太陽能光伏黑硅技術(shù)

1、高效太陽能電池新工藝研究成果介紹夏洋 中國科學(xué)院微電子研究所2012.12.08內(nèi)容內(nèi)容一、背景一、背景二、黑硅發(fā)現(xiàn)二、黑硅發(fā)現(xiàn)三、黑硅制作新技術(shù)三、黑硅制作新技術(shù)四、各種黑硅技術(shù)比較四、各種黑硅技術(shù)比較五、黑硅太陽能電池五、黑硅太陽能電池六、等離子體摻雜制備六、等離子體摻雜制備PNPN結(jié)結(jié)七、原子層沉積鈍化技術(shù)七、原子層沉積鈍化技術(shù)八、進一步提高效率的方法八、進一步提高效率的方法Cost per WattGross MarginFirst Solar$0.7648.4%Trina Solar$1.132.1%Yingli Solar$1.333.5%Solarfun$1.321%SunPow

2、er$1.722.9%成本成本+ +空間的占用空間的占用提高轉(zhuǎn)換效率提高轉(zhuǎn)換效率有待技術(shù)突破有待技術(shù)突破市場：銷售額市場：銷售額372372億，裝機容量億，裝機容量7.3GW7.3GW分布：歐洲分布：歐洲 70%70%；美國；美國 9%9%；中國；中國 2%2%；日本等其他；日本等其他19%19%一、背景一、背景光伏電池產(chǎn)業(yè)分布物理法有可能提高質(zhì)物理法有可能提高質(zhì)量、降低成本和能耗量、降低成本和能耗資料來源：資料來源：EPIA晶硅一直占主導(dǎo)地位晶硅一直占主導(dǎo)地位,中國硅晶體占97%！厚度的限制：厚度的限制：200m 120m多晶硅技術(shù)發(fā)展大晶粒大晶粒晶界優(yōu)化晶界優(yōu)化二、黑硅的發(fā)現(xiàn)二、黑硅的發(fā)現(xiàn)

3、 韓國成均館大學(xué)利用韓國成均館大學(xué)利用RIERIE制備了柱狀制備了柱狀組織的黑硅，反射率組織的黑硅，反射率6%6%，單晶電池轉(zhuǎn)換，單晶電池轉(zhuǎn)換效率可以達到效率可以達到15.1%15.1%； 美國美國NRELNREL利用金誘導(dǎo)催化化學(xué)腐蝕制利用金誘導(dǎo)催化化學(xué)腐蝕制備孔狀黑硅，單晶黑硅太陽電池效率達到備孔狀黑硅，單晶黑硅太陽電池效率達到了了16.8%16.8%；20122012年項目目標(biāo)為單晶年項目目標(biāo)為單晶17.8%17.8%，多晶多晶15.8%15.8% 復(fù)旦大學(xué)采用電化學(xué)腐蝕法制備了折射復(fù)旦大學(xué)采用電化學(xué)腐蝕法制備了折射率呈梯度變化的多層多孔黑硅，其反射率率呈梯度變化的多層多孔黑硅，其反射率

4、在大波段范圍內(nèi)已達到在大波段范圍內(nèi)已達到5%5%以下；半導(dǎo)體所以下；半導(dǎo)體所利用飛秒激光研究黑硅。利用飛秒激光研究黑硅。黑硅材料及太陽能電池研究黑硅材料及太陽能電池研究三、黑硅制備新技術(shù)：利用等離子體浸沒離子注入制備黑硅：高效、易控、低成本、低反射率、低損傷。單晶常規(guī)制絨單晶PIII黑硅多晶常規(guī)制絨多晶PIII黑硅等離子體注入（PIII）技術(shù)介紹硅片浸沒在等離子體中，在脈沖偏壓下產(chǎn)生離子鞘層，形成整片離子摻雜。高能離子注入高能離子注入等離子體浸沒注入等離子體浸沒注入熱擴散熱擴散Plasma immersion ion implantation，PIIIB，or PPIII形成黑硅機理 采用等離

5、子體浸沒離子注入技術(shù)制備黑硅材料，與傳統(tǒng)的硼、磷或砷注入不同，反應(yīng)氣體離子在負偏壓的作用下被注入進入硅片晶格內(nèi)，與硅片發(fā)生反應(yīng)，生成孔狀或針狀組織，通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，可以實現(xiàn)黑硅材料的可控制備，具有成本低、效率高等優(yōu)點。PIII制備黑硅材料 (本課題原創(chuàng)技術(shù)，已申請8項國際、17項國內(nèi)發(fā)明專利）平板式批量黑硅生產(chǎn)原型裝備平板式批量黑硅生產(chǎn)原型裝備整個原型裝備由工作腔室、等離子體源、偏壓控制、真整個原型裝備由工作腔室、等離子體源、偏壓控制、真空系統(tǒng)和測試系統(tǒng)幾個部分組成，系統(tǒng)框圖如圖所示?？障到y(tǒng)和測試系統(tǒng)幾個部分組成，系統(tǒng)框圖如圖所示。PIII可控制備多種結(jié)構(gòu)孔狀針狀復(fù)合結(jié)構(gòu)樹狀蜂窩狀山包狀Na

