晶體硅太陽電池工藝技術

晶體硅太陽電池工藝技術

無錫尚德太陽能電力有限公司

(SUNTECHPOWERCO.LTD.）

汪義川2004年9月晶體硅太陽電池工藝技術共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!一、晶體硅太陽電池工藝原則高效化低成本大批量晶體硅太陽電池工藝技術共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!二、表現(xiàn)方式2.1大片化，薄片化，高效化大片化多晶硅片210*210（mm）面積441cm2單晶硅片156*156（mm）面積239.9cm2晶體硅太陽電池工藝技術共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!

中國有可能在未來156×156（mm）單晶硅片生產(chǎn)上，占有讓國際光伏圈內(nèi)不可小視的一席之地。中國有批量生產(chǎn)8吋單晶爐設備的廠家；各地已有不少廠家在上8吋單晶爐，150×150（mm）晶片已問世。高郵江蘇順大半導體發(fā)展有限公司拉的8吋單晶，鎮(zhèn)江環(huán)太硅科技公司切片；無錫尚德太陽能電力有限公司剛之竣工一條年產(chǎn)25MW，生產(chǎn)單晶硅和多晶硅156×156（mm）、150×150（mm）太陽電池生產(chǎn)線。晶體硅太陽電池工藝技術共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!圖1單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的發(fā)展過程

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1）體內(nèi)復合減少晶體硅體內(nèi)的復合，首先要選用適當?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1cm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。晶體硅太陽電池工藝技術共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!

3）電極區(qū)復合減少電極區(qū)的復合可采用將電極區(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)域的復合。晶體硅太陽電池工藝技術共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!圖5顯示了由澳大利亞新南威爾斯大學設計和制造的高效晶體硅太陽能電池（PERL）示意圖。圖5：實驗室高效太陽能電池結構示意圖晶體硅太陽電池工藝技術共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!目前這種電池技術是制造實驗室高效太陽能電池的主要技術之一，25％的電池就是由此技術制造的。但是，這種電池的制造過程相當煩瑣，其中涉及到好幾道光刻工藝，所以不是一個低成本的生產(chǎn)工藝，很難將且應用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。晶體硅太陽電池工藝技術共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!目前這一技術已轉(zhuǎn)讓給好幾家世界上規(guī)模較大的太陽能電池生產(chǎn)廠家如英國的BPSOLAR和美國的SOLAREX等

8)背面金屬鋁燒結；2)表面淡磷擴散；1)表面金字塔的形成；7)背面金屬鋁蒸發(fā)；6)槽內(nèi)濃磷擴散；4)激光刻槽；3)表面氧化物(SiO2)生長；9)化學鍍前后面金屬電極；10)邊緣切割。5)槽內(nèi)化學腐蝕；激光埋沿式電池制造的主要工藝流程是：

晶體硅太陽電池工藝技術共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!3.2大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)太陽電池制造

目前國際上大多數(shù)晶體硅太陽能電池生產(chǎn)廠家都采用絲網(wǎng)印刷技術。這一技術是在七十年代形成的。因此已沒有產(chǎn)權歸哪一個生產(chǎn)廠家的說法。這一技術對單晶硅和多晶硅都適用。圖8描述了這一電池的結構。圖8絲網(wǎng)印刷工藝生產(chǎn)的電池結構示意圖

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2.2薄片化≥220μ

薄片化是把雙刃劍，薄片化可以降低成本。但是，碎片率會增加。國際上晶片供應商都是朝220μ方向看齊，薄片化會對第三世界太陽電池生產(chǎn)商而言會形成一道強大技術壁壘。晶體硅太陽電池工藝技術共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!三、光伏技術的發(fā)展晶體硅太陽電池是光伏行業(yè)的主導產(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用于宇航技術以來，太陽能電池的技術得到非常迅速的發(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%。圖1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)換效率的世界紀錄主要由澳大利亞新南威爾斯大學保持。晶體硅太陽電池工藝技術共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!3.1實驗室高效太陽能電池的研究

太陽能電池是一種少數(shù)載流子工作器件，當光照射到一個P－型半導體的表面上，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，就必須設法減少少數(shù)載流子在電池內(nèi)的復合，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)復合；2）表面復合；3）電極區(qū)復合。晶體硅太陽電池工藝技術共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!

