太陽能光伏技術(shù)概論 課件 第四章 晶硅電池的發(fā)電原理與工藝流程

第一節(jié)晶硅電池生產(chǎn)工藝流程與電池結(jié)構(gòu)第二節(jié)晶硅電池工業(yè)化生產(chǎn)工藝流程第一節(jié)晶硅電池生產(chǎn)工藝流程與電池結(jié)構(gòu)一、晶體硅生產(chǎn)工藝流程簡介制作太陽能電池的工藝不盡相同，可以簡單分為實(shí)驗(yàn)室高效晶硅太陽能電池工藝和工業(yè)生產(chǎn)晶硅太陽能電池工藝。相對于實(shí)驗(yàn)室高效晶硅太陽能電池工藝，工業(yè)生產(chǎn)晶硅太陽能電池工藝步驟簡化，工藝簡單，成本低廉，雖然制成的太陽能電池效率相對較低，但是適合商業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。晶硅太陽能電池生產(chǎn)的典型工藝流程如圖4-1所示。晶硅太陽能電池的制作主要分為七個步驟：(1)將硅片進(jìn)行清洗、制絨，在制絨的過程中去除硅片表面的損傷層。(2)通過擴(kuò)散在硅片上形成與基底導(dǎo)電類型相反的摻雜層，構(gòu)成PN結(jié)。(3)通過刻蝕去除擴(kuò)散工序中在硅片邊緣形成的短路區(qū)域。(4)進(jìn)行二次清洗，去除擴(kuò)散工序中在硅片表面形成的磷硅玻璃。(5)在硅片的受光面上制作減反射膜。(6)制作電極，形成電能輸出的正、負(fù)電極引線。(7)在經(jīng)過最后一道絲網(wǎng)印刷后對硅片進(jìn)行快速燒結(jié)，實(shí)現(xiàn)表面金屬化。在完成太陽能電池的制作工序之后，需要對太陽能電池進(jìn)行評價，一方面要對太陽能電池進(jìn)行測試分選，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，通常要對每個電池進(jìn)行測試，并按電流和功率大小進(jìn)行分類，根據(jù)電池效率進(jìn)行分檔；另一方面對太陽能電池進(jìn)行外觀檢驗(yàn)，根據(jù)外觀再次進(jìn)行分檔。最后將太陽能電池封存入庫。二、晶硅太陽能電池的結(jié)構(gòu)晶硅太陽能電池的基底是P型或者N型。P型單晶硅太陽能電池的典型結(jié)構(gòu)見圖4-2。在P型晶體硅片前表面存在絨面結(jié)構(gòu)，又稱表面織構(gòu)化，這是為了減弱反射效果，更好地吸收和利用太陽光線。單晶硅太陽能電池的絨面結(jié)構(gòu)是金字塔形的；多晶硅太陽能電池的絨面結(jié)構(gòu)則是由腐蝕坑構(gòu)成的。在絨面結(jié)構(gòu)內(nèi)表面有一層N型半導(dǎo)體層，P型基底和N型半導(dǎo)體層間形成了PN結(jié)；在絨面結(jié)構(gòu)外表面是減反射層，在減反射層上是呈梳齒狀的電極，作為正面負(fù)電極引線；在晶體硅片背表面有另外一層P型半導(dǎo)體層，該層的雜質(zhì)濃度比基底高很多，兩者之間形成PP+?結(jié)(又稱為背面場)，可以減少少數(shù)載流子在背面復(fù)合的概率；在PP+?結(jié)表面有金屬接觸層，作為背面正電極引線。N型單晶硅太陽能電池的典型結(jié)構(gòu)見圖4-3，其結(jié)構(gòu)和P型單晶硅太陽能電池類似，只是將P型和N型進(jìn)行了置換，因?yàn)閷?dǎo)電類型發(fā)生了置換，所以此時的正面電極為負(fù)電極，背面電極為正電極。第二節(jié)晶硅電池工業(yè)化生產(chǎn)工藝流程晶硅電池工業(yè)化生產(chǎn)工藝流程如下：1．清洗清洗的目的是去除硅片表面的機(jī)械損傷層，并對硅片的表面進(jìn)行凹凸面處理，增加光在太陽能電池片表面的折射次數(shù)，利于太陽能電池片對光的吸收，以達(dá)到電池片對太陽能價值的最大利用。另外，清洗中還要清除硅片表面硅酸鈉、氧化物、油污以及金屬離子雜質(zhì)。清洗工序中要使用各種化學(xué)清洗劑，其中，HF用以去除硅片表面氧化層，其化學(xué)反應(yīng)式為SiO2?+?6HF?=H2SiF6+2H2O。HCl用以去除硅片表面金屬雜質(zhì)。鹽酸具有酸和絡(luò)合劑的雙重作用，氯離子能溶解硅片表面沾污的雜質(zhì)，如鋁、鎂等活潑金屬及其他氧化物，但不能溶解銅、銀、金等不活潑的金屬以及二氧化硅等難溶物質(zhì)。此外，還有一些常用的化學(xué)清洗劑，如高純水、硫酸、王水、硝酸、酸性和堿性過氧化氫溶液、高純中性洗滌劑等。安全提示：HCl、HF都是強(qiáng)腐蝕性的化學(xué)藥品，其固體顆粒、溶液、蒸汽會傷害到人的皮膚、眼睛、呼吸道，所以操作人員要按照規(guī)定穿戴防護(hù)服、防護(hù)面具、防護(hù)眼鏡、長袖膠皮手套。一旦有化學(xué)試劑沾染上了人的身體，馬上用純水沖洗30分鐘，然后送醫(yī)院就醫(yī)。2．