6、OH制絨四、黑硅制備技術(shù)比較與總結(jié)四、黑硅制備技術(shù)比較與總結(jié)激光掃描激光掃描等離子注入等離子注入形狀吸光載流子分離電流收集原位摻雜成本損傷金子塔，適合單晶一般，方向敏感一般一般不能低低針尖，單、多晶有利，方向不敏感有利不利不能高高多孔，單、多晶有利，方向不敏感有利有利能低中多孔黑硅，載流子多孔黑硅，載流子可以繞過孔傳輸。可以繞過孔傳輸。針尖黑硅，載流子針尖黑硅，載流子無法在針尖跳躍傳無法在針尖跳躍傳輸輸多孔黑硅有利載流子傳輸多孔黑硅有利載流子傳輸多角度吸光，增加全天時效率多角度吸光，增加全天時效率單晶硅制絨是化學(xué)法腐蝕出金字塔單晶硅制絨是化學(xué)法腐蝕出金字塔結(jié)構(gòu)，斜角入射反射率高結(jié)構(gòu)，斜角入射反

7、射率高多孔黑硅，可增加全天時效率多孔黑硅，可增加全天時效率上午上午 中午中午 下午下午五、黑硅太陽能電池多晶黑硅反射率隨波長變化（在紅外多晶黑硅反射率隨波長變化（在紅外波段有明顯優(yōu)勢）波段有明顯優(yōu)勢）多晶黑硅量子效率明顯優(yōu)于酸制絨多晶黑硅量子效率明顯優(yōu)于酸制絨16.3%16%預(yù)計預(yù)計18%SEM 俯視圖SEM 斜視圖多孔狀多晶黑硅電池多晶黑硅電池的效率比同批次常規(guī)電池效率提高0.8%！單位單位襯底類型襯底類型電池效率電池效率面積面積備注備注中科院微電子所中科院微電子所多晶黑硅多晶黑硅17.88156*156mm2小批量產(chǎn)品小批量產(chǎn)品美國國家能源實驗室美國國家能源實驗室（Nature Nano

8、2012）單晶黑硅單晶黑硅18.28.9*8.9mm2實驗室樣品實驗室樣品 束線離子注入：離子可篩選，束線離子注入：離子可篩選，高能注入，但設(shè)備昂貴高能注入，但設(shè)備昂貴 等離子體浸沒注入（等離子體浸沒注入（PIII）：）：低能高劑量，淺結(jié)注入，成本低能高劑量，淺結(jié)注入，成本低。低。六、注入摻雜制備PN結(jié)等離子浸沒離子注入機 晶圓直徑：200mm 注入能量：100eV10KeV 摻雜類型：P型、N型 靶注入方式：單圓片注入 能量精度：2 注入劑量均勻性：5 注入劑量重復(fù)性：5 注入結(jié)深：5nm （100eV，1019atoms/cm3）準(zhǔn)單晶注入，方阻均值準(zhǔn)單晶注入，方阻均值65.6，非，非均勻

9、性小于均勻性小于3% 多晶硅注入，方阻均值多晶硅注入，方阻均值24.5，非，非均勻性小于均勻性小于3% PIII注入摻雜制備PN結(jié)0.00.10.20.30.40.50.60.71E171E181E191E201E21830度2h830度1has-implantaionP concenterationdepth nmplasma doping 860 1h擴散文獻 對比ion implantation840度 PIII注入摻雜注入摻雜SIMS曲線，退火后，結(jié)深推進；曲線，退火后，結(jié)深推進； 總劑量相比于擴散和離子注入低；總劑量相比于擴散和離子注入低；PIII注入SIMS曲線準(zhǔn)單晶準(zhǔn)單晶多晶硅多

10、晶硅多晶黑硅多晶黑硅14.1%13.6%14.84%PIII注入摻雜方阻注入摻雜方阻4060ohm/sq，獲得最高效率。，獲得最高效率。高于目前報道的PIII注入電池結(jié)果PIII注入摻雜制備電池結(jié)果2008年，德國弗朗霍夫太陽能年，德國弗朗霍夫太陽能研究所的研究所的Benick等人在等人在n型型Si襯襯底的底的p型發(fā)射極表面沉積型發(fā)射極表面沉積Al2O3薄膜，制得了效率高達薄膜，制得了效率高達23.2%的電池。的電池。 七、原子層沉積氧化鋁鈍化技術(shù)n型電池型電池p型電池型電池2010年，德國年，德國ISFH的的Schmidt等人在等人在p型型Si襯底的背表面沉積襯底的背表面沉積Al2O3薄膜，

