光伏產(chǎn)品工藝緒--論課件

1、緒論本書以光伏電池組件的生產(chǎn)過程為導向,把整個生產(chǎn)工藝流程融入教學過程中,具有情景真實性、過程可操作性的特點。1.光伏電池的發(fā)電原理 光伏電池在沒有光照時,其特性可視為一個二極管,在沒有光照時其正向偏壓U與通過電流I的關系式為圖0-1半導體能帶圖圖0-2光伏電池的理論模型圖0-3理想光伏電池電路模型2.影響光伏電池發(fā)電的因素(1)標準測試條件1)光源輻照度:1000W/m2。2)測試溫度:(2520)。3)AM1.5地面太陽光譜輻照度分布。(2)光伏電池的等效電路1)理想光伏電池的等效電路(見圖0-4)。相當于一個電流為Iph的恒流電源與一只正向二極管并聯(lián),流過二極管的正向電流稱為暗電流Id,

2、流過負載的電流為I,負載兩端的電壓為U。2)實際光伏電池的等效電路(見圖0-5)。由于漏電流等產(chǎn)生的旁路電阻Rsh,體電阻和電極的電阻產(chǎn)生的串聯(lián)電阻Rs在Rsh兩端的電壓為圖0-4理想的光伏電池等效電路圖0-5實際的光伏電池等效電路Uj=(U+Irs)=Iph-Iooexp(qUj/A0kT)-1在負載短路時,即Uj=0(忽略串聯(lián)電阻),便得到短路電流,其值恰好與光電流相等,即=Isc-Iooexp(qUj/A0kT)-1當負載R時,輸出電流0,便得到開路電壓Uoc,其值由下式確定:圖0-6不同輻照度下電池的伏安特性曲線3)伏安特性曲線(見圖0-6)。受光照的光伏電池,在一定的溫度和輻照度以及

3、不同的外電路負載下,流入負載的電流I和電池端電壓U的關系曲線稱為伏安特性曲線。4)開路電壓。在一定的溫度和輻照度條件下,光伏發(fā)電器在空載(開路)情況下的端電壓稱為開路電壓,通常用Uoc來表示。光伏電池的開路電壓與電池面積大小無關,通常單晶硅光伏電池的開路電壓約為450600mV,光伏電池的開路電壓與入射光譜輻照度的對數(shù)成正比。5)短路電流。在一定的溫度和輻照條件下,光伏發(fā)電器在端電壓為零時的輸出電流稱為短路電流,通常用Isc來表示。Isc與光伏電池的面積大小有關,面積越大, Isc越大。一般1cm2的光伏電池Isc值約為1630mA。Isc與入射光的輻照度成正比。6)最大功率點。在光伏電池伏安

4、特性曲線上對應最大功率的點稱為最大功率點,又稱最佳工作點。7)最佳工作電壓。光伏電池伏安特性曲線上最大功率點所對應的電壓稱為最佳工作電壓,通常用Um表示。8)最佳工作電流。光伏電池伏安特性曲線上最大功率點所對應的電流稱為最佳工作電流,通常用Im表示。9)轉(zhuǎn)換效率。受光照光伏電池的最大功率與入射到該光伏電池上的全部輻射功率的百分比稱為轉(zhuǎn)換效率,通常用表示。=UmIm/AtPin(0-6)10)填充因子(曲線因子)。光伏電池的最大功率與開路電壓和短路電流乘積之比,通常用FF(或CF)表示: FF=ImUm/IscUoc(0-7)11)電流溫度系數(shù)。在規(guī)定的試驗條件下,被測光伏電池溫度每變化1K,光

5、伏電池短路電流的變化值,通常用表示。 對于一般晶體硅電池,有=0.1%/K12)電壓溫度系數(shù)。在規(guī)定的試驗條件下,被測光伏電池溫度每變化1K,光伏電池開路電壓的變化值,通常用表示。對于一般晶體硅電池,有=-0.38%/K 圖0-7常規(guī)光伏電池簡單裝置1839年,法國的Becquerel第一次在化學電池中觀察到光伏效應。1876年,在固態(tài)硒(Se)的系統(tǒng)中也觀察到了光伏效應,隨后開發(fā)出Se/CuO光電池。有關硅光電池的報道出現(xiàn)于1941年。貝爾實驗室Chapin等人于1954年開發(fā)出效率為6%的單晶硅光電池,現(xiàn)代硅光伏電池時代從此開始。硅光伏電池于1958年首先在航天器上得到應用。在隨后的10多

