太陽能電池培訓(xùn)課件

1、太陽能電池培訓(xùn)資料Ape2008.12.12太陽能電池的基本原理太陽能電池主要依靠P-N結(jié)的光生伏打效應(yīng)來工作,而當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體緊密結(jié)合連成一塊時(shí),P型半導(dǎo)體中的空穴向N型半導(dǎo)體的方向擴(kuò)散運(yùn)動,而N型半導(dǎo)體的電子向P型半導(dǎo)體的方向擴(kuò)散運(yùn)動, 如下圖所示:其中P型半導(dǎo)體中的空穴和N型半導(dǎo)體中的電子均稱為多子, P型半導(dǎo)體中的電子和N型半導(dǎo)體中的空穴均稱為少子,在擴(kuò)散運(yùn)動的同時(shí)在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的中央形成了一個由N區(qū)指向P區(qū)的電場稱為內(nèi)建電場,在內(nèi)建電場的影響下.將產(chǎn)生孔穴向右而電子向左的飄移運(yùn)動,當(dāng)漂移運(yùn)動和擴(kuò)散運(yùn)動達(dá)到平衡的時(shí)候就形成了P-N結(jié).太陽能電池的基本原理如右圖所示,

2、當(dāng)處于開路的情況下,當(dāng)光生電流和正向電流相等的時(shí)候,P-N結(jié)兩端將建立起穩(wěn)定的電勢差Voc(P區(qū)為正,N區(qū)為負(fù)),如果與外電路接通,只要光生電流不停止,就會有源源不斷的電流通過電路,P-N結(jié)起到了一個電源的作用.這就是太陽能電池的工作原理。太陽能電池的基本性質(zhì)光電轉(zhuǎn)換效率%評估太陽能電池好壞的重要因素。 =（1000* Isc* Uoc*FF)/S。 目前：實(shí)驗(yàn)室24%,產(chǎn)業(yè)化15%。單體電池電壓U:0.4-0.6V由材料本身的摻雜程度來決定。填充因子FF%：評估太陽能電池負(fù)載能力的重要因素。FF=(Im*Um)/(Isc*Uoc) 其中: Isc-短路電流， Uoc-開路電壓 ， Im-最佳

3、工作電流， Um-最佳工作電壓。標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)與環(huán)境溫度：地面光強(qiáng)AM1.5,1000W/m2,t=25。溫度對電池片性能的影響：功率會隨著溫度的升高而降低。例如：在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，AM1.5光強(qiáng)，t=25 ,某電池片的輸出功率為2.43W,如果電池片溫度升高至45 時(shí)，電池片的輸出功率將小于2.43W。晶體硅太陽能電池生產(chǎn)的工藝流程Texturing制絨Diffusion擴(kuò)散Edge etch去邊結(jié)Anti-reflective coating制做減反射膜Printing&sintering制作上下電極及燒結(jié)Cell testing& sorting 電池片測試分選Solar Cell Manufac

4、turing電池的生產(chǎn)工藝流程Cleaning process去PSG硅片表面化學(xué)腐蝕處理-制絨目的：去除硅片表面的雜質(zhì)殘留，制做能夠減少表面太陽光反射的陷光結(jié)構(gòu)。 原理 ： 單晶：利用單晶硅的各向異性，采用化腐工藝在硅片上制作的絨面，以減少入射光反射、提高短路電流和轉(zhuǎn)換效率。 采用兩步法制作絨面，先用高濃度堿液、較高溫度下進(jìn)行短時(shí)間“粗拋”，再在低濃度、低溫度下進(jìn)行長時(shí)間“細(xì)腐”。此法所制絨面，在晶相顯微鏡下觀察，小金字塔排列規(guī)則、整齊、均勻，可使入射光的反射損失降低近10。 2NaOH+H2O+Si Na2SiO3+2H2 多晶：利用硝酸的強(qiáng)氧化性和氫氟酸的絡(luò)合性，對硅進(jìn)行氧化和絡(luò)合剝離，

5、導(dǎo)致硅表面發(fā)生各向同性非均勻性腐蝕，從而形成 類似“凹陷坑”狀的絨面。 Si + HNO3 SiO2 + NOx + H2O SiO2 + 6HF H2SiF6 + 2H2O絨面微觀圖硅片表面化學(xué)腐蝕處理（一次清洗） 1000X電子掃描鏡-單晶5000X電子掃描鏡-多晶制PN結(jié)（擴(kuò)散）目的：在P型硅表面上滲透入很薄的一層磷，使前表面變成N型，使 之成為一個PN結(jié)。POCl3在高溫下（600）分解生成五氯化磷（PCl5）和五氧化二磷（P2O5），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：由上面反應(yīng)式可以看出，POCl3熱分解時(shí)，如果沒有

