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第三章太阳电池的结构和制备_图文

第三章 太阳电池的结构和制备

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正面图案

背面图案
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硅片 → 清洗制绒 → 扩散 → 刻蚀周边 → 去除磷硅玻璃清洗 → 沉积氮化硅膜 → 背电极银铝浆丝印、 背电场铝浆丝印、 背电极银铝浆丝印、烘干 → 背电场铝浆丝印、 烘干 → 正电极银浆丝印 → 烧结 → 分选检测 → 包装

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晶体硅太阳电池的基本工艺

?硅片制造及硅片技术参数 ?清洗制绒 ?扩散制结 ?等离子体刻蚀 ?去磷硅玻璃清洗 ?PECVD减反射膜 ?丝网印刷电极制造

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1. 硅片制造及硅片技术参数

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选择硅材料的技术原则 ? 导电类型 ? 电阻率 ? 多晶硅/单晶硅 晶向(111),(100) ? 形状、尺寸、厚度

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多晶硅片技术数据
1 外观要求 外观不得有下列之一的缺陷: 缺口数多于2个,深度大于1mm; 边缘缺陷数多于1个,不长于5mm,不深于0.5mm; 表面有异常沾污(如油脂、手指印、树脂残留、水渍、泥浆等)、裂纹、针孔、切割 线; 表面有划痕、凹坑,使硅片表面局部凹凸不平超过15μm; 表面油污的总面积大于1cm2; 微晶体(晶粒横向线径小于0.1mm)的总面积大于2cm2(雪花片)。 2 外形尺寸 156mm×156mm多晶硅片 156mm×156mm多晶硅片 边长:156mm±0.5mm; 厚度: 200?m±20?m TTV(总厚度变化):≤50?m 垂直度:90°±0.5°。 45°倒角边长:≤2mm。 3 材料性质 电阻率:0.5Ω?cm-3Ω?cm (电阻率 载流子寿命:≥2?s(体寿命); 导电类型:P型 氧含量:<1×1018/cm3 碳含量:<5×1016/cm3

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2. 清洗制绒

硅片

预处理 (去除表面玷 污物) 去除多孔硅 (单晶不用)

去除切割损伤
(多晶不用)

制绒

去除金属、 金属离子

每个步骤后都必须用去离子水清洗, 最后,硅片脱水干燥

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2. 清洗制绒

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制绒

即表面织构化,通过将光滑如镜的表面腐蚀成凸凹不 平的表面结构,延长光在电池表面的传播路径,减少光 反射造成的光损失,从而提高太阳能电池对光的吸收效 率。同时绒面也能对以后组件封装的光匹配有比较大的 帮助,可以减少组件封装的损耗。 单晶硅的表面织构化为倒金字塔结构,多晶硅的表面 织构化为蜂窝结构。

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酸性腐蚀法

硝酸和氢氟酸的混合液可以起到很好的腐蚀作用,其溶液配比为浓硝酸: 氢氟酸=10:1到2:1。硝酸的作用是使单质硅氧化为二氧化硅,其反应为 3Si + 4HNO3 = 3SiO2 + 2HO2 + 4NO↑ 而氢氟酸使在硅表面形成的二氧化硅不断溶解,使反应不断进行,其反 应为 生成的络合物六氟硅酸溶于水,通过调整硝酸和氢氟酸的比例,溶液的 温度可控制腐蚀速度,如在腐蚀液中加入醋酸作缓冲剂,可使硅片表面光 亮。一般酸性腐蚀液的配比为 硝酸:氢氟酸:醋酸=5:3:3或5:1:1
腐蚀后再用KOH或NaOH去除多孔硅,再用HCl 清洗硅片表面残留的金 属离子,再用HF酸去除腐蚀过程中硅片表面形成的氧化层(有的不用, 有的混合在HCl中),最终用高纯去离子水将硅片冲洗干净。
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SiO 2 + 6 HF = H 2 [SiF6 ] + 2 H 2O

