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太阳电池工作原理及制造


太阳电池工作原理及制造
无锡尚德太阳能电力有限公司 ( Suntech Power CO. LTD)

社会使命:为地球、为未来充电,让绿色永绕人间。

2

?

气候变暖、南极空洞、生态失 衡、环境恶化……过度排放的 废水、废气、废渣让我们的地 球不堪重负。全球变暖是一个 毋庸置疑的事

实,而且正在加 速变暖。研究发现,全球平均 温度已升高0.3~0.6摄氏度, 其中11个最暖的年份发生在80 年代中期以后。全球变暖已经 带来冰川消退、海平面上升、 荒漠化等等非常严重的后果, 还给生态和农业带来严重影响。

漫画:明天我们去哪里?

产品介绍:
3

原始硅片

电池片

组件

硅片尺寸
公司采购回来的硅片是P型硅。
硅片的尺寸规格:

4

在整个晶体内,原子都是周期 性的规则排列,称之为单晶。

? ? ? ? ? ?

103×103(S) 单晶 125×125 (S)单晶 125×125 (M)多晶 150×150 (M)多晶 156×156 (S)单晶 156×156 (M)多晶

由许多取向不同的单晶颗粒杂乱 地排列在一起的固体称为多晶。
156mm

156mm

P型硅片
? 硼原子最外层只有三个电子参加 共价键,在另一个价键上因缺少 一个电子而形成一个空位邻近价 键上的价电子跑来填补这个空位, 就在这个邻近价键上形成了一个 新的空位,这就是“空穴”。硼 原子在接受了邻近价键的价电子 而成为一个带负电的负离子,它 不能移动,不是载流子。因此在 产生空穴的同时没有产生相应的 自由电子。这种依靠空穴导电的 半导体称为空穴型半导体,简称 P型半导体。

5

空键 空穴

接受电子

N型硅片
多余电子

6

? 多余电子要离开P原子。找有 空穴的价键与其结合。电子 的移动。

目录
? ? ? ? ? ? 引言 太阳电池设计和制造 太阳电池结构和工作过程 太阳能辐射 太阳电池的电性能 太阳电池质量检验和性能分析

7

引言
? 太阳电池 — 将太阳光能直接转换为电能的半导体器件。 太阳电池种类: 1) Si太阳电池 2) GaAs太阳电池 (砷化镓) 3) 染料敏化电池 4) Cu2S电池 ● 硅太阳电池: 1)单晶硅片 2)多晶硅片 3)非晶硅薄膜 4)多晶硅薄膜

8

硅片的制造过程Scrnprt

9

?

电池片生产流程:

10

装片-制绒-化学清洗-扩散-刻蚀-去磷硅玻璃- PECVD -丝网印刷-烧结-分类检测-包装 装片-制绒-化学清洗(清洗区)① -扩散(扩散区)② -刻蚀-去磷硅玻璃(去PSG区)③ - PECVD (PECVD区)④ -丝网印刷-烧结-分类检测-包装(金属化区)⑤

清洗区(装片、制绒、化学清洗)
11

检验硅片尺寸

装片

测厚度

制绒

观察绒面

称重

清洗

甩干

清洗区(装片、制绒、化学清洗) Cleaning Area

工艺已变更

12

检验硅片尺寸

装片

测厚度

制绒

观察绒面

称重

清洗
工艺已变更

装片
13
1、检验职责:懂得各确认硅片包装是否破损、确认在制品 数量、确认硅片内包装是否破损 及包装盒数、确认包装标签信息与配料单信息 是否一致、硅片外观检测 2、装片要点:带一次性手套、承载盒下面垫海绵条、将硅 片捻成扇形插片、区分不良品、 放置不良品、纪录表单

能发现生产过程中的各种问题,并及时向上级汇报,争取在第一时间内解决问题。
与组员团结协作,空闲时帮助其他组员完成工作,共创有意义的工作环境。

制绒作用与化学品作用
14

制绒作用:减少反射,增强对太阳光的吸收。
NaOH:去除硅片表面的机械损伤层,并生长出绒面。 Na2SiO3.9H2O硅酸钠:减缓NaOH与Si的反应速率。 C3H8O异丙醇:产生H2, H2中带有一定的杂质。

单晶制绒:用碱腐蚀(NaOH) 多晶制绒:用酸腐蚀 (HNO3)

各种绒面的形貌
? 单晶原始形貌(500倍) ? 单晶绒面 (50倍)

15

?