6、年里,硅光伏電池在空間應用不斷擴大,工藝不斷改進,電池設計逐步定型。這是硅光伏電池發(fā)展的第一個時期。第二個時期開始于20世紀70年代初,在這個時期,背表面場、細柵金屬化、淺結(jié)表面擴散和表面織構化開始引入到電池的制造工藝中,光伏電池轉(zhuǎn)換效率有了較大提高。與此同時,硅光伏電池開始在地面應用,而且不斷擴大,到20世紀70年代末地面用光伏電池產(chǎn)量已經(jīng)超過空間電池產(chǎn)量,并促使成本不斷降低。20世紀80年代初,硅光伏電池進入快速發(fā)展的第三個時期。這個時期的主要特征是把表面鈍化技術、降低接觸復合效應、后處理提高載流子壽命、改進陷光效應引入到電池的制造工藝中。以各種高效電池為代表,電池效率大幅度提高,商業(yè)化生

7、產(chǎn)成本進一步降低,應用不斷擴大。在太陽電池的整個發(fā)展歷程中,先后出現(xiàn)過各種不同結(jié)構的電池,如肖特基(Ms)電池,MIS電池,MINP電池;異質(zhì)結(jié)電池(如ITO(n)/Si(p),a-Si/c-Si,Ge/Si)等,其中同質(zhì)PN結(jié)電池結(jié)構自始至終占主導地位,其他結(jié)構對太陽電池的發(fā)展也有重要影響。1.地面應用推動各種新型電池的出現(xiàn)和發(fā)展晶硅電池在20世紀70年代初引入地面應用。1)背表面電場(BSF)電池。在電池的背面接觸區(qū)引入同型重摻雜區(qū),由于改進了接觸區(qū)附近的收集性能而增加電池的短路電流;背場的作用可以降低飽和電流,從而改善開路電壓,提高電池效率。2)紫光電池。這種電池最早(1972年)是為通

8、信衛(wèi)星開發(fā)的。因其淺結(jié)(0.10.2m)密柵、減反射(Ta2O5短波透過好)而獲得高效率。在一段時間里,淺結(jié)被認為是高效的關鍵技術之一而被采用。3)表面織構化電池。這種電池也稱絨面電池,最早(1974年)也是為通信衛(wèi)星開發(fā)的。其AM0時電池效率15%,AMI時18%。這種技術后來被高效電池和工業(yè)化電池普遍采用。4)異質(zhì)結(jié)光伏電池。異質(zhì)結(jié)光伏電池是不同半導體材料在一起形成的光伏電池,如SnO2/Si、In2O3/Si、(In2O3+SnO2)/Si電池等。由于SnO2、In2O3、(In2O3+SnO2)等帶隙寬,透光性好,制作電池工藝簡單,曾引起許多研究者的興趣。目前因效率不高等問題研究者已不

9、多,但SnO2、In2O3、(In2O3+SnO2)是許多薄膜電池的重要構成部分,作收集電流和窗口材料用。5)MIS電池。這種電池是肖特基(Ms)電池的改型,即在金屬和半導體之間加入1.53.0nm絕緣層,使Ms電池中多子支配暗電流的情況得到抑制,而變成少子隧穿決定暗電流,與PN結(jié)類似。6)MINP電池。可以把這種電池看做是MIS電池和PN結(jié)的結(jié)合,其中氧化層對表面和晶界復合起抑制作用。這種電池對后來的高效電池起到過渡作用。7)聚光電池。聚光電池的特點是電池面積小,從而可以降低成本,同時在高光強下可以提高電池開路電壓,從而提高轉(zhuǎn)換效率,因此聚光電池一直受到重視。比較典型的聚光電池是斯坦福大學的

