硅太陽(yáng)能電池制造技術(shù)2

硅晶片和襯底-直拉單晶硅直拉大面積單晶硅錠的制造過(guò)程生長(zhǎng)硅單晶的方法很多，目前常采用直拉法與懸浮區(qū)熔法直拉單晶法〔Czochralski發(fā)，CZ法〕：

把原料多硅晶塊放入石英坩堝中，在單晶爐中加熱融化，再將一根直徑只有10mm的棒狀晶種〔稱籽晶〕浸入融液中。在適宜的溫度下，融液中的硅原子會(huì)順著晶種的硅原子排列結(jié)構(gòu)在固液交界面上形成規(guī)那么的結(jié)晶，成為單晶體。1/13/20241工藝直徑純度少數(shù)截流子壽命電阻率位錯(cuò)密度用途1/13/20242坩堝直拉法〔CZ〕的優(yōu)點(diǎn)是，可拉制大直徑和高摻雜低阻單晶。缺點(diǎn)是由于熔硅與石英坩堝〔SiO2〕熔接以及石墨的污染，將使大量的O、C及金屬雜質(zhì)進(jìn)入硅單晶，故CZ法不能制備高阻單晶。無(wú)坩堝區(qū)熔法〔FZ〕采用高頻感應(yīng)加熱，通過(guò)熔區(qū)移動(dòng)生長(zhǎng)單晶，由于工藝不接觸石英坩堝〔SiO2〕和石墨加熱，可拉制高純度、長(zhǎng)壽命單晶。缺點(diǎn)是單晶摻雜極為困難。1/13/20243直拉法工藝流程爐體、籽晶、硅多晶，摻雜劑，石英坩堝清潔處理裝爐抽真空〔或通保護(hù)氣體加熱熔化潤(rùn)晶〔下種〕縮頸〔引晶〕放肩等徑生長(zhǎng)降溫出爐性能測(cè)試將籽晶放入溶液中為消除位錯(cuò)而拉出的一小段細(xì)晶體將細(xì)晶體的直徑放粗至所要求的直徑1/13/20244硅晶片和襯底-懸浮區(qū)熔單晶硅在區(qū)熔爐爐室內(nèi)﹐將硅棒用上下夾頭保持垂直﹐有固定晶向的籽晶在下面﹐在真空或氬氯條件下﹐用高頻線圈加熱(2～3MHz)﹐使硅棒局部熔化﹐依靠硅的外表張力及高頻線圈的磁力﹐可以保持一個(gè)穩(wěn)定的懸浮熔區(qū)﹐熔區(qū)緩慢上升﹐到達(dá)制成單晶或提純的目的。懸浮區(qū)熔單晶硅1/13/20245區(qū)熔工藝流程多晶硅棒預(yù)熱熔融成半球熔接籽晶縮頸放肩收肩合棱等徑生長(zhǎng)收尾單晶降溫出爐性能測(cè)試稍下壓上軸使熔區(qū)飽滿硅棒、晶體同步下行并通過(guò)適當(dāng)拉壓上軸來(lái)控制晶體直徑輕拉上軸，使熔區(qū)逐步拉斷最后凝成尖形使用高頻線圈加熱硅棒，熔融硅在其外表張力作用下形成一個(gè)半球?qū)⒐璋粝乱?，使硅棒下部的熔區(qū)與籽晶接觸，熔接在一起籽晶硅棒同步向下，造成飽滿而不崩塌的熔區(qū)籽晶向下，硅棒向上使熔區(qū)呈漏斗狀1/13/202461/13/20247片狀單晶硅的制備〔EFG法〕將多晶硅放入石英坩堝中，經(jīng)石墨加熱器加熱熔化，將用石墨或者石英制成的有狹縫的模具浸在熔硅中，熔硅依靠毛細(xì)管作用，沿狹縫升到模具外表和籽晶融合，用很快的速度拉出。生長(zhǎng)片狀單晶拉速可達(dá)50毫米/分。片狀單晶生長(zhǎng)法現(xiàn)在多采用橫向拉制。將有一平缺口的石英坩堝裝滿熔硅，用片狀籽晶在坩堝出口處橫向引晶，快速拉出片狀單晶。片狀單晶橫向拉制時(shí)結(jié)晶性能好，生產(chǎn)連續(xù)，拉速快，可達(dá)20厘米/分。片狀單晶外表完整，不須加工或少許加工就可制做器件；省掉局部切磨拋工藝，大大提高了材料的利用率。片狀單晶拉制工藝技術(shù)高，難度大，溫度控制非常精確，片狀單晶工藝技術(shù)目前處于研究階段。1/13/20248直拉單晶硅與鑄造多晶硅的比較①優(yōu)點(diǎn)：直拉單晶硅為圓柱狀，其硅片制備的圓形太陽(yáng)電池不能有效地利用太陽(yáng)電池組件的有效空間，相對(duì)增加了太陽(yáng)電池組件的本錢(qián)。如果將直拉單晶硅圓柱切成方柱，制備方形太陽(yáng)電池，其材料浪費(fèi)就增加，同樣也增加了太陽(yáng)電池組件的本錢(qián)。②缺點(diǎn)：含有晶界、高密度的位錯(cuò)、微缺陷和相對(duì)較高的雜質(zhì)濃度，其晶體的質(zhì)量明顯低于單晶硅，從而降低了太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。硅晶片和襯底-多晶硅1/13/20249硅晶片和襯底-多晶硅制備多晶硅的技術(shù)相對(duì)要簡(jiǎn)單一些，本錢(qián)也因此比單晶硅更低一些。由于有晶界的存在，多晶硅的性能比單晶硅差。晶界的存在導(dǎo)致了局部高復(fù)合區(qū)，因?yàn)樗杨~外的能級(jí)缺陷引入到了禁帶中，也因此減少了總的少數(shù)載流子壽命。晶界還通過(guò)阻礙載流子的流動(dòng)以及為穿過(guò)p-n結(jié)的電流提供分流路徑的方式來(lái)降低太陽(yáng)能電池的性能。多晶硅生長(zhǎng)1/13/202410硅晶片和襯底-多晶硅為了防止晶界處的過(guò)度復(fù)合損失，晶界尺寸必須控制在幾毫米以上，減少對(duì)載流子流動(dòng)的阻礙，同時(shí)也減小了電池單位面積上的總晶界長(zhǎng)度。晶粒之間的晶界降低電池性能多晶硅片1/13/202411澆鑄法1/13/202412直熔法1/13/202413直熔法：石英坩堝下移或隔熱裝置上升，冷卻板通水冷卻澆鑄法：控制加熱區(qū)形成溫度梯度直熔法在產(chǎn)業(yè)界廣泛應(yīng)用，澆鑄法目前只有德國(guó)太陽(yáng)公司和日本京瓷公司等采用。這兩種技術(shù)，從本質(zhì)上來(lái)講沒(méi)有根本區(qū)別，都是用鑄造法制備多晶硅，其主要區(qū)別是采用一只坩堝還是兩只坩堝。

