電池片生產(chǎn)工藝制程原理課件

1、 太陽電池的原理與生產(chǎn)工藝主要內(nèi)容太陽電池原理晶體硅太陽電池工藝流程太陽電池標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)過程簡介工廠與產(chǎn)品說明減反射薄膜制備及特點 單晶硅-SiOx, 熱氧化，TiO2 , APCVD 多晶硅- TiO2, APCVD, SiNx , PECVDTiO2 和 SiNx 減反射薄膜的性能比較太陽電池原理太陽電池的原理是基于半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)將太陽輻射直接轉(zhuǎn)換為電能。在晶體中電子的數(shù)目總是與核電荷數(shù)相一致，所以p型-硅和n型-硅對外部來說是電中性的。如將p型-硅或n型-硅放在陽光下照射，僅是被加熱，外部看不出變化。盡管通過光的能量電子從化學(xué)鍵中被釋放，由此產(chǎn)生電子-空穴對，但在很短的時間內(nèi)（在s范圍

2、內(nèi)）電子又被捕獲，即電子和空穴“復(fù)合”。當(dāng)p型-材料和n型-材料相接，將在晶體中p型-和n型-材料之間形成界面，即一個p-n結(jié)。此時在界面層n型材料中的自由電子和p型材料中的空穴相對應(yīng)。由于正負(fù)電荷之間的吸引力，在界面層附近n型材料中的電子擴散到p型材料中，并且將在原子作用力允許范圍內(nèi)，與p型材料中的電子缺乏實現(xiàn)平衡。與此相反，空穴擴散到n型材料中與自由電子復(fù)合。這樣在界面層周圍形成一個無電荷區(qū)域。在之前p型和n型材料是電中性的，這樣通過界面層周圍的電荷交換形成兩個帶電區(qū)：通過電子到p型材料的遷移在n型區(qū)形成一個正的空間電荷區(qū)和在p型區(qū)形成一個負(fù)空間電荷區(qū)。至今為止，大多數(shù)太陽電池廠家都是通過

3、擴散工藝，在p型硅片上形成n型區(qū)，在兩區(qū)交界就形成了一個p-n結(jié)（即n+/p）。太陽電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個大面積平面p-n結(jié)。由于在結(jié)區(qū)附近電子和空穴的相互擴散，從而在結(jié)區(qū)形成一個由n區(qū)指向p區(qū)的內(nèi)建電場。太陽電池在無光照時，在界面層附近的相反的空間電荷相互作用，使載流子的繼續(xù)交換停止。在界面層附近的空間電荷區(qū)的厚度一般為0.5 -1 m左右。 對于太陽電池來說，界面層應(yīng)當(dāng)處于硅片表面的附近位置。 如果光線照射在太陽電池上并且光在界面層被吸收，具有足夠能量的光子能夠在p型硅和n型硅中將電子從共價鍵中激發(fā)，以至產(chǎn)生電子-空穴對。界面層附近的電子和空穴在復(fù)合之前，將通過空間電荷的電場作用被相互分離

4、。電子向帶正電的n區(qū)和空穴向帶負(fù)電的p區(qū)運動。通過界面層的電荷分離，將在p區(qū)和n區(qū)之間產(chǎn)生一個向外的可測試的電壓。此時可在硅片的兩邊加上電極并接入電壓表。對晶體硅電池來說，開路電壓的典型數(shù)值為0.5-0.6 V。用一個電流表也可測量電流的強度。通過光照在界面層產(chǎn)生的電子-空穴對愈多，電流愈大。界面層吸收的光能愈多和界面層即電池面積愈大，在太陽電池中形成的電流也愈大。對于太陽電池來說，光能到電流的轉(zhuǎn)換僅是在界面層附近才是有效的。這取決于光線在界面層周圍被吸收和盡可能地將能量傳輸給晶體。因此，太陽電池的光線入射的一面應(yīng)該相應(yīng)做得薄一些，以便光線可幾乎無衰減的到達(dá)界面層?？偠灾?，在光照條件下，只有

5、具有足夠能量的光子進入p-n結(jié)區(qū)附近才能產(chǎn)生電子-空穴對。對于晶體硅太陽電池來說，太陽光譜中波長小于1.1 m的光線都可產(chǎn)生光伏效應(yīng)。對不同材料的太陽電池來說，盡管光譜響應(yīng)的范圍是不同的，但光電轉(zhuǎn)換的原理是一致的：如圖所示，在p-n結(jié)的內(nèi)建電場作用下，n區(qū)的空穴向p區(qū)運動，而p區(qū)的電子向n區(qū)運動，最后造成在太陽電池受光面（上表面）有大量負(fù)電荷（電子）積累，而在電池背光面（下表面）有大量正電荷（空穴）積累。如在電池上、下表面做上金屬電極，并用導(dǎo)線接上負(fù)載，在負(fù)載上就有電流通過。只要太陽光照不斷，負(fù)載上就一直有電流通過。晶體硅太陽電池原理示意圖 晶體硅太陽電池生產(chǎn)工藝流程硅片腐蝕 (NaOH) 用

