硅電池的制造

近年來，太陽能電池片生產(chǎn)技術(shù)不斷進(jìn)步，生產(chǎn)本錢不斷降低，轉(zhuǎn)換效率不斷提高，使光伏發(fā)電的應(yīng)用日益普及并迅猛進(jìn)展，漸漸成為電力供給的重要來源。太陽能電池片是一種能量轉(zhuǎn)換的光電元件，它可以在太陽光的照耀下，把光的能量轉(zhuǎn)換成電能，從而實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電。生產(chǎn)電池片的工藝比較簡單，一般要經(jīng)過硅片檢測、外表制絨、集中制結(jié)、去磷硅玻璃、等離子刻蝕、鍍減反射膜、絲網(wǎng)印刷、快速燒結(jié)和檢測分裝等主要步驟。本文介紹的是晶硅太陽能電池片生產(chǎn)的一般工藝與設(shè)備。一、硅片檢測硅片是太陽能電池片的載體，硅片質(zhì)量的好壞直接打算了太陽能電池片轉(zhuǎn)換效率的凹凸，因此需要對來料硅片進(jìn)展檢測。該工序主要用來對硅片的一些技術(shù)參數(shù)進(jìn)展在線測量，這些參數(shù)主要包括硅片外表不平坦度、少子壽命、電阻率、P/N型和微裂紋等。該組設(shè)備分自動(dòng)上下料、硅片傳輸、系統(tǒng)整合局部和四個(gè)檢測模塊。其中，光伏硅片檢測儀對硅片外表不平坦度進(jìn)展檢測,同時(shí)檢測硅片的尺寸和對角線等外觀參數(shù)；微裂紋檢測模塊用來檢測硅片的內(nèi)部微裂紋；另外還有兩個(gè)檢測模組，其中一個(gè)在線測試模組主要測試硅片體電阻率和硅片類型，另一個(gè)模塊用于檢測硅片的少子壽命。在進(jìn)展少子壽命和電阻率檢測之前，需要先對硅片的對角線、微裂紋進(jìn)展檢測，并自動(dòng)剔除破損硅片。硅片檢測設(shè)備能夠自動(dòng)裝片和卸片，并且能夠?qū)⒉缓细衿贩诺焦潭ㄎ恢?，從而提高檢測精度和效率。二、外表制絨單晶硅絨面的制備是利用硅的各向異性腐蝕，在每平方厘米硅外表形成幾百萬個(gè)四周方錐體也即金字塔構(gòu)造。由于入射光在外表的屢次反射和折射，增加了光的吸取，提高了電池的短路電流和轉(zhuǎn)換效率。硅的各向異性腐蝕液通常用熱的堿性溶液，可用的堿有氫氧化鈉，氫氧化鉀、氫氧化鋰和乙二1%的氫氧化鈉稀溶液來制備絨面硅，腐蝕溫度為70-85℃。為了獲得均勻的絨面，還應(yīng)在溶液中酌量添加醇類如乙醇和異丙醇等作為絡(luò)合劑，以加快硅的腐蝕。制備絨面前，硅片須先進(jìn)展初步外表腐蝕，用堿性或酸性腐蝕液蝕去約20～25μm，在腐蝕絨面后，進(jìn)展一般的化學(xué)清洗。經(jīng)過外表預(yù)備的硅片都不宜在水中久存，以防沾污，應(yīng)盡快集中制結(jié)。三、集中制結(jié)太陽能電池需要一個(gè)大面積的PN結(jié)以實(shí)現(xiàn)光能到電能的轉(zhuǎn)換，而集中爐即為制造太陽能電池PN結(jié)的專用設(shè)備。管式集中爐主要由石英舟的上下載局部、廢氣室、爐體局部和氣柜局部等四大局部組成。集中一般用三氯氧磷液態(tài)源作為擴(kuò)散源。把P型硅片放在管式集中爐的石英容器內(nèi)，在850---900攝氏度高溫下使用氮?dú)鈱⑷妊趿讕胧⑷萜?，通過三氯氧磷和硅片進(jìn)展反響，得到磷原子。經(jīng)過肯定時(shí)間，磷原子從四周進(jìn)入硅片的外表層，并且通過硅原子之間的空隙向硅片內(nèi)部滲透集中，形成了N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的交界面，也就是PN結(jié)。這種方法制出的PN結(jié)均勻性好,方塊電阻的不均勻性小于百分之十 ,少子壽命可大于10ms。制造PN結(jié)是太陽電池生產(chǎn)最根本也是最關(guān)鍵的工序。PN四、去磷硅玻璃該工藝用于太陽能電池片生產(chǎn)制造過程中，通過化學(xué)腐蝕法也即把硅片放在氫氟酸溶液中浸泡，使其產(chǎn)生化學(xué)反響生成可溶性的絡(luò)和物六氟硅酸，以去除集中制結(jié)后在硅片外表形POCL3與O2反響生成P2O5淀積在硅片外表。P2O5與Si反響又生成SiO2和磷原子，這樣就在硅片外表形成一層含有磷元素的SiO2機(jī)械臂、電氣掌握系統(tǒng)和自動(dòng)配酸系統(tǒng)等局部組成，主要?jiǎng)恿υ从袣浞?、氮?dú)?、壓縮空氣、純水，熱排風(fēng)和廢水。