冷卻方式不同1/13/2024141/13/2024151/13/202416①半導(dǎo)體級(jí)的高純多晶硅②微電子工業(yè)用單晶硅生產(chǎn)中的剩余料,包括質(zhì)量較差的高純多晶硅、單晶硅棒的頭尾料③直拉單晶硅生長(zhǎng)完成后剩余在石英坩堝中的堝底料鑄造多晶硅的原材料1/13/202417①裝料②加熱(1200-1300℃左右，4-5h)③化料(1500℃左右，9-11h)④晶體生長(zhǎng)(1420℃-1440℃，20-22h)⑤退火〔熔點(diǎn)附近，2-4h〕⑥冷卻〔約10h〕直熔法制備鑄造多晶硅具體工藝流程1/13/202418鑄造多晶硅中的氧和硼形成B-O對(duì)，在光照下，導(dǎo)致太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率的降低。氧的主要來(lái)源：①來(lái)自于原材料②來(lái)自于鑄造多晶硅生長(zhǎng)過(guò)程中的溶解反響鑄造多晶硅中的雜質(zhì)和缺陷鑄造多晶硅中碳的主要來(lái)源：①原材料②鑄造多晶硅的制備過(guò)程，由于石墨坩堝或石墨加熱器的蒸發(fā)1/13/202419硅晶片和襯底-非晶硅非晶硅：結(jié)構(gòu)中有許多不受價(jià)鍵束縛的原子、缺少長(zhǎng)程有序排列，但是制造本錢(qián)卻比多晶硅還低的硅材料。原子排列中缺少長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)是由于“懸掛鍵〞的存在。通常需要對(duì)這些懸掛鍵進(jìn)行鈍化處理。把氫原子與非晶硅材料結(jié)合，使氫原子的比例到達(dá)5-10%。非晶硅的材料性能與那些晶體硅有顯著的不同。禁帶寬度~1.7eV，吸收系數(shù)要比晶體硅高的多。此外，大量懸掛鍵的存在導(dǎo)致了高缺陷密度和低擴(kuò)散長(zhǎng)度額外的懸掛鍵額外的懸掛鍵被氫原子終結(jié)1/13/202420硅晶片和襯底-非晶硅非晶硅結(jié)構(gòu)的短程無(wú)序影響了半導(dǎo)體特性，氫可以鈍化額外的懸掛鍵。平均原子間距的改變以及氫的存在導(dǎo)致了非晶硅的電特性與多晶硅的不同。1/13/202421硅晶片和襯底-非晶硅非晶硅中的少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1μm。要獲得高的收集效率就必須在p-n結(jié)耗盡區(qū)產(chǎn)生盡可能多的光生載流子。非晶硅的高吸收系數(shù)使得電池的材料只有幾微米厚，基區(qū)就成為了收集光生載流子最主要的區(qū)域。在戶外或在含有紫外線的光源下使用的非晶硅電池會(huì)有降低效率的可能，因?yàn)樽贤饩€會(huì)破壞Si-H的價(jià)鍵結(jié)構(gòu)存在強(qiáng)電場(chǎng)的耗散區(qū)1/13/202422硅晶片和襯底-非晶硅a-Si:H太陽(yáng)能電池1/13/202423硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)

