電池的效率達到 8 %,已經(jīng)進入 了 商業(yè)化最后階段 . 23 層轉(zhuǎn)移技 術(shù) . 在 晶硅襯底上生

11、長 硅薄膜并制作電池 , 然后將 電池 剝離并附在低成本襯底上 , 從而實現(xiàn) 晶硅襯底 的反復(fù)使 用 . 最先使用的層轉(zhuǎn)移技術(shù) 是 V S E T工藝 , 其表面層是 熱 氧化加上再品化的硅 晶種層 . 了多孔硅分離技術(shù) 利用 的有 P I oos S ( r S 工藝 ,S S ite Pru S P u I P ( ne d os S r o O結(jié)果主要 有 : 本三菱公司在 S 2 日 i 襯底上制作的多晶 0硅薄膜太陽能電池 , 其效 率達 1. 德國 Fanoe 6 %; 5 r hf u r 研究所在石 墨和 s i c 陶瓷材料襯 底 h 的薄膜 太陽能電 池 , 效率分別為 1

12、%和 93 1 .%.值得注意 的是 , 在這 些較好結(jié)果的 獲得過程 , I 采用了 Z R技術(shù) , 大都 M 4 1根據(jù)所選用 的襯底材料的不 同 , 高溫沉積 的多 晶 硅 薄膜太 陽能電池 大致可分為 2 大類 ,即低 品質(zhì)硅材 料 和非硅材料 以低品質(zhì)硅為襯底的最大優(yōu)勢在于 :襯底與多 晶 硅 薄膜具有相同的熱膨脹系數(shù) ,如果直接在 4. i 襯底 卜 沉 積 ,多 晶硅 薄膜將 體現(xiàn) 良好 的外延 性能 .S ee . br R 等人 以顆粒硅帶 (S SP 為襯底 , 采用 P C D, P V EV A C D 技術(shù)外延生長活性層 ,制各 的多晶砍薄膜太 陽能電池 的最高效率為

13、 1. 1 %.中科 院 廣州太 陽能研究所采用 2S藝和 ETA (pai Lyr ne LR N ix l e T sr 工藝 . 以 Et a a rf a Sn 公司的多 oy 孔 硅分離技術(shù)為代表 , 制作的 4 ' c 多 m晶 硅 薄 膜 太 陽 能 電池 的 最 好 轉(zhuǎn)換 效 率 達 到 1 .% 253 多晶硅薄膜 晶粒長大技術(shù)31 結(jié)晶初期控 制形核使 晶粒 長大 . 最終 的多晶硅 薄膜 的晶粒尺寸的大小與沉積 初 期 襯底表面上 的晶核 密度密切相關(guān) , 晶核密度越低所得 到的多 晶硅薄膜 的晶粒尺寸 就越大 . 因此可 以通過控 制沉 積初 期的形 核過 程來

14、控 制多 晶硅薄 膜的 組織 結(jié) 構(gòu)RC D技術(shù)直 TV 接在 SP襯底上外延生 長 S 得到轉(zhuǎn)換效率 為 60 %e 5鑒于 鹵基粒 子在 C D 沉積過程 中重要作用 ,也 V 有文獻報道 H l C 氣體 能夠 抑 制晶核的形成 . 因此在沉 積過程中 向反應(yīng)室 中引入 一定量 的含 鹵氣體 ( C 或 H I H 來控制襯底表面 的晶核密度 ,可望獲得大 晶粒 多 F晶 硅 薄膜非硅襯底 主要是指一些陶瓷材料 ,如氧化鋁 ,莫來石 , i, S 氮化 (i 4, 2 這些材料因 c 硅 SN S 等 . 3 i 0 具有優(yōu) 良的力學(xué)性能 , 穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì) , 優(yōu) 良的耐高溫 性能 ,

15、 且價格低廉而被大量研究 .氧化鋁襯底 因其低 廉的價格和成熟的制備工藝而被廣泛研究 ,CB acm . ua e e 等人利用熱 化 學(xué)氣相沉積 ( em l D t r aC h V 在氧化鋁襯 底 上制備的多晶硅薄膜太陽能電池的最 高轉(zhuǎn)換效率為 5 %. . ' 5 J 氧化鋁 襯底的一個缺點是 :氧化鋁 的熱膨脹系數(shù) 約是硅的 2倍 ,因此這種不 匹配將不可避免地 導(dǎo)致多 晶硅薄膜內(nèi)較人的應(yīng)力 Sc 陶瓷與硅 的熱膨脹 匹配 i 性 良好 , 因此也被用作襯底材料 .Fanoe 1E 以 r hf S u r Si i c 陶瓷為襯底 , s 采 用 R C D法得到 的太 陽

16、能 電池 TV 的最高轉(zhuǎn)換效率為 93 利用相似的工藝 , . %. 分別 以氮化 硅 陶 瓷 , 莫 來 石 陶 瓷 及 石 墨 為 襯 底 ,得 到 的最 高 效另一途徑是直接在襯 底表面種 上一定密度的硅品 粒 , 這些硅晶粒作為氣相外延生 長 的籽晶 . 具體的做法是 將粒度為 1 -p 1- m的高 t 2 m 質(zhì)量單晶硅粉做成懸浮液 , 采用適 當(dāng)?shù)牧Ψ▽?浮液鋪 展于襯底上 , 高溫下 使懸浮液蒸發(fā)而在襯底表 面形 成具有一定密度 的硅粉 顆粒 , 這些顆粒便可 以作 為外延生長的籽晶 .只要調(diào) 整硅粉在懸 浮液中 的濃度 ,便可以在襯底表面得到不 同的晶核密度 從而便可 以得

