太陽能電池新工藝模板

太陽能電池新工藝一、半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識1.物體導(dǎo)電能力，通常見材料電阻率大小來衡量。電阻率越大，說明這種材料導(dǎo)電能力越弱。表1-1給出以電阻率來區(qū)分導(dǎo)體，絕緣體和半導(dǎo)體大致范圍。物體導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體電阻率Ω·CM<10e-410e-3~10e9>10e92.多個常見元素原子結(jié)構(gòu)硅太陽電池生產(chǎn)中常見硅（Si），磷（P），硼（B）元素原子結(jié)構(gòu)模型圖1所表示PBSiPBSi圖13.單晶和多晶在整個晶體內(nèi)，原子全部是周期性規(guī)則排列，稱之為單晶。由很多取向不一樣單晶顆粒雜亂地排列在一起固體稱為多晶。4.硅晶體金剛石結(jié)構(gòu)晶體對稱，有規(guī)則排列叫做晶體格子，簡稱晶格，最小晶格叫晶胞。圖2表示部分關(guān)鍵晶胞((a)簡單立方（Po）(b)體心立方（Na、W）(c)面心立方（Al、Au）圖2金剛石結(jié)構(gòu)是一個復(fù)式格子，它是兩個面心立方晶格沿對角線方向上移1/4相互套構(gòu)而成（見圖3）。圖35.晶面和晶向晶體中原子能夠看成是分布在一系列平行而等距平面上，這些平面就稱為晶面。每個晶面垂直方向稱為晶向。圖1.2-5是多個常見到晶面和晶向。111晶向110晶向100晶向圖4比較簡單一個包含原子密排面晶格是面心立方晶格。而金剛石晶格又是兩個面心立方晶格套在一起，相互之間。沿著晶胞體對角線方向平移1/4而組成。我們來看面心立方晶格中原子密排面。根據(jù)硬球模型能夠區(qū)分在(100)(110)(111)多個晶面上原子排列情況，圖4所表示。金鋼石晶格是由面心晶格組成，所以它(111)晶面也是原子密排面，它特點(diǎn)是，在晶面內(nèi)原子密集、結(jié)協(xié)力強(qiáng)，在晶面之間距離較大，結(jié)合微弱，由此產(chǎn)生以下性質(zhì)：(a)因為(111)密排面本身結(jié)合牢靠而相互間結(jié)合脆弱，在外力作用下，晶體很輕易沿著(111)晶面劈裂，晶體中這種易劈裂晶面稱為晶體解理面。(b)因為(111)密排面結(jié)合牢靠，化學(xué)腐蝕就比較困難和緩慢，而(100)面原子排列密度比(111)面低。所以(100)面比(111)面腐蝕速度快，選擇適宜腐蝕液和腐蝕溫度，(100)面腐蝕速度比(111)面大多，所以，用(100)面硅片采取這種各向異性腐蝕結(jié)果，能夠使硅片表面產(chǎn)生很多密布表面為(111)面四面方錐體，形成絨面狀硅表面。6.半導(dǎo)體之所以得到廣泛應(yīng)用，是因為它存在著部分導(dǎo)體和絕緣體所沒有獨(dú)特征能。(1)導(dǎo)電能力隨溫度靈敏改變導(dǎo)體，絕緣體電阻率隨溫度改變很小，（導(dǎo)體溫度每升高一度，電組率大約升高0.4%）。而半導(dǎo)體則不一樣，溫度每升高或降低1度，其電阻就改變百分之幾，甚至幾十，當(dāng)溫度改變幾十度時，電阻改變幾十，幾萬倍，而溫度為絕對零度（-273℃(2)導(dǎo)電能力隨光照顯著改變當(dāng)光線照射到一些半導(dǎo)體上時，它們導(dǎo)電能力就會變得很強(qiáng)，沒有光線時，它導(dǎo)電能力又會變得很弱。(3)雜質(zhì)顯著影響在純凈半導(dǎo)體材料中，合適摻入微量雜質(zhì)，導(dǎo)電能力會有上百萬增加。這是最特殊獨(dú)特征能。(4)其它特征溫差電效應(yīng)，霍爾效應(yīng)，發(fā)光效應(yīng)，光伏效應(yīng)，激光性能等。7.半導(dǎo)體中“電子”和“空穴”(1)本征半導(dǎo)體純凈半導(dǎo)體，在不受外界作用時，導(dǎo)電能力很差。而在一定溫度或光照等作用下，晶體中價電子有一部分可能會沖破共價鍵束縛而成為一個自由電子。同時形成一個電子空位，稱之為“空穴”。從能帶圖上看，就是電子離開了價帶躍遷到導(dǎo)帶，從而在價帶中留下了空穴，產(chǎn)生了一對電子和空穴。