絲網(wǎng)印刷太陽(yáng)能電池絲網(wǎng)印刷太陽(yáng)能電池在1970年代開(kāi)始開(kāi)展起來(lái)。它們是建立的最好、最成熟的太陽(yáng)能電池制造技術(shù)，占據(jù)統(tǒng)治地位。絲網(wǎng)印刷太陽(yáng)能電池制造過(guò)程1/13/202424硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)

絲網(wǎng)印刷太陽(yáng)能電池

磷擴(kuò)散絲網(wǎng)印刷太陽(yáng)能電池通常使用簡(jiǎn)單且均勻的擴(kuò)散方法以形成發(fā)射區(qū)要保持低電極電阻，就需要在絲網(wǎng)印刷電極下面的外表?yè)诫s進(jìn)高濃度的磷外表高濃度的磷將會(huì)導(dǎo)致“死層〞形成，并降低電池的藍(lán)光響應(yīng)。最新的電池設(shè)計(jì)能制備更淺的發(fā)射區(qū)，因此提高電池的藍(lán)光響應(yīng)。選擇性發(fā)射區(qū)，即金屬電極下面進(jìn)行更高濃度的摻雜。1/13/202425硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)

絲網(wǎng)印刷太陽(yáng)能電池外表制絨以減少反射

單晶硅錠切割下來(lái)的晶片，使用化學(xué)試劑在晶片外表刻蝕層金字塔狀原子結(jié)構(gòu)。雖然這種刻蝕對(duì)單晶硅非常理想，但是它卻依賴于正確的晶體取向。多晶硅使用切割工具或激光在晶片外表進(jìn)行機(jī)械制絨基于缺陷結(jié)構(gòu)而不是晶面取向的各向同性化學(xué)刻蝕各向同性化學(xué)刻蝕與光刻掩模技術(shù)相結(jié)合等離子刻蝕