2、碱性腐蚀
硅可与氢氧化钠、氢氧化钾等碱的溶液起作用,生成硅酸盐并放出 氢气,化学反应为: Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑

出于经济上的考虑,通常用较廉价的NaOH溶液 碱腐蚀的硅片表面虽然没有酸腐蚀光亮 平整,但制成的电池性能完全相同,目前,国内 外在硅太阳电池生产中的应用表明,碱腐蚀液由 于成本较低,对环境污染较小,是较理想的硅表 面腐蚀液,另外碱腐蚀还可以用于硅片的减薄技 术,制造薄型硅太阳电池。

100°C下不同浓度的NaOH 溶液对(100)晶向硅片的 腐蚀速度
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清洗制绒后硅片表面
单晶硅

单晶硅 多晶硅

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图3 单晶硅绒面

图4 多晶硅绒面

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多晶硅电池表面电镜图

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? 硅片表面损伤层作为酸腐蚀表面织构的种子层,硅片浸入腐蚀液时, 腐蚀过程首先在激活能较低的表面缺陷处及表面微裂纹处引发,并 沿着微裂纹高速腐蚀并沿着各个方向伸展。

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后处理

?为了避免腐蚀后硅片表面多孔硅的存在 (虽然其有一定的陷光作用,但易造成后 续印刷栅线不连续,漏电严重),必须将 腐蚀好的硅片放入30wt%的NaOH溶液中刻 蚀数秒钟。

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清洗制绒设备

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硅片在花篮中准备清洗

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硅片在清洗槽中用纯水鼓泡清洗

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清洗后机械手提起花篮和硅片

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甩干机

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硅片在甩干机中

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清洗制绒质量控制

?

? ?

绒面的表面形态:单晶,正四棱锥体大小在 2~4微米,反射率在10%-12% ;多晶,显微 镜下硅片表面无明显台阶,反射率22-26%。 减薄量:去除8~12微米/两面 制绒液:组分,制绒温度、时间,补液

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其他制绒

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清洗制绒的检测仪器

? 导电类型测试仪 ? 电阻率测试仪 ? 电子天平 ? 高倍光学显微镜

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3. 扩散制结
扩散制结,是在高温条件下把需要的掺杂杂质扩散进入 硅片的表面,在表面形成与基体材料导电类型相反的薄层 导电类型相反的薄层。 导电类型相反的薄层 硅太阳电池的基片材料通常是P型材料 P型材料,在表面扩散一层N型 N 薄层。对于一般的太阳电池来讲,薄层的厚度大约 薄层 薄层的厚度大约 μm,方块电阻大约为40 60Ω/ 40- Ω/□ 0.3-0.5μm,方块电阻大约为40-60Ω/□。采用POCl3液态源 气体携带法扩散制结,制出的结均匀性好,方块电阻的不均 匀度<5-10%,少子寿命>10μs。扩散过程中所发生的化学 反应为: 4POCl3 + 3O2 = 2P2O5 + 6Cl2↑ 2P2O5 + 5Si = 5SiO2 + 4P↓ 沉积在硅表面的磷原子在扩散温度下以替位方式进入规 则排列的硅晶格中。 扩散后,硅片的外层形成一层磷硅玻璃,中间层是N型 层,里层是P型半导体本体材料。