通常將這種只含有“電子空穴對”半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體?！氨菊鳌敝钢话雽?dǎo)體本身特征。半導(dǎo)體就是靠著電子和空穴移動來導(dǎo)電，所以，電子和空穴被統(tǒng)稱為載流子。(2)產(chǎn)生和復(fù)合因為熱或光激發(fā)而成對地產(chǎn)生電子空穴對，這種過程稱為“產(chǎn)生”?？昭ㄊ枪矁r鍵上空位，自由電子在運(yùn)動中和空穴相遇時，自由電子就可能回到價鍵空位上來，而同時消失了一對電子和空穴，這就是“復(fù)合”。在一定溫度下，又沒有光照射等外界影響時，產(chǎn)生和復(fù)合載流子數(shù)相等，半導(dǎo)體中將在產(chǎn)生和復(fù)合基礎(chǔ)上形成熱平衡。此時，電子和空穴濃度保持穩(wěn)定不變，不過產(chǎn)生和復(fù)合仍在連續(xù)發(fā)生。(3)雜質(zhì)和雜質(zhì)半導(dǎo)體純凈半導(dǎo)體材料中若含有其它元素原子，那么，這些其它元素原子就稱為半導(dǎo)體材料中雜質(zhì)原子。對硅導(dǎo)電性能有決定影響關(guān)鍵是三族和五族元素原子。還有些雜質(zhì)如金，銅，鎳，錳，鐵等，在硅中起著復(fù)合中心作用，影響壽命，產(chǎn)生缺點(diǎn)，有著很多有害作用。①N型半導(dǎo)體磷（P)，銻（sb)等五族元素原子最外層有五個電子，它在硅中是處于替位式狀態(tài)，占據(jù)了一個原來應(yīng)是硅原子所處晶格位置，圖1.6-2。磷原子最外層五個電子中只有四個參與共價鍵，另一個不在價鍵上，成為自由電子，失去電子磷原子是一個帶正電正離子，沒有產(chǎn)生對應(yīng)空穴。正離子處于晶格位置上，不能自由運(yùn)動，它不是載流子。所以，摻入磷半導(dǎo)體起導(dǎo)電作用，關(guān)鍵是磷所提供自由電子，這種依靠電子導(dǎo)電半導(dǎo)體稱為電子型半導(dǎo)體，簡稱N型半導(dǎo)體。圖1.6-3表示N型半導(dǎo)體材料能帶圖。而為半導(dǎo)體材料提供一個自由電子v族雜質(zhì)原子，通常稱為施主雜質(zhì)。②P型半導(dǎo)體硼（B）鋁（AL）鎵（GA）等三族元素原子最外層有三個電子，它在硅中也是處于替位式狀態(tài)，圖1.6-4所表示。硼原子最外層只有三個電子參與共價鍵，在另一個價鍵上因缺乏一個電子而形成一個空位鄰近價鍵上價電子跑來填補(bǔ)這個空位，就在這個鄰近價鍵上形成了一個新空位，這就是“空穴”。硼原子在接收了鄰近價鍵價電子而成為一個帶負(fù)電負(fù)離子，它不能移動，不是載流子。所以在產(chǎn)生空穴同時沒有產(chǎn)生對應(yīng)自由電子。這種依靠空穴導(dǎo)電半導(dǎo)體稱為空穴型半導(dǎo)體，簡稱P型半導(dǎo)體。圖1.6-5表示P型半導(dǎo)體材料能帶圖，為半導(dǎo)體材料提供一個空穴Ⅲ族雜質(zhì)原子，通常稱之為受主雜質(zhì)。實際上，一塊半導(dǎo)體中并非僅僅只存在一個類型雜質(zhì)，常常同時含有施主和受主雜質(zhì)，此時，施主雜質(zhì)所提供電子會經(jīng)過“復(fù)合”而和受主雜質(zhì)所提供電子相抵消，使總載流子數(shù)目降低，這種現(xiàn)象就成為“賠償”。在有賠償情況下，決定導(dǎo)電能力是施主和受主濃度之差。若施主和受主雜質(zhì)濃度近似相等時，經(jīng)過復(fù)合會幾乎完全賠償，這時半導(dǎo)體中載流子濃度基礎(chǔ)上等于由本征激發(fā)作用而產(chǎn)生自由電子和空穴濃度。這種情況半導(dǎo)體稱之為賠償型本征半導(dǎo)體。在半導(dǎo)體器件產(chǎn)生過程中，實際上就是依據(jù)賠償作用，經(jīng)過摻雜而取得我們所需要導(dǎo)電類型來組成所要生產(chǎn)器件。