1/13/202426硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)

絲網(wǎng)印刷太陽(yáng)能電池減反射膜二氧化鈦〔TiO2〕與氮化硅〔SiNx〕是常見(jiàn)的減反射膜材料。膜的制造適用于簡(jiǎn)單的技術(shù)，如化學(xué)氣相沉積。除了有利于光的吸收外，絕緣膜還能夠使外表鈍化，提高電池的電學(xué)特性。依靠一種帶有切割試劑的粘稠劑對(duì)減反射膜進(jìn)行絲網(wǎng)印刷，金屬電極能夠腐蝕膜材料并最終與底層的硅相連接。過(guò)程非常簡(jiǎn)單，且有利于連接淺層的發(fā)射區(qū)。1/13/202427硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)

絲網(wǎng)印刷太陽(yáng)能電池邊界隔離如今有許多邊界隔離技術(shù)，比方等離子刻蝕、激光切割或者首先用膜掩蓋住邊界以阻止擴(kuò)散的發(fā)生。背電極背電極是在一般p-n結(jié)電池反面用擴(kuò)散法或合金法加制一層與基區(qū)導(dǎo)電類型相同的重?fù)诫s區(qū)，然后再在重?fù)诫s區(qū)上面制作金屬接觸電極，一般為鋁電極。襯底絲網(wǎng)印刷技術(shù)已經(jīng)被使用在許多不同的襯底上。排序的簡(jiǎn)單化使得絲網(wǎng)印刷技術(shù)非常適合于質(zhì)量較差的襯底，比方多晶硅材料甚至直拉單晶硅。1/13/202428硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)

絲網(wǎng)印刷太陽(yáng)能電池對(duì)印刷電池前端電極在印刷期間，金屬貼片穿過(guò)絲網(wǎng)，到達(dá)沒(méi)被遮蓋的區(qū)域。柵條寬度通常為100到200μm。已經(jīng)完成絲網(wǎng)印刷的太陽(yáng)能電池柵條間距大于有3mm。在包裝的時(shí)候，在母柵上焊接一個(gè)額外的金屬接觸帶以減少電池串聯(lián)電阻。1/13/202429硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)

絲網(wǎng)印刷太陽(yáng)能電池?fù)碛型暾z網(wǎng)印刷的太陽(yáng)能電池的正面圖。由于電池是由多晶硅制造的，晶粒的不同界面取向清晰可見(jiàn)。多晶硅電池的正方形形狀大大簡(jiǎn)化了電池的包裝。擁有完整絲網(wǎng)印刷的太陽(yáng)能電池的反面圖。電池要么是由Al/Ag粘貼成網(wǎng)格，要么全部由鋁構(gòu)成并形成反面電場(chǎng)，但需要第二道印刷工序。1/13/202430硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)

制造太陽(yáng)能電池商業(yè)絲網(wǎng)印刷太陽(yáng)能電池的制造設(shè)備。歐洲太陽(yáng)能公司SPA提供。制造的多晶硅錠的結(jié)晶爐。大面積硅板，大約，20cm厚。精確控制冷卻液體，能夠制造出大晶粒少缺陷的的硅材料。從結(jié)晶爐出來(lái)的大塊多晶硅錠被切割成10cmx10cm的小磚塊。然后小磚塊又被切割成同樣面積的薄片。1/13/202431硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)

制造太陽(yáng)能電池歐洲太陽(yáng)能公司的生產(chǎn)線。雖然太陽(yáng)能電池制造需要處在潔凈的環(huán)境中，但是比起集成電路芯片的制造環(huán)境來(lái)，還是較為寬松一些。因此不需要員工穿上全套潔凈服。自動(dòng)上料的擴(kuò)散爐以及已經(jīng)摻雜了磷的硅晶片。1/13/202432硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)

