晶體硅電池的工藝技術(shù)

1、晶體硅電池的工藝技術(shù)晶體硅太陽電池是光伏行業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品，占市場份額的90%，尤其是多晶硅太陽電池的市場份額已遠(yuǎn)超過單晶硅電池的市場份額，自從六十年代太陽能電池作為能源應(yīng)用于宇航技術(shù)以來，太陽能電池的技術(shù)得到非常迅速的發(fā)展，單晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率已接近25%，多晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率已接近20%。下圖顯示了單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的發(fā)展過程，1980年以后的轉(zhuǎn)換效率的世界紀(jì)錄主要由澳大利亞新南威爾斯大學(xué)保持。  單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的發(fā)展過程   太陽能電池是一種少數(shù)載流子工作器件，當(dāng)光照射到一個P型半導(dǎo)體的表面上，光在材料內(nèi)的吸收產(chǎn)生電子與空穴對。在這種情況下，電

2、子是少數(shù)載流子，它的壽命定義為從其產(chǎn)生到其與空穴復(fù)合之間所生存的時間。少數(shù)載流子在電池內(nèi)的壽命決定了電池的轉(zhuǎn)換效率。因此要提高電池的轉(zhuǎn)換效率，就必須設(shè)法減少少數(shù)載流子在電池內(nèi)的復(fù)合，從而增加少數(shù)載流子的壽命。影響少數(shù)載流子壽命的因素有:  1）體內(nèi)復(fù)合。減少晶體硅體內(nèi)的復(fù)合，首先要選用適當(dāng)?shù)膿诫s濃度的襯底材料。一般太陽能電池制造所用的硅片的電阻率在0.5到1.0cm 左右。提高晶體的質(zhì)量，減少缺陷和雜質(zhì)，是提高少數(shù)載流子壽命的重要手段。吸雜(gettering)工藝能有效的提高材料的質(zhì)量。鈍化(passivation)工藝能有效地減少晶體缺陷對少數(shù)載流子壽命的影響。  2）

3、表面復(fù)合。減少表面復(fù)合通常采用在硅表面生成一層介質(zhì)膜如二氧化硅(SiO2)和氮化硅(SiN)。這種介質(zhì)膜完善了晶體表面的懸掛鍵，從而達(dá)到表面鈍化的目的。如果這種介質(zhì)膜生成在n型硅的表面，由于在這些介質(zhì)膜內(nèi)固有的存在作一些正離子，這些正離子排斥了少數(shù)載流子空穴向表面移動。另外一種表面鈍化的方法是在電池表面形成高低結(jié)(high-low junction)。這種結(jié)在表面產(chǎn)生一個電場,從而排斥了少數(shù)載流子空穴向表面移動。  3）電極區(qū)復(fù)合。減少電極區(qū)的復(fù)合可采用將電極區(qū)的摻雜濃度提高，從而降低少數(shù)載流子在電極區(qū)的濃度。減少載流子在此區(qū)域的復(fù)合。  基于以上提高電池轉(zhuǎn)換效率的途徑，派

4、生了多種高效晶體硅太陽能電池的設(shè)計和制造工藝。其中包括PESC電池（發(fā)射結(jié)鈍化太陽電池）和表面刻槽絨面PESC電池；背面點接觸電池（前后表面鈍化電池）；PERL電池（發(fā)射結(jié)鈍化和背面點接觸電池）。由這些電池設(shè)計和工藝制造出的電池的轉(zhuǎn)換效率均高于20%，其中保持世界記錄（24.7%）的單晶硅和多晶硅電池（19.8%）的轉(zhuǎn)換效率均是由PERL電池實現(xiàn)的。高效太陽能電池的工藝流程Solar168  日期:06-12-25 21:03:26   作者:光伏一生  責(zé)任編輯:xzj  點擊: 34   高效單晶硅太陽電池工藝流程如下： 

5、; 1)去除損傷層  2)表面絨面化  3)發(fā)射區(qū)擴(kuò)散                 4)邊緣結(jié)刻蝕  5)PECDV沉積SiN  6)絲網(wǎng)印刷正背面電極漿料  7)共燒形成金屬接觸  8)電池片測試。  下面我們著重來看一下一個工藝，  1.首先是絨面制備：    硅片采用0.52.cm，P型晶向為（100）的單晶硅片。利用氫氧化鈉溶液對單晶硅

6、片進(jìn)行各向異性腐蝕的特點來制備絨面。當(dāng)各向異性因子=10時（所謂各向異性因子就是（100）面與（111）面單晶硅腐蝕速率之比），可以得到整齊均勻的金字塔形的角錐體組成的絨面。絨面具有受光面積大，反射率低的特點?？商岣邌尉Ч杼栯姵氐亩搪冯娏鳎瑥亩岣咛栯姵氐墓怆娹D(zhuǎn)換效率。  金字塔形角錐體的表面積S0等于四個邊長為a正三角形S之和  S0 = 4S = 4×a×a = a2  由此可見有絨面的受光面積比光面提高了倍即1.732倍。  當(dāng)一束強(qiáng)度為E0的光投射到圖中的A點，產(chǎn)生反射光1和進(jìn)入硅中的折射光2。反射光1可以繼續(xù)投射到另一方