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磷扩散工艺过程 清洗 扩散

饱和 回温 装片

关源,退舟

卸片

送片

方块电阻测量

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扩散装置示意图

1.扩散炉升温 扩散炉升温850-900度,流入大量氮气(500-1000ml/min),驱除管 扩散炉升温 度 流入大量氮气( , 内气体,如是新石英管,还应通入少量氮气( 内气体,如是新石英管,还应通入少量氮气(40-100ml/min,氧气 ,氧气(30-90 ml/min),使得石英管吸收饱和。 使得石英管吸收饱和。 使得石英管吸收饱和 2.取出制绒后的硅片装入石英舟,在大量氮气(500-1000ml/min)下,恒温 取出制绒后的硅片装入石英舟, 取出制绒后的硅片装入石英舟 在大量氮气( 下 区内保温5min 区内保温 3.调小流量,氮气40~100ml/min、氧气流量30~90ml/min。 调小流量, 40~ 30~ 调小流量 氮气40 100ml/min、氧气流量30 90ml/min。 通源时间10 10~ 通源时间10~15min 4.失源,继续通大流量的氮气5min,以赶走残存在管道内的源蒸气。 4.失源,继续通大流量的氮气5min,以赶走残存在管道内的源蒸气。 失源 5.把石英舟拉至炉口降温 分钟,取出扩散好的硅片, 把石英舟拉至炉口降温5 5.把石英舟拉至炉口降温5分钟,取出扩散好的硅片, 硼液态源扩散时,其扩散装置与三氯氧磷扩散装置相同,但不通氧气。 硼液态源扩散时,其扩散装置与三氯氧磷扩散装置相同,但不通氧气。
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扩散设备

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硅片扩散后出炉

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排风

排废口

推舟 机构

气源柜

进气

炉体 柜

总电源进 线

净化操作 台

计算机控 制柜

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扩散工艺和质量控制
? 管内杂质源的浓度 源温、小氮气(杂质源携带气体)、大氮气、氧气 ? 扩散时间 ? 扩散温度 ? 扩散薄层电阻控制 (40-60欧)

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扩散注意事项

扩散车间净化等级为一万级 净化等级为一万级,温度要求为(25±3)℃,湿度要求为 净化等级为一万级 (50±10)%。 装片时,禁止直接用手(即使是戴一次性手套)触摸石英器具和硅片的任何 禁止直接用手( 禁止直接用手 即使是戴一次性手套) 部位,每次进行装片和卸片操作前必须要戴口罩并且换戴新的一次性手套 每次进行装片和卸片操作前必须要戴口罩并且换戴新的一次性手套, 每次进行装片和卸片操作前必须要戴口罩并且换戴新的一次性手套 再行操作。避免所戴手套触摸脸部和身体其它部位,不能用触摸过皮肤的 手套拿吸笔、镊子、硅片、石英舟。 禁止石英吸笔接触硅片以外的任何物品。禁止舟叉接触石英舟以外的任何物品。 石英器件清洗机配溶液时,要先把瓶外的浮尘擦掉 浮尘擦掉,并把易脱落的标签去 浮尘擦掉 掉,以免掉到溶液中。 物品进入净化间之前,要经过清扫,无灰尘,无污染物 清扫, 清扫 无灰尘,无污染物。净化间的清扫应使 用无尘抹布和无尘吸尘器。 用无尘抹布和无尘吸尘器 三氯氧磷扩散决定太阳能电池的性能,故必须严格按工艺要求进行操作。 经常检查三氯氧磷源瓶内的源量,液面接近N2进气口的下端时必须更换;三氯 氧磷及三氯乙烷均为有毒有害物质,换源时必须严格注意安全防护,戴好相应眼 罩、手套和防毒面具等防护用品。

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4.等离子体刻蚀4.等离子体刻蚀-周边腐蚀 等离子体刻蚀 ? 扩散带来周边进入磷原子,造成电池短路,严重漏电 ? 将硅片叠放在一起(保护正反面),放入反应腔室中, 通入CF4和O2,进行等离子体刻蚀 ? 等离子体刻蚀:高温下分子和原子激烈碰撞而理解为电 子,正离子 ? 反应原理: CF4 + O2 = F*+O*+COF*+COF2*+CO+… 其中,COF*寿命较长,COF* = F*+CO Si + 4F* =SiF4(气)