2）表面復合

減少表面復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(high-lowjunction)。這種結在表面產(chǎn)生一個電場,從而排斥了少數(shù)載流子空穴向表面移動。晶體硅太陽電池工藝技術共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!

基于以上提高電池轉(zhuǎn)換效率的途徑，派生了多種高效晶體硅太陽能電池的設計和制造工藝。其中包括PESC電池（發(fā)射結鈍化太陽電池）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)射結鈍化和背面點接觸電池）。由這些電池設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。晶體硅太陽電池工藝技術共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!實驗室高效太陽能電池的結構具有以下特點：

1)表面采用了倒金字塔結構進一步減小光在前表面的反射并更有效地將進入硅片的光限制在電池之內(nèi)；

2)硅表面磷摻雜的濃度較低以減少表面的復合和避免表面“

死層”的存在；

5)前表面電極采用更匹配的金屬如鈦，鈀，銀金屬組合以進一步減小電極與硅的接觸電阻；

3)前后表面電極下面局部采用高濃度擴散以減小電極區(qū)復合并形成好的歐姆接觸；4)前表面電極很窄（只有20微米寬)以及電極條之間的距離變窄使得前表面遮光面積降低到最小并減少n－型區(qū)橫向?qū)щ婋娮璧膿p失；7)利用兩層減反射膜將前表面反射降到最低。

6)電池的前后表面采用SiO2和點接觸的方法以減少電池的表面復合；

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八十年代中期，新南威爾斯大學發(fā)明了“激光埋沿式電池制造工藝”，圖6描述了這種電池結構，這一電池技術采納了高效太陽能電池的優(yōu)點，簡化了高效太陽能電池的制造工藝，使之成為可生產(chǎn)的技術。圖6激光埋沿式電池結構示意圖晶體硅太陽電池工藝技術共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!2000年，日本三洋公司（Sanyo）報道了一種新型的高效太陽能電池設計和制造的方法。圖7顯示了這種電池的結構示意圖。此種電池基于一種n-型晶體硅材料，采用等離子體化學沉積（PECVD）方法在n-型硅片襯底上沉淀本征層i-和p-型非晶硅薄膜，從而形成n-型硅和非晶硅異質(zhì)結結構（HIT）太陽電池，非晶硅（a-Si:H）材料的帶寬在1.7eV左右，遠大于晶體硅1.1eV的帶寬，因此此種HIT電池結構對于電池表面有很好的鈍化作用。同時，由于非晶硅幾乎沒有橫向?qū)щ娦阅?，因此必須在硅表面淀積一層大面積

的透明導電膜（TCO）以有效地收集電池的電流。這種電池的結構和工藝制造出了21%轉(zhuǎn)換效率的單晶硅太陽電池，電池的開路電壓（Voc）達到719mV，接近世界紀錄，制造這種電池的工藝溫度不超過300℃。如果溫度高于400℃，氫原子很容易從非晶硅材料內(nèi)逸出，從而降低非晶硅材料的質(zhì)量，影響電池的轉(zhuǎn)換效率，但由于制造工藝涉及到復雜的真空系統(tǒng)，因此制造工藝并非簡單。圖7

高效太陽能電池的結構示意圖

晶體硅太陽電池工藝技術共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!絲網(wǎng)印刷工藝過程包括：

1、表面金字塔的形成（以減少表面反射）；

2、磷擴散（900oC的高溫工藝）；

3、邊緣切割；

4、絲網(wǎng)印刷前表面電極；

5、絲網(wǎng)印刷后表面電極；

6、電極燒結(800oC的高溫工藝)；

7、前表面減反射膜噴涂。

由這一工藝生產(chǎn)的單晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率在13.5％－16％之間，多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率在13％－15.5％之間。

絲網(wǎng)印刷技術具有以下特點：1、為了使電極和硅表面形成好的歐姆接觸，由磷擴散所形成的表面n－型材料摻雜濃度偏高。正如上面所陳述的，高濃度摻雜降低材料內(nèi)的少數(shù)載流子壽命,使得光生載流子不能得到有效地收集。而短波長的太陽光是被這一層材料吸收的，因此這些太陽光的能量不能得到很好的利用,形成所謂的“死層”。2、電池前表面的復合高，因