7、錐的B點，產(chǎn)生二次反射光3和進(jìn)入半導(dǎo)體的折射光4；而對光面電池就不產(chǎn)生這第二次的入射。經(jīng)計算可知還有11%的二次反射光可能進(jìn)行第三次反射和折射，由此可算得絨面的反射率為9.04%。  2.絨面制備：  采用三氯氧磷氣體攜帶源方式，這個工藝的特點是生產(chǎn)高，有利于降低成本。新購的8吋硅片擴(kuò)散爐、石英管口徑達(dá)270mm，可以擴(kuò)散156×156（mm）的硅片。  由于石英管口徑大，恒溫區(qū)長，提高了擴(kuò)散薄層電阻均勻性，有利于降低太陽電池的串聯(lián)電阻Rs，從而提高太陽電池填充因子FF。   3.SiN鈍化與APCVD淀積TiO2：  &#

8、160; 先期的地面用高效單晶硅太陽電池一般采用鈍化發(fā)射區(qū)太陽電池(PESC)工藝。在擴(kuò)散過去除磷硅玻的硅片上,熱氧化生長一層10nm25nm厚SiO2為,使表面層非晶化,改變了表面層硅原子價鍵失配情況,使表面趨于穩(wěn)定,這樣減少了發(fā)射區(qū)表面復(fù)合,提高了太陽電池對藍(lán)光的響應(yīng),同時也增加了短路電流密度Jsc,由于減少了發(fā)射區(qū)表面復(fù)合,這樣也就減少了反向飽和電流密度,從而提高了太陽電池開路電壓Voc。還有如果沒有這層SiN,直接淀積TiO2薄膜,硅表面上會出現(xiàn)陷阱型的滯后現(xiàn)象導(dǎo)致太陽電池短路電流衰減,一般會衰減8%左右,從而降低光電轉(zhuǎn)換效率。故要先生長SiN鈍化再生長TiO2減反射膜。 &

9、#160;  TiO2減反射膜是用APCVD設(shè)備生長的,它通過鈦酸異丙脂與純水產(chǎn)生水解反應(yīng)來生長TiO2薄膜。     4.PECVD淀積SiN   多晶硅太陽電池廣泛使用PECVD淀積SiN ,由于PECVD淀積SiN時,不光是生長SiN作為減反射膜,同時生成了大量的原子氫,這些氫原子能對多晶硅片具有表面鈍化和體鈍化的雙重作用,可用于大批量生產(chǎn)高效多晶硅太陽電池,為上世紀(jì)末多晶硅太陽電池的產(chǎn)量超過單晶硅太陽電池立下汗馬功勞。隨著PECVD在多晶硅太陽電池成功,引起人們將PECVD用于單晶硅太陽電池作表面鈍化的愿望。  由于生成的氮化

10、硅薄膜含有大量的氫,可以很好的鈍化硅中的位錯、表面懸掛鍵，從而提高了硅片中載流子遷移率，一般要提高20%左右，同時由于SiN薄膜對單晶硅表面有非常明顯鈍化作用。尚德公司的經(jīng)驗顯示，用PECVD SiN作為減反膜的單晶硅太陽電池效率較高于傳統(tǒng)的由APCVD TiO2作為減反膜單晶硅太陽電池。  5.共燒形成金屬接觸   晶體硅太陽電池要通過三次印刷金屬漿料，傳統(tǒng)工藝要用二次燒結(jié)才能形成良好的帶有金屬電極歐姆接觸，共燒工藝只需一次燒結(jié)，同時形成上下電極的歐姆接觸，是高效晶體硅太陽能電池的一項重要關(guān)鍵工藝，國外著名的金屬漿料廠商非常賣力推廣共燒工藝。這個工藝基礎(chǔ)理論來自較古老的合

11、金法制P-N結(jié)工藝。就是電極金屬材料和半導(dǎo)體單晶硅在溫度達(dá)到共晶溫度時，單晶硅原子按相圖以一定的比例量溶入到熔融的合金電極材料中去。單晶硅原子溶入到電極金屬中的整個過程是相當(dāng)快的，一般只需幾秒鐘時間。溶入的單晶硅原子數(shù)目決定于合金溫度和電極材料的體積，燒結(jié)合金溫度愈高，電極金屬材料體積愈大，則溶入的硅原子數(shù)目也愈多，這時狀態(tài)被稱為晶體電極金屬的合金系統(tǒng)。如果此時溫度降低，系統(tǒng)開始冷卻，這時原先溶入到電極金屬材料中的硅原子重新以固態(tài)形式結(jié)晶出來，也就是在金屬和晶體接觸界面上生長出一層外延層。如果外延層內(nèi)含有足夠量的與原先晶體材料導(dǎo)電類型相同雜質(zhì)成份，這就獲得了用合金法工藝形成歐姆接觸；如果再結(jié)晶層內(nèi)含有足夠量的與原先晶體材料導(dǎo)電類型異型的雜質(zhì)成份，這就獲得了用合金法工藝形成P-N結(jié)。  銀槳、銀鋁槳、鋁槳印刷過的硅片，通過烘干有機(jī)溶劑完全揮發(fā)，膜層收縮成為固狀物緊密粘附在硅片上，這時，可視為金屬電極材