10、點接觸聚光電池,其結(jié)構與非聚光點接觸電池結(jié)構相同,不同處是采用電阻率為200cm的高阻N型材料并使電池厚度降低到100160m,使體內(nèi)復合進一步降低。這種電池在140個太陽下轉(zhuǎn)換效率達到26.5%。2.晶硅光伏電池向高效化和薄膜化方向發(fā)展晶硅電池在過去20年里有了很大發(fā)展,許多新技術的采用和引入使光伏電池的效率有了很大提高。1)新南威爾士大學高效電池。a.鈍化發(fā)射區(qū)電池(PESC):PESC于1985年問世,1986年V形槽技術又被應用到該電池上,效率突破20%。V形槽對電池的貢獻是:減少電池表面反射;垂直光線在V形槽表面折射后以41角進入硅片,使光生載流子更接近發(fā)射結(jié),提高了收集效率,對低壽

11、命襯底尤為重要;V形槽可使發(fā)射極橫向電阻降低至原來的1/3。由于PESC的最佳發(fā)射極方塊電阻在150/以上,降低發(fā)射極電阻可提高電池填充因子。在發(fā)射結(jié)磷擴散后,m數(shù)量級厚的鋁層沉積在電池背面,再熱生長10nm表面鈍化氧化層,并使背面鋁和硅形成合金,正面氧化層可大大降低表面復合速度,背面鋁合金可吸除體內(nèi)雜質(zhì)和缺陷,因此開路電壓得到提高。PESC的金屬化由剝離方法形成Ti-Pd接觸,然后電鍍Ag構成。這種金屬化有相當大的厚/寬比和很小的接觸面積,因此這種電池可以做到FF83%的填充因子和20.8%(AM1.5時)的效率。b.鈍化發(fā)射區(qū)和背表面電池(PERC電池):鋁背面吸雜是PESC的一個關鍵技術

12、。然而由于背表面的高復合和低反射,它成了限制PESC技術進一步提高的主要因素。PERC和PERL電池成功地解決了這個問題。它用背面點接觸來代替PESC的整個背面鋁合金接觸,并用TCA(氯乙烷)生長的110nm厚的氧化層來鈍化電池的正表面和背表面。TCA氧化產(chǎn)生極低的界面態(tài)密度,同時還能排除金屬雜質(zhì)和減少表面層錯,從而能保持襯底原有的少子壽命。由于襯底的高少子壽命和背面金屬接觸點處的高復合,背面接觸點設計成2mm的大間距和200m的接觸孔徑。接觸點間距需大于少子擴散長度以減小復合。這種電池達到了大約700mV的開路電壓和22.3%的效率。然而,由于接觸點間距太大,串聯(lián)電阻高,因此填充因子較低。c

13、.鈍化發(fā)射區(qū)和背面局部擴散電池(PERL電池):在背面接觸點下增加一個濃硼擴散層,以減小金屬接觸電阻。由于硼擴散層減小了有效表面復合,接觸點間距可以減小到250m、接觸孔徑減小到10m而不增加背表面的復合,從而大大減小了電池的串聯(lián)電阻。PERL電池達到了702mV的開路電壓和23.5%的效率。PERC和PERL電池的另一個特點是其極好的陷光效應。由于硅是間接帶隙半導體,對紅外的吸收系數(shù)很低,一部分紅外光可以穿透電池而不被吸收。理想情況下入射光可以在襯底材料內(nèi)往返穿過4n2次,n為硅的折射率。PERL電池的背面,由鋁在SiO2上形成一個很好反射面,入射光在背表面上反射回正表面,由于正表面的倒金字

14、塔結(jié)構,這些反射光的一大部分又被反射回襯底,如此往返多次。美國Sandia國家實驗室的P.Basore博士發(fā)明了一種紅外分析的方法來測量陷光性能,測得PERL電池背面的光譜反射比大于95%,陷光系數(shù)大于往返25次。因此PREL電池的紅外響應極高,也特別適應于對單色紅外光的吸收。在1.02m波長的單色光下,PERL電池的轉(zhuǎn)換效率達到45.1%。這種電池AM0下效率也達到了20.8%。d.埋柵電池:UNSW開發(fā)的激光刻槽埋柵電池,在發(fā)射結(jié)擴散后,用激光在前面刻出20m寬、40m深的溝槽,將槽清洗后進行濃磷擴散。然后在槽內(nèi)鍍出金屬電極。電極位于電池內(nèi)部,減少了柵線的遮蔽面積。電池背面與PESC相同,