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等离子体刻蚀
地球上,物质有三态,即:固,液,气。 其共同点是由原子或分子组成,即基本单元是 原子和分子,且为电中性。 等离子体:气体在一定条件下受到高能激发, 发生电离,部分外层电子脱离原子核,形成电 子、正离子和中性粒子混合组成的一种形态, 这种形态就称为等离子态,即第四态。 等离子体从宏观来说也是电中性,但是在局部 可以为非电中性。

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等离子体刻蚀工艺过程

? 装片,扩散后硅片装在刻蚀夹具中 ? 夹具放入反应室 ? 抽真空 ? 充入工作气体(CF4、O2、N2) ? 高频辉光放电(刻蚀) ? 充气 ? 取出

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等离子体刻蚀设备

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反应室

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夹具

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硅片夹具放入设备中

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等离子体刻蚀工艺和质量控制

? 工作气体流量设定、气压设定 ? 射频电源功率设定 ? 转速设定 ? 电阻检测/导电类型检测 ? 硅片刻蚀范围

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5. 去除磷硅玻璃清洗

在扩散过程中,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,多余的P2O5和SiO2在高温下 形成玻璃体,称之谓磷硅玻璃。存在于硅片的表面。SiO2与 HF生成可溶于水的络合物,从而使硅片表面的磷硅玻璃溶解, 化学反应为: SiO2 + 6HF = H2 SiF6 + 2H2O

N型硅
P型硅

N型硅
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去除磷硅玻璃工艺过程 ? 装片,硅片放入片架(小花蓝) ? 片架放入大花篮 ? 氢氟酸槽内浸渍 ? 去离子水清洗 ? 脱水干燥

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去除磷硅玻璃清洗设备

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去除磷硅玻璃工艺和质量控制

?磷硅玻璃去尽 ?表面干燥,无水迹及其它污点

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6.沉积 沉积PECVD氮化硅薄膜 沉积 氮化硅薄膜

?为防止表面的反射,在半导体表面制备折 射率介于半导体和空气折射率之间的透明 薄膜层。这个薄膜层称为减反射膜 (Antireflective coating)

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本工序用PECVD(等离子增强化学气相沉积)在电池表面沉积SiNx膜,除减反 射外还含钝化作用。 1)减反射 硅表面的反射损失—经处理的抛光硅片反射率可达30%以上 三种光学性质的损失中,硅表面的反射损失最多,通过镀减反射膜和表面织构可 以使反射率降低。其减反射原理是,照射在绒面一侧的光被向下折射,其反射光得到 进入电池第二次机会,从而使反射光减少。 2)表面钝化和体钝化 硅片表面复合对有效少子寿命的影响非常明显。表面复合是指少数载流子在 半导体表面发生的复合过程。太阳电池效率损失的原因之一,是太阳电池的光生载流 子电子和空穴在被P-N结分离之前复合。光生载流子寿命越短,被P-N结分离前复合的 可能性越大,太阳电池的效率在其他如串联电阻、电极制备等因数相同的情况下明显 下降。实施表面钝化是降低表面复合,提高有效少子寿命的重要措施。 氮化硅薄膜含有大量的氢,可以很好的钝化硅中的位错、表面悬挂键, 氮化硅薄膜含有大量的氢,可以很好的钝化硅中的位错、表面悬挂键,从而 提高了硅片中载流子迁移率,一般要提高20%左右。对单晶硅来说,表面钝化效果明 提高了硅片中载流子迁移率 显,而对多晶硅来说,则有双重钝化 双重钝化的效果。 双重钝化
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PECVD(等离子增强化学气相沉积 Plasma enhanced chemical vapour deposition)

减反射原理

r12 + r22 + 2r1r2 cos θ R= 1 + r12 r22 + 2r1r2 cos 2θ

(12)

r1=(n0 - n1)/(n0 + n1) r2=(n1 - n2)/(n1 + n2) θ=2πn1d1/λ λ为波长
1 λ' d1 = 4 n1

显然,减反射膜的厚度d1为1/4n1波长时,R为最小
Rmin ? (n 2 ? n0 n2 )? = ? 12 ? ? (n1 + n0 n2 )?
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书本62页 书本 页