单晶绒面(SEM)

?

多晶绒面(SEM)

绒面要制作成类似于金字塔形状!

制绒化学反应方程式
1、单晶硅制绒化学方程式
Si ? 2 NaOH ? H 2O CH 3CH 2CH 2OH Na 2 SiO 3 ? 2 H 2 ? 80?C

16

2、多晶硅制绒化学方程式

6HF+4HNO3+Si =H2[SiF6]+4NO2+4H2O
影响硅片转换效率的金属 铁Fe、钠Na、锰Mn、 锑Ti、金、银、钨

太阳电池制造过程-化学清洗
? HCL去除硅片表面的金属离子

17

2HCL ? 2 Na ? 2 NaCL ? H 2 ?
影响硅片转换效率的金属:铁、钠、锰、 锑、金、银、钨

? HF去除硅片表面的 氧化物

6HF ? SiO2 ? H 2[SiF6] ? 2H 2O

P型半导体硅

扩散间
18 取片

取片
放入下道工 序传递箱 拿石英舟 测片

插片

上桨

调参数

进炉

太阳电池制造过程-扩散
在P型半导体表面掺杂五价元素磷。 在硅片表面形成PN结。

19

外层:磷硅玻璃 中间:N型半导体硅 内层:P型半导体硅

磷硅玻璃 (PSG)

P型半导体硅

N型硅 P型硅

PN结——太阳电池的心脏
? 扩散的目的:形成PN结

20

扩散装置示意图

21

炉内石英管

扩散原理及检测
扩散原理化学方程式:
5 POCL3 ??600?C ? 3PCL5 ? P 2O5 ?? 4 PCL5 ? 5O 2 ??800?C ? 2 P 2O5 ? 10CL 2 ? ?? 2 P 2O 5 ? 5Si ??800?C ? 5SiO2 ? 4 P ? ??
? ? ? ? ? ? 大氮:均衡管内气体 小氮:携带扩散源 扩散源:三氯氧磷 清洗源:TCA三氯乙烷{C2H3CL3 } 洁净度:扩散间1万级、车间10万级 四探针测微仪{中间两根探针测电压} {外层两根探针测电流}
电位差计

22

1 2 3 4 硅单晶

四探针测量方块电阻

太阳电池制造过程-刻蚀
23

刻蚀目的:去除边缘PN结,防止上下短路
磷硅玻璃 (PSG)

N型硅 P型半导体硅 湿法刻蚀的化学反应方程式: ①4HNO3+3Si=3SiO2+4NO+2H2O ②SiO2+6HF=H2[SiF6]+2H2O 刻蚀方法:1、干法刻蚀 2、湿法刻蚀 P型硅

太阳电池制造过程-去磷硅玻璃(PSG)
什么是磷硅玻璃? ? 在扩散过程中发生如下反应:

24

4P Cl5 ? 5O2 ? 2P2 O5 ? 10Cl 2 ? 2 P O5 ? 5Si ? 5SiO2 ? 4 P ? 2
? POCl3分解产生的P2O5淀积在硅片表面, P2O5与Si反应生成SiO2和磷原子。 ? 这样就在硅片表面形成一层含有磷元素的SiO2,称之为磷硅玻璃。
P (P) 磷

PSG

S(SiO2) 二氧化硅 G(Glass) 玻璃

去PSG原理及化学反应方程式

25

氢氟酸是无色透明的液体,具有较弱的酸性、易挥发性和很强 的腐蚀性。但氢氟酸具有一个很重要的特性是它能够溶解二氧化硅, 因此不能装在玻璃瓶中。 在半导体生产的清洗和腐蚀工艺中,主要就利用氢氟酸的这一 特性来除去硅片表面的二氧化硅层。