15、由于刻槽會引進損傷,其性能略低于PESC電池。電池效率達到19.6%。2)斯坦福大學的背面點接觸電池(PCC)。點接觸電池的結(jié)構與PERL電池一樣,用TCA生長氧化層鈍化電池正反面。為了減少金屬條的遮光效應,金屬電極設計在電池的背面。電池正面采用由光刻制成的金字塔(絨面)結(jié)構。位于背面的發(fā)射區(qū)被設計成點狀、50m間距、10m擴散區(qū)和5m接觸孔徑,基區(qū)也做成同樣的形狀,這樣可減小背面復合。襯底采用n型低阻材料(取其表面及體內(nèi)復合均低的優(yōu)勢),襯底減薄到約100m,以進一步減小體內(nèi)復合。這種電池的轉(zhuǎn)換效率在AM1.5下為22.3%。3)德國Fraunhofer太陽能研究所的深結(jié)局部背場電池(LBS

16、F電池)。LBSF電池的結(jié)構與PERL電池類似,也采用TCA氧化層鈍化和倒金字塔正面結(jié)構。由于背面硼擴散一般造成高表面復合,局部鋁擴散被用來制作電池的表面接觸,2cm2cm電池電池效率達到23.3%(Uoc=700mV,Isc=41.3mA,FF=0.806)。4)日本SHARP公司的C-Si/c-Si異質(zhì)pp+結(jié)高效電池。SHARP公司能源轉(zhuǎn)換實驗室的高效電池,前面采用絨面織構化,在SiO2鈍化層上沉積SiN為減反射層(ARC),后面用RF-PECVD摻硼的c-Si薄膜作為背場,用SiN薄膜作為后表面的鈍化層,鋁層通過SiN上的孔與c-Si薄膜接觸。5cm5cm電池在AM1.5條件下的效率達

17、到21.4%(Uoc=669mV,Isc=40.5mA,FF=0.79)。5)我國單晶硅高效電池。我國在“八五”和“九五”期間也進行了高效電池研究,并取得了可喜成果。近年來硅電池的一個重要進展來自于表面鈍化技術的提高。從鈍化發(fā)射區(qū)光伏電池(Passi-vated Emitter Solar Cell,PESC)的薄氧化層(10nm)發(fā)展到PCC、PERC、PERL電池。電池的厚氧化層(110nm)。熱氧化鈍化表面技術已使表面態(tài)密度降到1010/cm2以下,表面復合速度降到100cm/s以下。此外,表面V形槽和倒金字塔技術,雙層減反射膜技術的提高和陷光理論的完善也進一步減小了電池表面的反射和對紅

18、外光的吸收。低成本高效硅電池也得到了飛速發(fā)展。(2)多晶硅高效電池多晶硅光伏電池的出現(xiàn)主要是為了降低成本,其優(yōu)點是能直接制備出適于規(guī)?；a(chǎn)的大尺寸方形硅錠,設備比較簡單,制造過程簡單、省電、節(jié)約硅材料,對材質(zhì)要求也較低。1)金屬雜質(zhì)的釋放/擴散決定了吸雜溫度的下限。2)分凝模型控制了吸雜的最佳溫度。另有學者提出,在磷擴散時,硅的自間隙電流的產(chǎn)生是吸雜機制的基本因素。1)Geogia Tech電池。美國Geogia工業(yè)大學光伏中心使用電阻率0.65cm、厚度280m的熱交換法(Heat Exchange Method,HEM)多晶硅片制作電池,n+發(fā)射區(qū)的形成和磷吸雜結(jié)合,采用快速熱過程制備鋁