氫氟酸能夠溶解二氧化硅是由于氫氟酸與二氧化硅反響生成易揮發(fā)的四氟化硅氣體。假設(shè)氫氟酸過量，反響生成的四氟化硅會(huì)進(jìn)一步與氫氟酸反響生成可溶性的絡(luò)和物六氟硅酸。五、等離子刻蝕由于在集中過程中，即使承受背靠背集中，硅片的全部外表PN結(jié)的正面所收集到的光PN造以PNCF4的母體分子在射頻功率的激發(fā)下，產(chǎn)生電離并形成等離子體。等離子體是由帶電的電子和離子組成，反響腔體中的氣體在電子的撞擊下，除了轉(zhuǎn)變成離子外，還能吸取能量并形成大量的活性基團(tuán)?；钚苑错懟鶊F(tuán)由于集中或者在電場作用下到達(dá)SiO2外表，在那里與被刻蝕材料外表發(fā)生化學(xué)反響，并形成揮發(fā)性的反響生成物脫離被刻蝕物質(zhì)外表，被真空系統(tǒng)抽出腔體。六、鍍減反射膜拋光硅外表的反射率為35%,為了削減外表反射,提高電池的轉(zhuǎn)換效率,需要沉積一層氮化硅減反射膜?，F(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中常承受PECVD設(shè)備制備減反射膜。PECVD即等離子增加型化學(xué)氣相沉積。它的技術(shù)原理是利用低溫等離子體作能量源，樣品置于低氣壓下輝光放電的陰極上，利用輝光放電使樣品升溫到預(yù)定的溫度，然后通入適量的反響氣體SiH4和NH3，氣體經(jīng)一系列化學(xué)反響和等離子體反響，在樣品外表形成固態(tài)薄膜即氮化硅薄膜。一般狀況下，使用這種等離子增加型化學(xué)氣相沉積的方法沉積的薄膜厚度在70nm左右。這樣厚度的薄膜具有光學(xué)的功能性。利用薄膜干預(yù)原理，可以使光的反射大為削減，電池的短路電流和輸出就有很大增加，效率也有相當(dāng)?shù)奶岣摺Ｆ?、絲網(wǎng)印刷PECVDPN結(jié)，可以在光照下產(chǎn)生電流，為了將產(chǎn)生的電流導(dǎo)出，需要在電池外表上制作正、負(fù)兩個(gè)電極。制造電極的方法很多，而絲網(wǎng)印刷是目前制作太陽電池電極最普遍的一種生產(chǎn)工藝。絲網(wǎng)印刷是承受壓印的方式將預(yù)定的圖形印刷在基板上，該設(shè)備由電池反面銀鋁漿印刷、電池反面鋁漿印刷和電池正面銀漿印刷三局部組成。其工作原理為：利用絲網(wǎng)圖形局部網(wǎng)孔透過漿料，用刮刀在絲網(wǎng)的漿料部位施加肯定壓力，同時(shí)朝絲網(wǎng)另一端移動(dòng)。油墨在移動(dòng)中被刮刀從圖形部分的網(wǎng)孔中擠壓到基片上。由于漿料的粘性作用使印跡固著在肯定范圍內(nèi)，印刷中刮板始終與絲網(wǎng)印版和基片呈線性接觸，接觸線隨刮刀移動(dòng)而移動(dòng)，從而完成印刷行程。八、快速燒結(jié)經(jīng)過絲網(wǎng)印刷后的硅片，不能直接使用，需經(jīng)燒結(jié)爐快速燒結(jié)，將有機(jī)樹脂粘合劑燃燒掉，剩下幾乎純粹的、由于玻璃質(zhì)作用而密合在硅片上的銀電極。當(dāng)銀電極和晶體硅在溫度到達(dá)共晶溫度時(shí)，晶體硅原子以肯定的比例融入到熔融的銀電極材料中去，從而形成上下電極的歐姆接觸，提高電池片的開路電壓和填充因子兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，使其具有電阻特性，以提高電池片的轉(zhuǎn)換效率。燒結(jié)爐分為預(yù)燒結(jié)、燒結(jié)、降溫冷卻三個(gè)階段。預(yù)燒結(jié)階段目的是使?jié){料中的高分子粘合劑分解、燃燒掉，此階段溫度漸漸上升；燒結(jié)階段中燒結(jié)體內(nèi)完成各種物理化學(xué)反響，形成電阻膜構(gòu)造，使其真正具有電阻特性，該階段溫度到達(dá)峰值；降溫冷卻階段，玻璃冷卻硬化并凝固，使電阻膜構(gòu)造固定地粘附于基片上。九、外圍設(shè)備在電池片生產(chǎn)過程中，還需要供電、動(dòng)力、給水、排水、暖通、真空、特汽等外圍設(shè)施。消防和環(huán)保設(shè)備對于保證安全50MW力量的太陽能電池片生產(chǎn)線，僅工藝和動(dòng)力設(shè)備用電功率就在1800KW左右。工藝純水的用量在每小時(shí)15級水GB/T11446.1-1997中EW-1級技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。