11、得到了最高薄膜，得到了最高21.4%的電池效率。的電池效率。 原子層沉積氧化鋁的反應(yīng)機理Thermal-ALD：(A) AlOH* + Al(CH3)3 AlOAl(CH3)2* + CH4(B) AlCH3* + H2O AlOH* + CH4PE-ALD：(A) AlOH* + Al(CH3)3 AlOAl(CH3)2* + CH4(B) AlCH3* + 4O AlOH* + CO2 + H2O薄膜均勻性maxmin2TTT 非均勻性計算公非均勻性計算公式：式： 折射率：折射率：1.6-1.7 消光系數(shù)：消光系數(shù)：02.94%1.58%1.13% 連續(xù)模式連續(xù)模式脈沖模脈沖模式式 吹掃時

12、間加長吹掃時間加長 關(guān)閉載氣關(guān)閉載氣 表 面 粗 糙 度表 面 粗 糙 度 0 . 9 -1.2nm最好鈍化少子壽命沉積態(tài)退火后n型型片片p型型片片50片PEALD設(shè)備2850pcs等離子體原子層沉積系統(tǒng)29400片TALD設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)：主要技術(shù)指標(biāo)：1、設(shè)備功率、設(shè)備功率15KW2、產(chǎn)能、產(chǎn)能400片片3、沉積片間非均勻性：、沉積片間非均勻性：1%4、批次間非均勻性：、批次間非均勻性： 1.5%5、10nm氧化鋁工藝時間氧化鋁工藝時間1h內(nèi)容內(nèi)容一、背景一、背景二、黑硅發(fā)現(xiàn)二、黑硅發(fā)現(xiàn)三、黑硅制作新技術(shù)三、黑硅制作新技術(shù)四、各種黑硅技術(shù)比較四、各種黑硅技術(shù)比較五、黑硅太陽能電池五、黑硅太

13、陽能電池六、等離子體摻雜制備六、等離子體摻雜制備PNPN結(jié)結(jié)七、原子層沉積鈍化技術(shù)七、原子層沉積鈍化技術(shù)八、進一步提高效率的方法八、進一步提高效率的方法黑硅的摻雜：表面積增大（孔隙率），方阻減小黑硅的摻雜：表面積增大（孔隙率），方阻減小P 目前由于銀漿顆粒目前由于銀漿顆粒較大，銀不能流入較大，銀不能流入硅孔，柵線和硅的硅孔，柵線和硅的接觸電阻較大接觸電阻較大通過回流工藝，使通過回流工藝，使銀流入硅孔，形成銀流入硅孔，形成準(zhǔn)埋柵結(jié)構(gòu)準(zhǔn)埋柵結(jié)構(gòu)銀柵銀柵準(zhǔn)埋柵結(jié)構(gòu)，減少接觸電阻準(zhǔn)埋柵結(jié)構(gòu)，減少接觸電阻 由于多孔結(jié)由于多孔結(jié)構(gòu)，黑硅的構(gòu)，黑硅的鈍化有很大鈍化有很大差別差別 研究反應(yīng)自研究反應(yīng)自鈍化工藝

14、，鈍化工藝，實現(xiàn)表面、實現(xiàn)表面、體內(nèi)同時鈍體內(nèi)同時鈍化化SiNx黑硅的鈍化黑硅的鈍化PECVD,ALDSiNx減反層，背鋁SiNxAL各種工藝各種工藝折射率折射率等離子體注入制備黑硅太陽能電池清清洗洗注入注入F+制備黑硅制備黑硅摻雜摻雜P 形成結(jié)形成結(jié)吸附吸附O-鈍化鈍化印印刷刷電電極極等離子體注入等離子體注入收集柵的制作探索全新柵線制作技術(shù)，減探索全新柵線制作技術(shù)，減少柵電阻少柵電阻3倍，柵線倍，柵線20微米，微米，提高效率提高效率2%，降低成本。，降低成本。內(nèi)容內(nèi)容一、背景一、背景二、黑硅發(fā)現(xiàn)二、黑硅發(fā)現(xiàn)三、黑硅制作新技術(shù)三、黑硅制作新技術(shù)四、各種黑硅技術(shù)比較四、各種黑硅技術(shù)比較五、黑硅太陽能電池五、黑硅太陽能電池六、進一步提高效率的方法六、進一步提高效率的方法七、發(fā)展計劃七、發(fā)展計劃黑硅整線制造裝備設(shè)備特點：設(shè)備特點：整線生產(chǎn)能力整線生產(chǎn)能力1500片片/小時，小時，和電池生產(chǎn)線匹配；和電池生產(chǎn)線匹配；多種襯底適用，包括單晶硅、多種襯底適用，包括單晶硅、多晶硅、帶硅等；多晶硅、帶硅等；非常適合植入自動化生產(chǎn)線；非常適合植入自動化生產(chǎn)線；單面處理，避免背面損傷；單面處理，避免背面損傷；制備黑硅反射率可控，制備黑硅反射率可控，1%15%；碎片率極低，碎片率極低，0.1%；電池效率提高電池效率提高0.8%1%吸光：吸光：多孔陷光，多