19、背場,用lift-off法制備Ti/Pd/Ag前電極,并加雙層減反射膜。1cm2電池的效率AM1.5下達到18.6%。2)UNSW電池。UNSW光伏中心的高效多晶硅電池工藝基本上與PERL電池類似,只是其表面織構化不是倒金字塔,而是用光刻和腐蝕工藝制備的蜂窩結(jié)構。多晶硅片由意大利的Eurosolare提供,1cm2電池的效率AM1.5下達到19.8%,這是目前水平最高的多晶硅電他的研究結(jié)果。該工藝打破了多晶硅電池不適合采用高溫過程的傳統(tǒng)觀念。3)Kysera電池。日本kyocera公司在多晶硅高效電池上采用體鈍化和表面鈍化技術,PECVD SiN膜既作為減反射膜,又作為體鈍化措施,表面織構化采

20、用反應性粒子刻邊技術。背場則采用絲印鋁獎燒結(jié)形成。電池前面柵線也采用絲印技術。15cm15cm大面積多晶硅電池效率達17.1%。目前日本正計劃實現(xiàn)這種電池的產(chǎn)業(yè)化。4)我國多晶硅電池。北京有色金屬研究總院在多晶硅電池方面做了大量研究工作,目前10cm10cm電池效率達到11.8%。北京市太陽能研究所在“九五”期間開展了多晶硅電池研究,1cm2電池效率達到14.5%。我國中試生產(chǎn)的10cm10cm多晶硅太陽電池的效率為10%11%,最高效率為12%。(3) 多晶硅薄膜電池自20世紀70年代以來,為了大幅度降低光伏電池的成本,光伏界一直在研究開發(fā)薄膜電池,并先后開發(fā)出非晶硅薄膜電池、碲化鎘(CdT

21、e)電池和銅銦硒(CIS)電池等。1)CVD多晶硅薄膜電池。各種CVD(PECVD、RTCVD、cat-CVD、Hot-wire CVD等)技術被用來生長多晶硅薄膜,在實驗室內(nèi)有些技術獲得了重要的結(jié)果。例如,日本kaneka公司采用PECVD技術在550以下和玻璃襯底上制備出具有pin結(jié)構的多晶硅薄膜電池,電池總厚度約2m,效率達到10%;德國Fraunhofer太陽能研究所使用SiO2和SiN包覆陶瓷或SiC包覆石墨為襯底,用快速熱化學氣相沉積(RTCVD)技術沉積多晶硅薄膜,硅膜經(jīng)過區(qū)熔再結(jié)晶(ZMR)后制備光伏電池,兩種襯底的電池效率分別達到9.3%和11%。2)多層多晶硅薄膜電池。UN

22、SW于1994年提出一種多層多晶硅薄膜電池的概念和技術,并于同年與Pacific Power公司合作成立kcific solar公司開發(fā)這種電池。最近報道,該公司已經(jīng)生產(chǎn)出30cm40cm的中試電池組件。薄膜采用CVD 工藝沉積,襯底為玻璃,通過激光刻槽和化學鍍膜實現(xiàn)接觸、互聯(lián)和集成。據(jù)稱,電池組件的主要成本是封裝玻璃,商業(yè)化后的發(fā)電成本可與煤電相比。三、光伏電池用晶硅材料1.單晶硅材料單晶硅材料制造要經(jīng)過如下過程:石英砂冶金級硅 多晶硅錠單晶硅硅片。2.多晶硅材料由于硅材料成本占光伏電池成本中的絕大部分,因此降低硅材料成本是光伏應用的關鍵。1)盛硅容器的材質(zhì)。因為硅熔體冷凝時會牢固地粘附在坩堝的內(nèi)壁,若兩者的膨脹系數(shù)不同,硅固化時體積增加9%,會使硅錠產(chǎn)生裂紋或破碎。此外,熔化硅幾乎能與所有材料起化學反應,因而坩堝對硅料的污染必須控制在太陽級硅所允許的限度以內(nèi)。2)晶體結(jié)構。用調(diào)整熱場等方法控制晶體結(jié)構,以生長出大小適當(數(shù)毫米)的具有單向性的晶粒,并盡量減少晶體中的缺陷,這樣才有可能制成效率較高的電池。近年來,鑄錠工藝主要朝大錠的方向發(fā)展。1)限邊喂膜(Edge Deifined Fil