制絨制絨的目的是在硅片的外表面形成絨面結(jié)構(gòu)，以減少光反射，提高短路電流(Isc)，最終提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。(1)單晶硅制絨的原理。對于單晶硅片，利用低濃度堿溶液對晶體硅在不同晶體取向上具有不同腐蝕速率的各向異性腐蝕特性，在硅片表面腐蝕形成角錐體密布的表面形貌，稱為表面織構(gòu)化，如圖4-4所示，單晶硅絨面結(jié)構(gòu)可降低反射率。其反應(yīng)式為(2)多晶硅制絨的原理。由于多晶硅基底的各向異性，無序織構(gòu)化過程在多晶硅表面并不是很有效。這是由于多晶硅的表面是多重取向的。因此利用酸溶液對硅片的各向同性腐蝕特性，在硅片表面腐蝕形成腐蝕坑的表面形貌，如圖4-5所示。其反應(yīng)式為3．?dāng)U散擴(kuò)散的目的是在P型晶體硅上進(jìn)行N型擴(kuò)散，形成PN結(jié)。PN結(jié)是半導(dǎo)體器件工作的“心臟”。1)擴(kuò)散方法(1)三氯氧磷(POCl3)液態(tài)源擴(kuò)散。(2)噴涂磷酸水溶液后鏈?zhǔn)綌U(kuò)散。(3)絲網(wǎng)印刷磷漿料后鏈?zhǔn)綌U(kuò)散。2)?POCl3擴(kuò)散原理(1)?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：(2)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)式為(3)由上面的反應(yīng)式可以看出，POCl3熱分解時，如果沒有外來的氧(O2)參與，其分解是不充分的，生成的PCl5不易分解，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)式為(4)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，為了促使POCl3充分分解和避免PCl5對硅片表面的腐蝕作用，必須在通氮?dú)獾耐瑫r通入一定流量的氧氣。在有氧氣存在時，POCl3熱分解的反應(yīng)式為POCl3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，并在硅片表面形成一層含P2O5的SiO2(磷硅玻璃)，然后磷原子再向硅中擴(kuò)散。4)影響擴(kuò)散的因素(1)管內(nèi)氣體中雜質(zhì)源濃度的大小決定著硅片N型區(qū)域磷濃度的大小。(2)表面的雜質(zhì)源達(dá)到一定程度時，對N型區(qū)域的磷濃度的改變影響不大。(3)擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時間對擴(kuò)散結(jié)深影響較大。(4)?N型區(qū)域磷濃度和擴(kuò)散結(jié)深共同決定著方塊電阻的大小。安全提示：所有的石英器具都必須輕拿輕放。源瓶更換的標(biāo)準(zhǔn)操作過程是，依次關(guān)閉進(jìn)氣閥門、出氣閥門，拔出連接管道，更換源瓶，連接管道，打開出氣閥門、進(jìn)氣閥門。4．刻蝕刻蝕的目的是去除硅片周邊的N型層，防止短路。常用的刻蝕方法有等離子體刻蝕、濕法刻蝕、激光刻蝕等。等離子體刻蝕是采用高頻輝光放電反應(yīng)，使反應(yīng)氣體激活成為活性粒子，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。其優(yōu)勢在于快速的刻蝕速度，同時可獲得良好的物理形貌。(1)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。(2)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，并在表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。(3)生產(chǎn)過程中，在CF4中摻入O2，有利于提高Si和SiO2的刻蝕速度。影響刻蝕的因素有刻蝕時間和射頻功率。5．去磷硅玻璃(二次清洗)1)去磷硅玻璃的目的擴(kuò)散工藝會在硅片表面形成一層含有磷元素的SiO2，稱之為磷硅玻璃(PSG)。它會阻止光吸收，同時又是絕緣的。工藝上采用HF酸腐蝕的方法去除PSG。為了使硅片在去PSG之后保證表面的潔凈，在不大幅增加生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上可有選擇地加入其他清洗步驟，因?yàn)樵谥平q的時候存在一個清洗過程，所以這整個過程也被稱為二次清洗。2)去磷硅玻璃的原理(1)氫氟酸能夠溶解二氧化硅是因?yàn)闅浞崮芘c二氧化硅作用生成易揮發(fā)的四氟化硅氣體。其反應(yīng)式為(2)若氫氟酸過量，反應(yīng)生成的四氟化硅會進(jìn)一步與氫氟酸反應(yīng)生成可溶性的絡(luò)合物六氟硅酸。