6、外來的氧（O2）參與其分解是不充分的，生成的PCl5是不易分解的，并且對硅有腐蝕作用，破壞硅片的表面狀態(tài)。但在有外來O2存在的情況下，PCl5會進(jìn)一步分解成P2O5并放出氯氣（Cl2）其反應(yīng)式如下： 擴(kuò)散原理：制PN結(jié)（擴(kuò)散） 擴(kuò)散原理：生成的P2O5又進(jìn)一步與硅作用，生成SiO2和磷原子，由此可見，在磷擴(kuò)散時(shí)，為了促使POCl3充分的分解和避免PCl5對硅片表面的腐蝕作用，必須在通氮?dú)獾耐瑫r(shí)通入一定流量的氧氣 。在有氧氣的存在時(shí)，POCl3熱分解的反應(yīng)式為： POCL3+5O2 2P2O5+6CL2POCl3分解產(chǎn)生的P2O5淀積在硅片表面，P2O5與硅反應(yīng)生成SiO2和磷原子， 并在硅片表

7、面形成一層磷-硅玻璃，然后磷原子再向硅中進(jìn)行擴(kuò)散 。POCl3液態(tài)源擴(kuò)散方法具有生產(chǎn)效率較高，得到PN結(jié)均勻、平整和擴(kuò)散層表面良好等優(yōu)點(diǎn)，這對于制作具有大面積結(jié)的太陽電池是非常重要的。 載氣小 N2POCL3O2 + 大 N2石英管擴(kuò)散裝置示意圖制PN結(jié)（擴(kuò)散） 擴(kuò)散原理：PSG除去硅磷氣體反應(yīng)淀積O2硅氧化POCl3 O2SiO2SiO2雜質(zhì)再分布去邊結(jié)-刻蝕目的：去除硅片邊緣的N型區(qū)域，將硅片內(nèi)部的N層和P層隔離開，以達(dá)到 PN結(jié)的結(jié)構(gòu)要求。 原理 ：干法刻蝕（等離子刻蝕）：等離子體刻蝕是采用高頻輝光放電反應(yīng)，使反應(yīng)氣體激活成活性粒子，如原子或游離基，這些活性粒子擴(kuò)散到需刻蝕的部位，在那里

8、與被刻蝕材料進(jìn)行反應(yīng)，形成揮發(fā)性生成物而被去除。它的優(yōu)勢在于快速的刻蝕速率同時(shí)可獲得良好的物理形貌 。（這是各向同性反應(yīng)）母體分子CF4在高能量的電子的碰撞作用下分解成多種中性基團(tuán)或離子。這些活性粒子由于擴(kuò)散或者在電場作用下到達(dá)SiO2表面，并在表面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。生產(chǎn)過程中，CF4中摻入O2，這樣有利于提高Si和SiO2的刻蝕速率。 濕法刻蝕（背腐蝕）：利用HF-HNO3溶液，對硅片背表面和邊緣進(jìn)行高速腐蝕，以達(dá)到 去掉邊緣層和消除背面絨面的作用。 Si + HNO3 SiO2 + NOx + H2O SiO2 + 6HF H2SiF6 + 2H2O以及它們的離子CF,CF,CF,CFCF2

9、3e4去邊結(jié)-刻蝕去PSG清洗目的：去除硅片表面的P-Si玻璃層（PSG）,為加鍍減反射膜做準(zhǔn)備。原理 ：利用HF和硅片表面的P-Si玻璃層反應(yīng)，并使之絡(luò)合剝離，以 達(dá)到清洗的目的。 HF + SiO2 H2SiF6 + H2O鍍減反射膜（PECVD）目的：在硅片前表面均勻的鍍上一層高效的減反射膜，并對硅片進(jìn)行鈍化。原理 ：借助微波使含有薄膜組成原子的氣體電離，在局部形成等離子體，而等離子化學(xué)活性很強(qiáng)，很容易發(fā)生反應(yīng)，在基片上沉積出所期望的薄膜?；咎卣?實(shí)現(xiàn)了薄膜沉積工藝的低溫化（450）。 1.節(jié)省能源，降低成本 2.提高產(chǎn)能 3.減少了高溫導(dǎo)致的硅片中少子壽命衰減SiNx的優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)良的表