6、腐蝕硅片表面機械損傷, p型硅每面腐蝕深度為10 m; 硅片表面絨化 (Na2CO3) 每面腐蝕深度為5-10 m, 最后硅片厚度 300-350 m;擴散制結(jié) 用橫向石英管擴散爐,進行磷擴散形成n 型層;減反射膜制備 用PECVD制作SiNx 減反膜 (PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)表面金屬化 采用絲網(wǎng)印刷,鍵式爐加熱燒結(jié)檢測分級 根據(jù)電池效率，每0.4或0.5分級包裝 晶體硅太陽電池生產(chǎn)工藝流程這里主要介紹晶體硅太陽電池生產(chǎn)工藝流程。以單晶硅電池為例：首先拉制p型單晶硅棒，通過切片設(shè)備將單晶硅棒切成約300 m左右的硅片，

7、硅片要進行腐蝕、清洗，然后將硅片置于擴散爐石英管內(nèi)，用三氯氧磷在硅片上擴散磷原子，以在p型硅片上形成深度約0.5 m左右的n型導(dǎo)電區(qū)，在界面形成p-n 結(jié)，接著在受光面上制作減反射薄膜，并通過真空蒸發(fā)或絲網(wǎng)印刷制作上下電極。在受光面采用柵線電極，以便最大限度地采光。下面就太陽電池的主要制造過程：去除硅片表面損傷層、擴散制結(jié)、等離子邊緣腐蝕、去除磷硅玻璃、沉積減反射膜、制作上下電極等工序,作一具體說明。 硅片腐蝕：首先用NaOH腐蝕硅片，以去除硅片表面機械切痕與損傷, p型硅片每面腐蝕深度可為5-10 m。用Na2CO3溶液進行硅片表面絨化，現(xiàn)在常用的硅片的厚度為200-300 m左右。去除硅片

8、表面損傷層是太陽電池制造的第一道常規(guī)工序，目前主要是通過化學(xué)腐蝕，此法可有效地消除由于切片造成的表面損傷，同時還可以制作絨面表面構(gòu)造，從而減少光反射?；瘜W(xué)腐蝕常用堿腐蝕方法：Si2NaOH H2O Na2SiO32H2具有100晶向的單晶硅片由于在化學(xué)腐蝕中表現(xiàn)的擇優(yōu)性能，即（100）和（111）的腐蝕速率不同，而在表面出現(xiàn)金字塔構(gòu)造，即形成多個（111）小面，從而形成一個陷光的表面絨面構(gòu)造，光線經(jīng)過這樣的表面至少會有2次機會與硅表面接觸，這樣可有效地減少太陽光在硅片表面的反射。硅的折射率達(dá)3.84(波長6.5m)，光線一次與表面接觸可高達(dá)30%的反射，但由于金字塔構(gòu)造，第二次接觸時光線的反射

9、就可降到9%以下。在通過蒸鍍一層減反射薄膜，甚至可將硅片表面反射率降到1%以下。但化學(xué)腐蝕的絨面效果對于多晶硅片不明顯，這是由于多晶硅的表面是多重取向的。現(xiàn)在正在研究用等離子刻蝕的方法替代化學(xué)腐蝕，也稱活性離子刻蝕，也可將多晶硅片的表面刻蝕成比較理想的金字塔表面絨面構(gòu)造。擴散制結(jié)：多數(shù)廠家都選用p型硅片來制作太陽電池，那么一般用POCL3液態(tài)源作為擴散源。擴散設(shè)備可用橫向石英管或鏈?zhǔn)綌U散爐,進行磷擴散形成n 型層。擴散的最高溫度可達(dá)到850-900。這種方法制出的結(jié)均勻性好，方塊電阻的不均勻性小于10，少子壽命可大于10 Ms。擴散過程遵從如下反應(yīng)式：4POCL3 3O2（過量） 2P2O52

10、CL2（氣），2P2O55Si 5SiO 2 + 4P近年來，SheI1 Solar開發(fā)了新的擴散工藝，即采用紅外加熱的辦法，明顯提高了工效，擴散速度可以達(dá)到每秒完成一片電池。等離子邊緣腐蝕：擴散過程中，在硅片的周邊表面也形成擴散層，使電池短路，必須除去。利用輝光放電中氟離子與硅發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生揮發(fā)性的產(chǎn)物SiF4，可達(dá)到邊緣腐蝕的目的。去磷硅玻璃：用化學(xué)方法除去擴散層SiO2與HF生成可溶于水的SiF，從而使硅表面的磷硅玻璃（摻P2O5的SiO2）溶解，化學(xué)反應(yīng)為：SiO2 6HF H2（SiF6）2H2O減反射膜制備：采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD: Plasma Enhanced