其反應(yīng)式為上述過程的總反應(yīng)式為安全提示：(1)在配制氫氟酸溶液時，要穿好防護(hù)服，戴好防護(hù)手套和防毒面具。(2)不得用手直接接觸硅片和承載盒。(3)當(dāng)硅片在1號槽氫氟酸溶液中時，不得打開照明設(shè)備，防止硅片被染色。(4)硅片在兩個槽中的停留時間不得超過設(shè)定時間，防止硅片被氧化。6．PECVD鍍減反射膜減反射的目的是通過調(diào)整薄膜厚度及折射率，使得兩次反射產(chǎn)生相消干涉，即使光程差為1/2波長，這就要求薄膜的厚度應(yīng)該是1/4波長的光程。鍍減反射膜，采用PECVD。PECVD(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition)即“等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積”，是一種化學(xué)氣相沉積，其他的方法有HWCVD、LPCVD、MOCVD等。PECVD借助微波或射頻等使含有薄膜組成原子的氣體電離，在局部形成等離子體，而等離子的化學(xué)活性很強(qiáng)，很容易發(fā)生反應(yīng)，并在基片上沉積出所期望的薄膜。PECVD的種類有直接式和間接式兩種。(1)直接式?；挥谝粋€電極上，如圖4-6所示，直接接觸等離子體(低頻放電10～500?kHz或高頻13.56?MHz)。(2)間接式?；唤佑|激發(fā)電極，如圖4-7所示，如2.45?GHz微波激發(fā)等離子體。PECVD氮化硅膜的鈍化技術(shù)為氫鈍化技術(shù)，該技術(shù)可鈍化硅體內(nèi)的懸掛鍵等缺陷。在晶體生長中受應(yīng)力等影響造成的缺陷越多的硅材料，氫鈍化的效果越好。氫鈍化可采用離子注入或等離子體處理。在晶體硅太陽能電池表面采用PECVD法鍍氮化硅減反射膜時，由于硅烷分解時產(chǎn)生氫離子，對晶體硅電池可產(chǎn)生氫鈍化的效果。應(yīng)用PECVD鍍Si3N4可使表面復(fù)合速度小于20?cm/s。7．印刷電極印刷電極的目的是：(1)印刷正面電極使金屬電極與光伏電池形成良好的歐姆接觸，最大限度地收集光生載流子(自由電子)。(2)印刷背面場，形成的鋁硅合金可提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。(3)印刷背面電極使金屬電極與光伏電池形成良好的歐姆接觸，最大限度地收集光生載流子(空穴)。印刷電極采用絲網(wǎng)印刷工藝。絲網(wǎng)印刷是把帶有圖像或圖案的模板附著在絲網(wǎng)上進(jìn)行印刷的。絲網(wǎng)通常由尼龍、聚酯、絲綢或金屬網(wǎng)制作而成。光伏電池片的絲網(wǎng)印刷實(shí)際上是利用漿料進(jìn)行印刷制作電極的。電池片絲網(wǎng)印刷有三個步驟：(1)背面電極印刷及烘干，如圖4-8所示，采用的漿料是Ag/Al漿。(2)背面電場印刷及烘干，采用的漿料是Al漿。(3)正面電極印刷及烘干，如圖4-9所示，采用的漿料是Ag漿。8．燒結(jié)燒結(jié)的目的是燃盡干燥硅片上漿料的有機(jī)組分，使?jié){料和硅片形成良好的歐姆接觸。燒結(jié)過程對電池片會產(chǎn)生不同的影響，其中主要影響為：(1)相對于鋁漿燒結(jié)，銀漿的燒結(jié)要重要很多，其對電池片電性能的影響主要表現(xiàn)在串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻上，即FF的變化上。(2)燒結(jié)使?jié){料中的有機(jī)溶劑得以完全揮發(fā)，并形成了完好的鋁硅合金和鋁層。但燒結(jié)局部的不均和散熱不均可能會導(dǎo)致起包，嚴(yán)重的會起鋁珠。(3)背面場經(jīng)燒結(jié)后形成鋁硅合金，鋁在硅中是作為P型摻雜的，它可以減少金屬與硅交接處的少子復(fù)合，從而提高開路電壓和短路電流，改善對紅外線的響應(yīng)。安全提示：(1)灼熱的表面有燙傷的危險。(2)危險電壓有電擊或燒傷的危險。(3)有害或刺激性粉塵、氣體可導(dǎo)致人身傷害。(4)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時打開或移動固定件有卷入的危險。9．分選測試分選測試按以下過程進(jìn)行：(1)將設(shè)備的光強(qiáng)校準(zhǔn)，用標(biāo)準(zhǔn)片校正模擬器取樣Isc、電壓修正系數(shù)，以保證分選電性能的一致性。(2)將待測電池片放置在測試平臺上進(jìn)行測試，注意接觸電池片時應(yīng)佩戴橡膠指套(及時更換已弄臟和沾上油污的橡膠指套)，電池片與測試平臺的定位裝置應(yīng)對齊。(3)將電池片按測試值及分選要求(電流或功率)進(jìn)行分類。(4)重復(fù)以上步驟直至所有待測電池片分選完畢。(5)對分選完畢的電池片的正反面進(jìn)行外