在摻有雜質(zhì)半導(dǎo)體中，新產(chǎn)生載流子數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出原來未摻入雜質(zhì)前載流子數(shù)量，半導(dǎo)體導(dǎo)電性質(zhì)關(guān)鍵由占大多數(shù)新產(chǎn)生載流子來決定，所以，在P型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，而電子是少數(shù)載流子。在N型半導(dǎo)體中，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。摻入雜質(zhì)越多，多載流子濃度（單位體積內(nèi)載流子數(shù)目）越大，則半導(dǎo)體電阻率越低，它導(dǎo)電能力越強(qiáng)。一塊半導(dǎo)體材料處于某一均勻溫度中，且不受光照等外界原因作用，即這塊半導(dǎo)體處于平衡狀態(tài)，此時半導(dǎo)體中載流子稱為平衡態(tài)載流子。半導(dǎo)體一旦受到外界原因作用（如光照，電流注入或其它能量傳輸形式）時，它內(nèi)部載流子濃度就多于平衡狀態(tài)下載流子濃度。半導(dǎo)體就從平衡狀態(tài)變?yōu)榉瞧胶鉅顟B(tài)，大家把處于非平衡狀態(tài)時，比平衡狀態(tài)載流子增加出來一部分載流子成為非平衡載流子。8.平衡PN結(jié)在一塊完整半導(dǎo)體晶體中，假如一部分是N型半導(dǎo)體，另一部分是P型半導(dǎo)體。在N型半導(dǎo)體中，多數(shù)載流子是電子，電子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出少數(shù)載流子空穴濃度，而在P型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，空穴濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出少數(shù)載流子電子濃度，圖5所表示。P型P型N型圖5空間電荷區(qū)圖6空間電荷區(qū)在N型和P型半導(dǎo)體交界面處存在有電子和空穴濃度梯度，N區(qū)中電子就向P區(qū)滲透擴(kuò)散，擴(kuò)散結(jié)果是N型區(qū)域中鄰近P型區(qū)域一邊薄層內(nèi)有一部分電子擴(kuò)散到N型中去了。因為這個薄層失去了部分電子，在N區(qū)就形成帶正電荷區(qū)域。一樣，P型區(qū)域中鄰近N型區(qū)域一邊薄層內(nèi)有一部分空穴擴(kuò)散到N型區(qū)域一邊去了。因為這個薄層失去了一空穴，在P區(qū)就形成了帶負(fù)電荷區(qū)域。這么在N型區(qū)和P型區(qū)交界面兩側(cè)形成了帶正，負(fù)電荷區(qū)域，叫做空間電荷區(qū)。圖6?？臻g電荷區(qū)中正負(fù)電荷間形成電場。電場方向是由N型區(qū)域指向P型區(qū)域，這個因為載流子濃度不均勻而引發(fā)擴(kuò)散運(yùn)動后形成電場稱為自建電場。我們知道，載流子在電場作用下，會產(chǎn)生漂移運(yùn)動。自建電場將N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散電子接回到N區(qū)，把P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散空穴接回到P區(qū)，由此可見，在空間電荷區(qū)內(nèi)，自建電場引發(fā)電子和空穴漂移運(yùn)動方向和它們各自擴(kuò)散運(yùn)動方向恰好相反。開始時，電子和空穴擴(kuò)散占優(yōu)勢，伴隨電子和空穴不停擴(kuò)散?？臻g電荷數(shù)量不停增強(qiáng)自建電場也越來越強(qiáng)，直到載流子漂移運(yùn)動和擴(kuò)散運(yùn)動相抵消時（即大小相等，方向相反），這時，N型區(qū)域內(nèi)電子和P型區(qū)域空穴不再降低，空間電荷區(qū)也不再加厚，達(dá)成了動態(tài)平衡。空間電荷區(qū)也叫阻擋層，（意思時阻止電子和空穴繼續(xù)擴(kuò)散），就是我們通常講PN結(jié)。