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氮化硅膜的减反射作用 0.70

0.60

0.50

Reflectance(0-1)

0.40

0.30

0.20

0.10

0.00 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
Wavelength(nm)

化学清洗后硅片反射率

沉积SiN膜后的反射率
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硅太阳电池反射光 谱

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钝化太阳电池的受光面和体内 半导体表面 钝化可降低 半导体表面 态密度 在SiN减反射 膜中存在大 量的H,在烧 结过程中会 钝化晶体内 部悬挂键

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为了减少光入射到硅片时的表面反射,利用薄膜干涉的原 理,在扩散后的硅片表面沉积一层减反射膜。目前采用等离子 体增强化学气相沉积技术在电池表面沉积一层氮化硅,折射率 2.0~2.1、厚度大约75nm。在成膜的同时还有加氢作用,因此 在减少光反射的同时,对太阳电池起到很好的表面和体内钝化 作用,提高了电池的转换效率。等离子体增强化学气相沉积中 所发生的化学反应为: 硅片表面呈淡蓝色 都是氮化硅薄膜的原因 SiH4 + NH3 = SiN:H + H2
氮化硅膜

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氮化硅的其他物理好处

结构致密,硬度大 能抵御碱金属离子的侵蚀 介电强度高 耐湿性好 耐一般的酸碱,除HF和热H3PO4

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PECVD原理 PECVD原理 PECVD =Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition 即“等离子增强型化学气相沉积”,是一种化学 气相沉积,其它的有HWCVD,LPCVD,MOCVD等。 PECVD是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子 的气体电离,在局部形成等离子体,而等离子化学活性 很强,很容易发生反应,在基片上沉积出所期望的薄膜。

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只激发氨气

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PECVD工艺过程 PECVD工艺过程
充N2气

抽真空,压力测试

抽真空,压力测试

加载小舟

捡漏

循环吹扫

桨由高位进舟

等待温度到达设定值

充N2气

预沉积
桨退出炉管,低位 桨进入炉管,低位

抽真空,压力测试

等待温度到达设定值
桨升至高位

开启燃烧塔

沉积
卸载小舟

NH3吹扫

沉积结束
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管式PECVD设备 §2-6-2 管式 设备

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管式PECVD控制柜 控制柜 管式

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石墨舟

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使用和维护本设备时必须严格遵守操作规程和安全规则, 因为: 本设备的工艺气体为SiH4和NH3,二者均有毒,且SiH4易 燃易爆。 本设备运行时会产生微波辐射,每次维护后和停机一段 时间再开机前都要检测微波是否泄漏。

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PECVD工艺和质量控制 工艺和质量控制

? 目视颜色为深蓝 色 ? 无明显的色差。 ? 折射率(2.1) ? 厚度 (75nm)

注意事项 硅烷是一种无色、与空气反应 并会引起窒息的气体。硅烷与空气接触会 硅烷与空气接触会 引起燃烧并放出很浓的白色无定型二氧化 硅烟雾。它对健康的首要危害是它自燃的 硅烟雾 火焰会引起严重的热灼伤。如果严重甚至 会致命。如果火焰或高温作用在硅烷钢瓶 的某一部分会使钢瓶在安全阀启动之前爆 炸,如果泄放硅烷时压力过高或速度过快, 会引起滞后性的爆炸。泄漏的硅烷如没有 自燃会非常危险。