工藝?yán)鋮s水用量也在每小時(shí)15噸左右，水質(zhì)中微粒粒徑不宜大于10供水溫度宜在15-20℃。真空排氣量在300M3/H需要大約氮?dú)鈨?chǔ)罐30立方米，氧氣儲(chǔ)罐5立方米。考慮到特別氣體如硅烷的安全因素，還需要單獨(dú)設(shè)置一個(gè)特氣間，以確定保證生產(chǎn)安全。另外，硅烷燃燒塔、污水處理站等也是電池片生產(chǎn)的必備設(shè)施。硅太陽能電池太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源。也是清潔能源，不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染。在太陽能的有效利用當(dāng)中；大陽能光電利用是近些年來進(jìn)展最快，最具活力的爭論領(lǐng)域，是其中最受矚目的工程之一。制作太陽能電池主要是以半導(dǎo)體材料為根底，其工作原理是利用光電材料吸取光能后發(fā)生光電于轉(zhuǎn)換反響，依據(jù)所用材料的不同，太陽能電池可分為： 1、硅太陽能電池；2、以無機(jī)鹽如砷化鎵III-V化合物、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池；3、功能高分子材料制備的大陽能電池；4、納米晶太陽能電池等。一、硅太陽能電池．硅太陽能電池工作原理與構(gòu)造太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，一般的半導(dǎo)體主要構(gòu)造如下：正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。當(dāng)硅晶體中摻入其他的雜質(zhì)，如硼、磷等，當(dāng)摻入硼時(shí)，硅晶體中就會(huì)存在著一個(gè)空穴，它的形成可以參照以下圖：正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。而黃色的表示摻入的硼原子，由于硼原子四周只有3個(gè)電子，所以就會(huì)產(chǎn)生藍(lán)色的空穴，這個(gè)空穴由于沒有電子而變得很不穩(wěn)定，簡潔吸取電子而中和，形成 P〔positive〕型半導(dǎo)體。同樣，摻入磷原子以后，由于磷原子有五個(gè)電子，所以就會(huì)有一個(gè)電子變得格外活潑，形成N〔negative〕型半導(dǎo)體。黃色的為磷原子核，紅色的為多余的電子。N型半導(dǎo)體中含有較多的空穴，而 P型半導(dǎo)體中含有較多的電子，這樣，當(dāng) P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，就會(huì)在接觸面形成電勢差，這就是 PN結(jié)。P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，在兩種半導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會(huì)形成一個(gè))，界面的P型一側(cè)帶負(fù)電，N型一側(cè)帶正電。這是由于P型半導(dǎo)體多空穴，N型半導(dǎo)體多自由電子，消滅了濃度差。N區(qū)的電子會(huì)集中到P區(qū)，P區(qū)的空穴會(huì)集中到N區(qū)，一旦集中就形成了一個(gè)由N指向P的“內(nèi)電場”，從而阻擋集中進(jìn)展。到達(dá)平衡后，就形成了這樣一個(gè)特別的薄層形成電勢差，這就是PN結(jié)。當(dāng)晶片受光后，PNN型半導(dǎo)體的空穴往P型區(qū)移動(dòng)，而P型區(qū)中的電子N型區(qū)移動(dòng)，從而形成從N型區(qū)到P型區(qū)的電流。然后在PN結(jié)中形成電勢差，這就形成了電源由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過 p－n結(jié)后假設(shè)在半導(dǎo)體中流淌，電阻格外大，損耗也就格外大。但假設(shè)在上層全部涂上金屬，陽光就不能通過，電流就不能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)格掩蓋p－n結(jié)〔如圖梳狀電極〕，以增參加射光的面積。另外硅外表格外光亮，會(huì)反射掉大量的太陽光，不能被電池利用。