6HF ? SiO2 ? H 2[SiF6] ? H 2O
磷硅玻璃 (PSG)

N型硅
P型半导体硅

P型硅

PECVD Area
26 取 料 填 写 表 单 送 入 下 道 工 序 插 片 卸 片

放 入 洁 净 柜 石 墨 舟 准 备

运 行 程 序 推 入 上 料 区

太阳电池制造过程-PECVD
27

? 在硅片表面镀上一层深蓝色的氮化硅膜 ? 可以充分吸收太阳光,降低反射 ? 在硅片表面有氢钝化的作用

氮化硅膜

Plasma Enhance Chemical Vapour Deposition 等离子增强化学气相沉积
? 在太阳电池表面沉积深蓝色减反膜-SiN膜。其还具有卓越的抗氧 化和绝缘性能,同时具有良好的阻挡钠离子、掩蔽金属和水蒸汽 扩散的能力;它的化学稳定性也很好,除氢氟酸和热磷酸能缓慢 腐蚀外,其它酸与它基本不起作用。

28

除SiN膜外,TiO2、SiO2也可作为减反膜

太阳电池制造过程-PECVD
29

? PECVD沉积SiN
利用硅烷(SiH4)与氨气(NH3)在等离子体中反应。

3SiH4 ? 4 NH 3 ? Si3 N4 ? 12H2 ?
350 ℃

等离子体

丝网印刷的流程
上料检查

30
正面栅线印刷

上料台

丝网一道

烘箱

丝网二道 丝网三道

承载盒上料

网版印刷

背电极印刷

背电场印刷

太阳电池制造过程-丝网印刷
?

31

丝网印刷的原理 通过刮条挤压网板使丝网弹性变形后将浆料漏印在需印刷的材料上的一种方式,这 是目前普遍采用的一种电池工艺. 丝网印刷的流程 上料—丝印第一道—烘箱1—丝印第二道—烘箱2—丝印第三道—烧结炉 烘箱的作用 先烘干硅片上的浆料,去除浆料中的有机成分。 烧结炉的结构 上料区—烘干区—(预、主)烧结区—回温区(冷却区)—下料区 烧结炉的作用 先烘干硅片上的浆料,去除浆料中的有机成分,通过高温使硅金属与浆料形 成欧姆接触. 所谓欧姆接触:半导体材料与金属接触时没有形成整流接触,欧姆接触具有线形 和对称的V—I特性,且接触时的电阻远小于材料电阻的一种接触,因此当电流通 过时,良好的欧姆接触不会产生显著的压降和功耗。

? ? ? ?

太阳电池结构
32

背电极

背电场 (铝背场)

正面子栅线

正面主栅线

太阳电池制造过程-丝网印刷
? 原材料的特性 硅片的厂家、型号、批次 、厚度、尺寸、少子寿命、对角线 丝网印刷的辅助材料 修补网板 刮条、浆料、胶带、封网浆、酒精、松油醇
擦拭第三道网板

33

?

?

丝网印刷表单的填写 擦拭第一、二道网板等 工序流程卡、电池生产记录、首检记录、浆料领用/使用记录、刮条更换记录、网板 更换记录、网板使用寿命跟踪记录、台面称重记录、碎片称重记录、设备维护申请 单…

太阳电池制造过程-背电极印刷
? 在太阳电池背面丝网印刷印上引出电极

34

? 使用的浆料是银浆(CN-33462)
? 作用:易于焊接

P型半导体硅

背电极

太阳电池制造过程-背电场印刷
? 通过烧结穿透背面PN结,和P型硅形成良好的欧姆接触。 ? 使用的浆料是铝浆(6080—15Q、15L) ? 作用:收集载流子

35

P型半导体硅

背电场

太阳电池制造过程-正面电极印刷
36 ? 正面电极有主栅线和副栅线组成。 ? 在太阳电池正面丝网印刷银浆(PV147),形成负电极。

? 作用:

收集电流。

副栅线

主栅线

正面电极
P型半导体硅

分类检测流程
37 吸 片
贴 标 识

Q C 检 验

包装入库

打 印 标 签

上 料 检 查

测试台

检测数据

分类(分档)