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7. 丝网印刷电极制造

1、 电极的作用是输出太阳电池产生的电能,电极连接硅太 阳电池PN结,连接P区的是电池输出的+极,连接N区的是电 池输出的﹣极。习惯上把制作在电池正面即光照面的电极 称为正电极(或上电极、前电极),制作在电池背面的电极 称为背电极(或下电极)。正电极制作成栅状以减少扩散 层电阻影响,同时减少有效表面积的损失。背电极布满绝 大部分背表面。 2、太阳电池需要的电极接触 接触电极与半导体之间仅仅是电性能上的连接(电阻性接 触),接触处不发生整流现象,接触电阻必须很小,这种 接触称为欧姆接触。 高掺杂接触:具有重掺杂的N型硅或P型硅与金属接触可得 到良好的欧姆接触。
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3、制作电极的材料需要满足以下要求 与硅形成牢固的欧姆接触,接触电阻很小 优良的导电性 化学稳定性好 容易焊接,一般要求能被锡焊 目前硅太阳电池的前电极材料主要是银,以浆料的形式通 过丝网印刷和烧结制造电极,背电极主要有铝浆或银铝浆。 4.丝网印刷原理和步骤 五大要素:丝网、刮刀、浆料、工作台,基片 基本原则:丝网图形部分网孔渗透浆料 步骤:看视频 5. 丝网印刷电极制造工艺流程 背电极银浆或银铝浆丝印、烘干 → 背电场铝浆丝印、烘 干 →正电极银浆丝印 → 烧结 → 分选检测

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常见的前电极图形

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丝网印刷原理及步骤
? ? ? ? ? 印刷过程从硅片放置到印刷台上开始 非常精细的印刷丝网固定在网框上,放置在硅片上方 丝网封闭了某些区域而其它区域保持开放,以便导电浆料能够通过 硅片和丝网的距离要严格地控制(称为印刷间隙) 由于正面需要更加纤细的金属线,因此用于正面印刷的丝网其网格通常比 用于背面印刷的要细小得多

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?把适量的浆料放置于丝网之上,用刮刀涂抹浆 料,使其均匀填充于网孔之中。刮刀在移动的 过程中把浆料通过丝网网孔挤压到硅片上。

每次印刷步骤后,硅片被放入烘干炉,使导电浆料凝固。 每次印刷步骤后,硅片被放入烘干炉,使导电浆料凝固。 接着,硅片被送入另一个不同的印刷机, 接着,硅片被送入另一个不同的印刷机,在其正面或背面印制 更多的线路。 更多的线路。 所有印刷步骤完成后,将硅片放入高温炉里烧结。 所有印刷步骤完成后,将硅片放入高温炉里烧结。
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背电极银浆或银铝浆丝网印刷、 背电极银浆或银铝浆丝网印刷、烘干

背面首先丝网印刷银浆或银铝浆,形成互联焊接的正 电极。在以后的高温烧结炉烧结后,与硅片表面形成良好的 欧姆接触。 印刷浆料后,要经过大约250℃的烘干。

背电极

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丝网印刷机、 丝网印刷机、烘干炉

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背电场铝浆丝网印刷、 背电场铝浆丝网印刷、烘干

背面第二次丝网印刷铝浆,形 成背面接触,在以后的高温烧结炉烧 结后,与硅片背表面形成良好的欧姆 接触。更重要的是,在烧结后,除了 补偿扩散过程形成的N型掺杂杂质还可 以在硅片的表面形成一层重掺杂P型层. 在背表面形成P-P+ 高低结,电池成为 N+ -P- P+ 结构。背面高低结的电场 通常称为背表面电场。

背电场 (铝浆)

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烧结温度曲线

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丝网印刷电极制造系统
全自动设备

(半自动设备见录像)

见录像观察丝印和烧结过程
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选择性发射极
? 高的表面掺杂浓度可以提高欧姆接触,但大面积的高表 面掺杂(1020/cm2)不利于短路电流,原因是顶层的高复 合。

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扩散前进行标记) 制备方法(扩散前进行标记)

?两步扩散法:表面生长一层Si02掩膜,表面利用 光刻技术标记出栅线电极区域,进行一次重扩 散。去除掩膜,进行第二次轻扩散 ?磷浆印刷法:扩散前在硅片上利用丝网在电极 区域印刷磷浆,扩散时通过磷浆的扩散和挥发 在电极区域形成重掺杂 电极区域形成重掺杂,其他区域形成轻掺杂。 电极区域形成重掺杂