為此，科學(xué)家們給它涂上了一層反射系數(shù)格外小的保護(hù)膜〔如圖，將反射損失減小到5％甚至更小。一個(gè)電池所能供給的電流和電壓到底有限，于是人們又將很多電池〔通常是36個(gè)〕并聯(lián)或串聯(lián)起來使用，形成太陽能光電板。．硅太陽能電池的生產(chǎn)流程通常的晶體硅太陽能電池350～450μm的高質(zhì)量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。上述方法實(shí)際消耗的硅材料更多。為了節(jié)約材料，目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學(xué)氣相沉積法，包括低壓化學(xué)氣相沉積〔 LPCVD〕和等離子增加化學(xué)氣相沉積〔PECVD〕工藝。此外，液相外延法〔LPPE〕和濺射沉積法也可用來制備多晶硅薄膜電池?；瘜W(xué)氣相沉積主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4,為反響氣體,在肯定的保護(hù)氣氛下反響生成硅原子并沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用Si、SiO2、Si3N4等。但爭論覺察，在非硅襯底上很難形成較大的晶粒，并且簡潔在晶粒間形成空隙。解決這一問題方法是先用 LPCVD在襯底上沉積一層較薄的非晶硅層，再將這層非晶硅層退火，得到較大的晶粒，然后再在這層籽晶上沉積厚的多晶硅薄膜，因此，再結(jié)晶技術(shù)無疑是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，目前承受的技術(shù)主要有固相結(jié)晶法和中區(qū)熔再結(jié)晶法。多晶硅薄膜電池除承受了再結(jié)晶工藝外，另外承受了幾乎全部制備單晶硅太陽能電池的技術(shù)，這樣制得的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率明顯提高。三、納米晶化學(xué)太陽能電池在太陽能電池中硅系太陽能電池?zé)o疑是進(jìn)展最成熟的，但由于本錢居高不下，遠(yuǎn)不能滿足大規(guī)模推廣應(yīng)用的要求。為此，人們始終不斷在工藝、材料、電池薄膜化等方面進(jìn)展探究，而這當(dāng)中近進(jìn)展的納米 TiO2晶體化學(xué)能太陽能電池受到國內(nèi)外科學(xué)家的重視。以染料敏化納米晶體太陽能電池〔DSSCs〕為例，這種電池主要包括鍍有透亮導(dǎo)電膜的玻璃基底，染料敏化的半導(dǎo)體材料、對電極以及電解質(zhì)等幾局部。陽極：染料敏化半導(dǎo)體薄膜〔TiO2膜〕陰極：鍍鉑的導(dǎo)電玻璃I3/I如下圖，白色小球表示TiO2，紅色小球表示染料分子。染料分子吸取太陽光能躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子快速注入到緊鄰的 TiO2導(dǎo)帶，染料中失去的電子則很快從電解質(zhì)中得到補(bǔ)償，進(jìn)入 TiO2導(dǎo)帶中的電于最終進(jìn)入導(dǎo)電膜,然后通過外回路產(chǎn)生光電流。納米晶TiO2太陽能電池的優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的本錢和簡潔的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10％以上，制作本錢僅為硅太陽電池的1/5～1/10．壽命能到達(dá)20年以上。但由于此類電池的爭論和開發(fā)剛剛起步，估量不久的將來會(huì)逐步走上市場。四、染料敏化TiO2太陽能電池的手工制作制作二氧化鈦膜先把二氧化鈦粉末放入研缽中與粘合劑進(jìn)展研磨接著用玻璃棒緩慢地在導(dǎo)電玻璃上進(jìn)展涂膜把二氧化鈦膜放入酒精燈下燒結(jié)10～15分鐘，然后冷卻利用自然染料為二氧化鈦著色如下圖，把穎的或冰凍的黑梅、山梅、石榴籽或紅茶，加一湯匙的水并進(jìn)展擠壓，然后把二氧化鈦膜放進(jìn)去進(jìn)展著色，大約需要 5分鐘，直到膜層變成深紫色，假設(shè)膜層兩面著色的不均勻，可以再放進(jìn)去浸泡 5分鐘，然后用乙醇沖洗，并用松軟的紙輕輕地擦干。制作正電極由染料著色的TiO2為電子流出的一極〔即