分类检测

38

1.测试系统构成 本系统由闪光灯、太阳能脉冲仿真器、可编程负载模拟装置、温度检 测装置、光强测量电池、测试架和分检系统。示意图如下(不包括分检系 统)。

39

2、工作原理:
本系统通过模拟AM(Air Mass)1.5 1000W/m2太阳光脉冲照射PV电池表面产生光电 流,光电流流过可编程模拟负载,在负载两端产生电压,负载装置将采样到的电流、电 压传送给SCLoad计算,得到IV曲线及其它指标,并根据实际光强和温度对它们进行修正。 SCLoad 根据测试结果,按照给定的分类规则分类,将分类结果传送给分检系统,分检 系统将已分类的电池放到相应的电池盒里。

3、太阳电池的电性能参数: Isc (短路电流) Uoc (开路电压) Umpp (最大电压) Pmpp(最大功率) Rsh(并联电阻) FF(填充因子)

Impp (最大电流) Rs(串联电阻) EFF(转换效率)

EFF ?

Im pp ? Umpp Uoc ? Isc ? FF ? E?S E?S

FF ?

Umpp ? Im pp Isc ? Uoc

E ? 1000 M 2 W

分类检测测试操作界面
40

分检看机器注意点及保养
? ? 1 检查测试仪探针是否有弯曲和折断,如有,则更换。 2 清理行行走臂中所有碎片。

41

?
? ?

3 当发现电池片走弯时应立即停止纠正。
4 适当润滑下料缓冲盒升降电机传动螺杆。 5 适当润滑三只机械手X、Y轴滑轨。注意,不要污染磁尺。

太阳能辐射

42

1、太阳辐射能的来源—电磁辐射

大气层对太阳辐射的影响
大气质量—太阳光线通过大气层的路程对到达地球 表面的太阳辐射的影响 AM0—地球大气层外的太阳辐射 AM1—穿过1个大气层的太阳辐射(太阳入射角为0)

43

AM1.5—太阳入射角为

48°的太阳辐射

太阳辐射穿过大气层的情况

44

AM0 AM1.5

太阳电池的组成结构
45

Junction

太阳电池的工作过程

—光生伏特效应
-吸收光子,产生电子空穴对 -电子空穴对被内建电场分离,在PN结两端产生电势 -将PN结用导线连接,形成电流 -在太阳电池两端连接负载,实现了将光能向电能的转换

46

太阳电池等效电路图:

47

串联电阻(Rs)
● 硅 材 料 体 电 阻 ● 金 属 电 极 电 阻 ● 金 属 与 硅 的 接 触 电 阻

48

并联电阻(Rsh)
49

? 边缘漏电 ? 体内杂质和微观缺陷 ? PN结局部短路

温度(T)对太阳电池的影响
50

1 2

曲线1—25℃

曲线2—35 ℃

电流温度系数:0.1% 电压温度系数:-0.4%(-2.3mV/℃)

光强(E)对太阳电池的影响
1

51

2

曲线1—1个太阳 曲线2—0.5个太阳

太阳电池电性能参数
52

Isc: 电池面积、

光强、 温度
Uoc: 光强、温度 FF: 串联电阻、

并联电阻

Isc , Uoc , Eff , FF

电性能测试的条件

53

温度(T):25℃ 光强(E):1000W/m2 光谱分布:AM1.5

太阳电池的设计
54

? 光生载流子的收集几率
? 结深 ? 电极设计(使电阻损耗最小) ? 减反射膜的厚度和折射率

太阳电池性能和质量分析
●短路电流(Isc)—减反射膜、基区扩散长度、结的质量、损伤层

55

●开路电压(Uoc)—边缘腐蚀不够、PN结不良
●填充因子(FF)—方块电阻、欧姆接触 ●并联电阻(Rsh) —边缘漏电,体内杂质和微观缺陷,PN结局部短路

总结
56

1、太阳电池—将光能直接转换为电能的半导体器件 2、工作过程—载流子的产生、漂移和经内建电场的分离 3、电性能参数—短路电流、开路电压、填充因子、转换效率、 串联电阻、并联电阻

57


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