11、 Chemical Vapor Deposition) 技術(shù)在電池表面沉積一層氮化硅（SiNx）減反射膜，不但可以減少光的反射，而且因為在制備SiNx 減反膜過程中大量的氫原子進入，能夠起到很好的表面鈍化和體鈍化的效果。這對于具有大量晶界的多晶硅材料而言，由于晶界的懸掛健被飽和，從而降低了復(fù)合中心的作用。由于具有明顯的表面鈍化和體鈍化作用，因此可以用比較差一些的硅材料來制作太陽電池。SiNx薄膜起到增強對光的吸收性的同時，氫原子對太陽電池起到很好的表面和體內(nèi)鈍化作用，從而提高了電池的短路電流和開路電壓。 表面金屬化：太陽電池制造的最后一道制作工序是印刷電極，最早是采用的真空蒸鍍或化學(xué)電鍍技術(shù)，

12、而現(xiàn)在普遍采用絲網(wǎng)印刷法，即通過特殊的印刷機和模板將銀漿、鋁漿印制在太陽電池的正、背面，以形成正、負(fù)電極引線，再經(jīng)低溫烘烤、高溫?zé)Y(jié)，最終即可制成太陽電池。在電池的背面制作電極毫無問題，可在整個背面加上一層薄的金屬層，為了容易焊接必要時要鍍上一層錫。但電池的正面必須保證對光線透明，因此，電池的正面的電極呈梳子狀形式或絲網(wǎng)狀樹枝狀結(jié)構(gòu)。正面電極的形式和厚度總是兩方面因素平衡的結(jié)果，一方面要有高的透過率，另一方面要保證柵網(wǎng)電極有一個盡可能低的接觸電阻。各生產(chǎn)廠家有許多不同的制作工藝。通常電池片正面（負(fù)極）的梳子狀電極結(jié)構(gòu)中，一般有2條或3條主電極粗線，以便于連接條焊接，而背面往往以鋁硅合金作為背表

13、面場，以提高開路電壓，背面（正極）也有2條或3條便于焊接的粗電極線，并往往還布滿細(xì)細(xì)的網(wǎng)格狀銀線。絲網(wǎng)印刷技術(shù)近年來不斷改進，自動化程度不斷提高。先進的絲網(wǎng)印刷的模板采用鎳板激光刻槽制成，以保證模板的耐久和柵格的精度。一般絲網(wǎng)印刷的正面電極對光線有7%左右的遮擋，采用先進的模板印刷工藝可減少對光的遮擋，同時接觸電阻又有一定程度的降低，制造出的電池效率也會有所提高。檢測分級：電極印刷后到高溫?zé)Y(jié)結(jié)束，整個太陽電池制造過程也就完成了，在太陽光下將太陽電池正、負(fù)極用導(dǎo)線接上，就有電流通過了。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量得一致性，通常要對每個電池測試，并按電流和功率大小進行分類，可根據(jù)電池效率，每0.4或0.5分

14、級包裝。但要使太陽電池能很好的滿足用戶發(fā)電需要，還須將太陽電池封裝成太陽電池組件。Standard Solar Cell TechnologyView inside a Solar Cell Production LineStandard Solar Cell TechnologyMono-Si and Poly-Si Solar CellStandard Solar Cell TechnologyEFG-Solar Cells prepared by RWE Schott SolarSolar Cells (Photowatt)Solar Cells (Photowatt)Motech Mu

15、lticrystalline Silicon Solar Cell MHC103P MHC103S MHC103 EMHC103 TMHC125P MHC125S MHC125E MHC125TConversion Efficiency 11-11.99 12-12.99 13-13.49 13.5-14.99 11-11.99 12-12.99 13-13.49 13.5-14.99Rated Power(Wp) 1.17-1.27 1.28-1.38 1.39-1.43 1.44-1.59 1.72-1.87 1.88-2.03 2.04-2.11 2.12-2.35Maximun-Pow

16、er Current(A) 2.44-2.65 2.67-2.88 2.90-2.98 3.00-3.32 3.59-3.90 3.92-4.23 4.25-4.40 4.42-4.90NormalMaximun-PowerVoltage(V) 0.48 0.48 0.48 0.48 0.48 0.48 0.48 0.48Average Short-Circuit Current 3.130.02 3.170.02 3.220.02 3.250.02 4.540.02 4.600.02 4.650.02 4.730.02Average Open-Circuit Voltage 0.5910.01 0.5980.01 0.6020.01 0.6090.01 0.5940.01 0.5980.01 0.6030.01 0.6100.01Dimensions 1030.5mm*1030.5mm 1250.5mm*1250.5mmThickness 0.320.05mm 0.320.05mmStandard Solar Cell TechnologyShell Solar in Gel