PN結(jié)時很多半導(dǎo)體組件關(guān)鍵，PN結(jié)性質(zhì)集中反應(yīng)了半導(dǎo)體導(dǎo)電性能特點(diǎn)，如：存在兩種載流子，載流子有漂移擴(kuò)散和產(chǎn)生，復(fù)合等基礎(chǔ)運(yùn)動形成。所以，P-N結(jié)是半導(dǎo)體組件入門基礎(chǔ)。二、新工藝介紹1．高效單晶硅太陽電池工藝步驟以下：SiN共燒工藝步驟：制備絨面發(fā)射區(qū)擴(kuò)散邊緣p-n結(jié)刻蝕、去磷硅玻璃PECVD沉積SiN絲網(wǎng)印刷背電極、背電場和正面電極共燒形成金屬接觸電池片測試2.絨面制備硅片采取0.5~2Ω·cm，P型晶向為<100>單晶硅片。利用氫氧化鈉溶液可對單晶硅片進(jìn)行各向異性腐蝕特點(diǎn)來制備絨面。當(dāng)各向異性因子＝10時（所謂各向異性因子就是（100）面和（111）面單晶硅腐蝕速率之比），能夠得到均勻金字塔形角錐體組成絨面。絨面含有受光面積大，反射率低特點(diǎn)，可提升單晶硅太陽電池短路電流Isc，從而提升太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率。金字塔形角錐體表面積S0等于四個邊長為a正三角形S之和由此可見有絨面受光面積比光面提升了倍即1.732倍。當(dāng)一束強(qiáng)度為E0光投射到圖中A點(diǎn)，產(chǎn)生反射光Ф1和進(jìn)入硅中折射光Ф2。反射光Ф1能夠繼續(xù)投射到另一方錐B點(diǎn)，產(chǎn)生二次反射光Ф3和進(jìn)入半導(dǎo)體折射光Ф4；而對平面光電池就不產(chǎn)生這第二次入射。經(jīng)計算可知還有11％二次反射光可能進(jìn)行第三次反射和折射，由此可算得絨面反射率為9.04％。3.發(fā)射區(qū)擴(kuò)散采取三氯氧磷氣體攜帶源方法，這個工藝特點(diǎn)是生產(chǎn)高，有利于降低成本。新購8寸硅片擴(kuò)散爐、石英管口徑達(dá)270mm，能夠擴(kuò)散150×150（mm）硅片。因為石英管口徑大，恒溫區(qū)長，提升了擴(kuò)散薄層電阻均勻性，有利于降低太陽電池串聯(lián)電阻Rs，從而提升太陽電池填充因子FF。4.PECVD淀積SiN多晶硅太陽電池廣泛使用PECVD淀積SiN，是因為PECVD淀積SiN時，不光是生長SiN作為減反射膜，同時帶來了大量氫等離子體，這種氫離子體能對多晶硅片含有表面鈍化和體鈍化雙重作用，可用于大批量生產(chǎn)高效多晶硅太陽電池。因為生成氮化硅薄膜含有大量氫，能夠很好鈍化硅中位錯、表面懸掛鍵，從而提升了硅片中載流子遷移率，通常要提升20％左右，同時因為SiN薄膜對單晶硅表面有很顯著鈍化作用，表面少子壽命提升了5倍左右，用PECVD制造單晶硅太陽電池效率較高于傳統(tǒng)APCVD制造單晶硅太陽電池。5.共燒形成金屬接觸晶體硅太陽電池要經(jīng)過三次印刷金屬漿料，傳統(tǒng)工藝要用二次燒結(jié)才能形成良好帶有金屬電極歐姆接觸，共燒工藝只需一次燒結(jié)，同時形成上下電極歐姆接觸，是高效晶體硅太陽能電池一項關(guān)鍵關(guān)鍵工藝，國外著名金屬漿料廠商很賣力推廣共燒工藝。這個工藝基礎(chǔ)理論來自合金法制P－N結(jié)工藝，就是電極金屬材料和半導(dǎo)體單晶硅在溫度達(dá)成電極材料溶點(diǎn)或共晶溫度時，單晶硅原子按相圖以一定百分比量溶入到熔融合金電極材料中去，單晶硅原子溶入到電極金屬中整個過程是相當(dāng)快，通常只需幾秒鐘時間，溶入單晶硅原子數(shù)目決定于合金溫度和電極材料體積，燒結(jié)合金溫度愈高，電極金屬材料體積愈大，則溶入硅原子數(shù)目也愈多,這時狀態(tài)被稱為晶體電極金屬合金系統(tǒng)，假如此時溫度降低，系統(tǒng)開始冷卻，這時原先溶入到溶融到電極金屬材料中硅原子，重新以固態(tài)形式結(jié)晶出來，也就是在金屬和晶體接觸界面上生長出一層新晶體層再結(jié)晶層，假如再結(jié)晶層內(nèi)含有足夠量，和原先晶體材料導(dǎo)電類型相同雜質(zhì)成份，這就取得了用合金法工藝形成歐姆接觸，