10、面鈍化效果高效的光學(xué)減反射性能（厚度和折射率匹配）低溫工藝（有效降低成本）含氫SiNx:H可以對mc-Si提供鈍化 鍍減反射膜（PECVD）n0n2r1r2121減反膜對硅片反射率的影響印刷和燒結(jié)目的：在電池上下表面各印上電極圖形，經(jīng)燒結(jié)與硅片形成歐姆接觸。 原理：銀漿，鋁漿印刷過的硅片，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，可視為金屬電極材料層和硅片接觸在一起。當(dāng)硅片投入燒結(jié)爐共燒時(shí)，金屬材料融入到硅里面，之后又幾乎同時(shí)冷卻形成再結(jié)晶層，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)雜質(zhì)成份相互合適，這就獲得了歐姆接觸。印刷工藝流程： 印刷背電極 烘干 印

11、刷背電場 烘干 印刷正面柵線燒結(jié)工藝流程： 印刷完硅片 烘干 升溫 降溫共晶 冷卻印刷和燒結(jié)絲網(wǎng)印刷的特點(diǎn)：受絲網(wǎng)技術(shù)的限制，前表面的金屬電極不能做的很窄，從而遮擋了光在硅片內(nèi)的有效吸收。取決于硅片的電阻率，由絲網(wǎng)印刷技術(shù)生產(chǎn)的晶體硅電池的開路電壓在580620mV之間，短路電流密度在2833mA/cm2之間，以及填充因子在70%75%之間。對于大面積的電池，電池表面10%-15%面積被電池表面電極遮擋了。背極印刷：太陽電池是低電壓高電流的發(fā)電器件, 因此減少太陽電池的串連電阻是非常重要的。串連電阻由金屬電極的電阻、金屬半導(dǎo)體接觸電阻、發(fā)射區(qū)薄層電阻和基區(qū)電阻等組成。串聯(lián)電阻是影響太陽電池填充

12、因子和短路電流進(jìn)而影響光電轉(zhuǎn)換效率的重要因素之一。金屬電極半導(dǎo)體接觸電阻是串聯(lián)電阻的重要組成部分之一。工業(yè)化生產(chǎn)的晶體硅太陽電池 , 通常采用絲網(wǎng)印刷燒結(jié)銀導(dǎo)體作為上電極。這種情況下 , 電極與晶體硅之間的接觸電阻與硅半導(dǎo)體的表面摻雜濃度、表面狀態(tài)及電極燒結(jié)溫度、時(shí)間等條件有關(guān)。如何準(zhǔn)確地測量電極接觸電阻是把握電極燒結(jié)工藝好壞的重要依據(jù)。印刷和燒結(jié)背場印刷：電池鋁背場也應(yīng)用于絲網(wǎng)印刷太陽能電池制造技術(shù)。大約20m厚的鋁漿通過絲網(wǎng)印刷方法沉積到電池的背面，在高溫?zé)Y(jié)過程中，鋁和硅形成共晶合金，如果燒結(jié)溫度高于800，鋁在硅內(nèi)的摻雜濃度會高達(dá)51018/cm3,而硅片襯底的摻雜濃度只在21016/

13、cm3左右，從而在鋁背場和襯底之間形成高/低結(jié)，有效地阻止了少數(shù)載流子向電池的背面擴(kuò)散，降低了電池背表面的復(fù)合速率。鋁背場可將電池背面的復(fù)合速率降低到200cm/s以下，此外，硅鋁合金能對硅片進(jìn)行有效地吸雜。 存在背場的情況下，背場附近的收集幾率可以由原來的11.8%增加到29%，幾乎增加了2倍。增加的收集幾率將使得短路電流增加，在背面復(fù)合較小的情況下，有背場引起的增加十分小，幾乎可以不予考慮，而在背面復(fù)合比較大而且電池不太厚的情況下，這種增加可以達(dá)到原來電流的8%。少數(shù)載流子的壽命極低的情況下，背場的效果并不明顯，這恰好和表面復(fù)合的情形相反，只有在少子有較高的壽命，背場的效果才比較突出。背場實(shí)際上是增強(qiáng)了少子的擴(kuò)散漂移，使得背面復(fù)合等效地降低了，從而使電池性能變好。單片測試和分選目的：通過模擬太陽光太陽能電池進(jìn)行參數(shù)測試和分析，將電池片按照一定的要求進(jìn)行分類。原理：利用太陽能電池的光譜特性，溫度特性，輸出特性等，通過相關(guān)參數(shù)的測定和計(jì)算，來 表達(dá)電池的電性能情況。重要參數(shù) 光照強(qiáng)度：100mw/cm2 轉(zhuǎn)換效率，功率，電池片面積（125單晶為例148.6cm2）的關(guān)系： 功率=光照強(qiáng)度*面積 *轉(zhuǎn)換效率