制造太陽(yáng)能電池自動(dòng)上料的擴(kuò)散爐。使用機(jī)器人設(shè)備能夠提升電池制造的可靠性，并降低本錢(qián)。絲網(wǎng)印刷的生產(chǎn)線。1/13/202433硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)

制造太陽(yáng)能電池先進(jìn)的絲網(wǎng)印刷機(jī)器，使用攝像機(jī)來(lái)快速準(zhǔn)確地排布金屬電極網(wǎng)的圖案。在完成每個(gè)電池的效率測(cè)量工作后，對(duì)它們進(jìn)行排序以盡量減小模塊錯(cuò)配。1/13/202434硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)

制造太陽(yáng)能電池在進(jìn)行壓片之前排列電池片。1/13/202435硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)

埋電極太陽(yáng)能電池埋電極太陽(yáng)能電池是一種高效率的商業(yè)用太陽(yáng)能電池，其特點(diǎn)是把金屬電極鍍到激光形成槽內(nèi)。埋電極技術(shù)克服了絲網(wǎng)印刷電極的許多缺點(diǎn)，這也使得埋電極太陽(yáng)能電池的效率能到達(dá)25%，比商業(yè)絲網(wǎng)印刷電池要高。埋電極太陽(yáng)能電池，激光刻槽的橫截圖。1/13/202436硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)

埋電極太陽(yáng)能電池埋電極大大增加了金屬柵條的高-寬比例。大的高-寬比意味著能夠在接觸電極中使用大量的金屬，而不需要在外表鋪上寬大的金屬條。金屬柵條的大高-寬比允許窄的柵條間距，同時(shí)保持高的透明度。例如，一塊大面積的絲網(wǎng)印刷電池，其被阻擋的光就可能到達(dá)10%到15%，而如果使用埋電極結(jié)構(gòu)，那么其損失就只有2%到3%。這樣低的光損失能降低光反射并因此提高短路電流。1/13/202437硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)

埋電極太陽(yáng)能電池局部激光刻槽的橫截圖埋電極電池技術(shù)還能降低寄生電阻損耗，因?yàn)樗慕饘贃艞l具有高的高-寬比、柵條的間距適當(dāng)，以及良好的金屬電極材料。埋電極能減少電池的發(fā)射區(qū)電阻，是因?yàn)闁艞l之間的距離越窄，發(fā)射區(qū)的電阻損耗也越小。同時(shí)，金屬網(wǎng)格的電阻也減小了，因?yàn)樵诩す饪滩壑惺褂玫慕饘倭看蟠笤黾恿?，且金屬還是電阻率比鋁低的銅。由于在半導(dǎo)體-金屬交界面處形成鎳硅化物以及它們交界面積的擴(kuò)大，使得埋電極的接觸電阻也比絲網(wǎng)印刷電池的小。1/13/202438硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)

埋電極太陽(yáng)能電池?fù)诫s來(lái)獲得高開(kāi)路電壓和短路電流。埋電極結(jié)構(gòu)還包括了自我對(duì)準(zhǔn)、自我選擇的發(fā)射區(qū)，能夠因此減小接觸復(fù)合和提高開(kāi)路電壓。埋電極電池的高效率顯著降低了本錢(qián)，并提高了電池性能。激光刻槽埋電極太陽(yáng)能電池的制造工序1/13/202439硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)

高效率太陽(yáng)能電池高效率太陽(yáng)能電池制造的本錢(qián)比普通硅太陽(yáng)能電池要高得多，因此通常使用在太陽(yáng)能車或空間應(yīng)用上。盡管制造本錢(qián)很高，但是能生產(chǎn)出效率為23.5%的太陽(yáng)能電池車的電池。1/13/202440硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)

高效率太陽(yáng)能電池為了獲得最高效率，實(shí)驗(yàn)室制造硅太陽(yáng)能電池時(shí)所使用的一些技術(shù)和工藝特點(diǎn)：在發(fā)射區(qū)擴(kuò)散低濃度的磷，盡量減小復(fù)合損失又防止電池外表“死層〞的出現(xiàn)?？s窄金