17、到不同晶粒尺 寸 的多 品硅 薄膜 .3 2 再結(jié)晶技術(shù) . 無 論采 用低溫還是高溫沉積技術(shù) ,所 獲得 的多品 硅硅 薄膜 晶 粒尺寸相對較小 ,晶界密度 大 , 薄膜 質(zhì)量 不 高 , 通 常需要經(jīng)過再結(jié)品技術(shù)來增大 晶粒尺 寸 . 再率分別為 :9 %, % 1. . 4 8 和 1% . 2 0 22 低溫生長 .·4 6 . 6稀 有金 屬 材料 與 工 程3 4卷·結(jié)晶技 術(shù)可以根據(jù)處理溫度 的不同分為 低溫再結(jié)晶技術(shù) 高 再 技 . 溫 ' 技 要 括 相 和 溫 結(jié)晶 術(shù) 低 1 結(jié)晶 術(shù)主 包 固晶化 (P SC ,激光 誘導(dǎo)晶化和金屬誘導(dǎo) 晶化

18、等 , 主 最 要的高溫再結(jié)晶技術(shù) 是區(qū) 熔 再結(jié)晶技術(shù) ( M o Z R 區(qū)熔再結(jié) 晶技術(shù) ( MR是一種 非常有效的品粒 Z 增大技術(shù) , 其工 藝較為成熟并被廣泛采用 . MR后 的 Z這種局面不會 改變 . 襯底材料 的選擇 范圍也很寬 , 最主要的襯底材料 包括低成本 硅 ,玻璃及 陶瓷 . 至今還沒有定論何種襯 底最佳 ,可 以預(yù)見在今后相 當(dāng)長的一段時間內(nèi) 這 3種 襯底材料 的薄膜太陽能 電池將共存 .參考文獻 R f ecs ee ne r晶粒尺寸 往往可以 達到 幾個厘 米 6 14 多晶硅薄膜太陽能電池的研究趨勢效率低是 目前多晶硅薄膜太陽能 電池所 面臨的 1 個主要

19、問題 因此提高廉價襯底上 多 晶硅薄膜 太陽能 電池 的效率將 是今后 一 個主要研發(fā)方向 . 實 際上 , 目前幾乎所 有的制各高效體硅太 陽能 電 池的 土 藝都用在 了薄膜太陽能電池的制備 卜 .山此看 來 , 多 晶硅薄膜太 陽能電池的效率的提高 卞要取決于 多晶硅薄膜 的質(zhì) 量改進 . 因此 , 通過采 取各種 工藝措 施在廉價襯底 卜 制備 大晶粒 , 高質(zhì)量的多 晶硅薄膜將 依然是今后多晶硅 薄膜太陽能 電池研發(fā)的核心課題 . 多晶硅薄膜 的沉積技 術(shù)各種各樣 ,至今還沒有定 論哪 種技術(shù)是最佳選擇 .但也可 以看 出沉積技術(shù) 一 直 是沿著低溫沉積和 高溫沉積 2個方 向發(fā)展

20、.因這 2 條 技術(shù)路線各有利弊 ,所以在今后相當(dāng)長 的一段時間 內(nèi) n i A 2d ol C ne ne P Slr e I V K t . W r ofr c o V a E r o ez n d e n o ng C nesoVen: S C 19: 9 nC. naWC E , 8 12 ovri i 9 8 emesr 2d ol C neec ad hbtn 2 B y s A n Wr r e . d ofrne E i i o n x io n P o vl i S a nr C vri Ven: E , ac l E e y nes nC . na WCSC ht ot o

21、 r g o o o i1 9 9 8 Bl N 1 Er en t oa Sl Eey frc 3 ei 尹 upaPo vli o r r Cn e e . o d h o tc ng o en aBreo : S C 19 l aWC E , 7 C. c n a 9 lM Ban l EsnrSl Cl加 m iSlo 4Ne l E ru Aea. te o r l , l l , a es T n i n h ic Ly s. l MSpoo Tcnc Dgso h ne- r "A2 . pr: hi l et t Itr ae O3 a e a i f ento a

22、VSE I, 9 P ain l C- 1 1 9 9 i m i S 2d r C n rne P Slr e y 5 She ee E n W l of ec o V a E r c r r . o d e n o ng C neso . n: S C 19: 3 nC inaWC E , 8 17 ovri Ve 9 6 L Hin 李海峰 Rr Mt M tis Eg e- 6 i fg( ae a el ea ad ie e a ar l n nn rg i( n 稀有金屬材料與 -程 033(up 1 57 1 , , pl 3 J20 2 S . :T e s ae ad e P

23、eaa o f P lc s ln S i n h S bt ts T i rp rt n o r t l e c u r n h r i o r y y a i i o lTh n- l S a C el i Fim ol r lZa L i ' i e 2 u g iZa Hun'Wn i ' u 3 a Wnn h g n , Hin , Y g , g xg, Zin Y gW n ei3 n i g L a g a o . h o i · a h a , i , m f Hn n2 n 2 j X n g jg( Sae y b N w a s Fn

24、Poes , ha v s , j g 04C ia f C r cad e csigTigu U i rt B in 108, n L tK L o e e mi n i r t e a n s n n ei ei 0 y h (. da Sh oaSeze, g u U i ri Seze 5 85C ia n es , nhn 05, n 2Gaut col hnhnTi ha v t h r e t s n y 1 h (. j g lEeg Rsac Istt B in 10 8 C n , i 3B in S a nry er ntu , j g 03 h a ei o r e h i e ei 0AbtatTe lin te aclwa smm re, vr u poess pl-i -l slr l e rdcd dtl src: eou o o h sl e h v t f o r l s ai dad os cs o o Sti fm aclw rit ue i e i u z n a i r e f y hn i o e e n o n a s Pl-y