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薄膜太阳电池
? 存在的基础(成本和效率各有优劣,技术相对于体硅电 池还不够成熟 还不够成熟) 还不够成熟 ? 分类 硅基薄膜电池 –非晶硅薄膜 –多晶硅薄膜 CIGS(铜铟镓硒) CdTe(碲化镉) Ⅲ-Ⅵ族化合物电池(GaAs)

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薄膜太阳能电池的基本结构

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1.非晶硅薄膜太阳电池 1.非晶硅薄膜太阳电池

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pin结 pin结
? 由于a-Si多缺陷的特点,a-Sipn结是不稳定的,而且光 照时光电导不明显,几乎没有有效的电荷收集。所以, a-Si太阳电池基本结构不是pn结而是pin结。 ? 掺硼形成p区,掺磷形成n区,i为非杂质或轻掺杂的本 征层。 ? 重掺杂的p、n区在电池内部形成内建势,以收集电荷。 ? 同时两者可与导电电极形成欧姆接触,为外部提供电功 率。i区是光敏区,光电导/暗电导比在105-106,此区 中光生电子空穴是光伏电力的源泉。

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制造工艺

激光划刻精度高, 激光划刻精度高,方向性准
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制造工艺简介 ?划刻 ?PECVD

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划刻
? 它把连续的膜层细分为单个电池 ? 在单个电池之间建立串联连接结构 ?第一步用红外激光,用于第一层的TCO刻划; (TCO高吸收的激光) ?第二步用绿激光来刻划非晶硅层;(TCO高透过 性,薄膜硅层高吸收性的激光) ?第三步用绿激光同时处理非晶硅层及背电极。 (选择性同第二步) ?这些线条非常紧密且精确地间隔开,以保证最 大限度地减少了发电层的损失

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串联电池的电流随背电极串联 流动
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PECVD原理 PECVD原理
? 硅烷(SiH4)在低温等离子体的作用下分解产生非晶硅 ? 实际应用时,常常通以氢气钝化悬挂键 ? P-层:SiH4+B2H6+H2(部分+CH4) 部分+CH ? I-层:SiH4+H2 ? N-层:SiH4+PH3+H2

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非晶硅太阳电池效率低下的原因 ? 带隙较宽(1.5eV),可利用波段在350-700nm (书本67 页中间有误) ? 非晶硅特殊能带特点 ? 晶格缺陷多 ? 非晶硅p,n区电阻率高, 接触电阻高

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改进方法 ? P型薄膜材料带隙增加(减少光线在表面的吸收,增加 短波长光吸收),同时减小N型薄膜材料带隙(增加长 波段光的吸收) ? 多层不同宽带隙叠加替代单一P型非晶硅薄膜,多层不 同窄带隙的叠加替代单一N型非晶硅薄膜。 ? 多个PIN电池叠加(过多界面影响性能)

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2.多晶硅薄膜太阳电池 2.多晶硅薄膜太阳电池

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3. 砷化镓薄膜太阳能电池
? 直接带隙1.43eV ? 吸收系数104cm-1 ? 抗照辐射性能强于体硅电池,温度系数(-0.23%/Co) ? 生产设备复杂,能耗大 ? 仅仅在空间利用 ? 最高效率40.7%(实验室聚光)

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制备方法
砷化镓太阳电池制备方法
主要为外延生长

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Ⅲ-Ⅴ化合物制备方法 Ⅴ

制备方法1 制备方法
PV/NCU

液相外延
熔融的GaAs+As,熔点比纯的GaAs低。从而不会使得 ,熔点比纯的 基板融掉, 熔融的 低 从而不会使得GaAs基板融掉, 基板融掉 缓慢降低融液温度,使得 过饱和而析出。 缓慢降低融液温度,使得GaAs过饱和而析出。生长过程中因为融液成 过饱和而析出 份变化,导致熔点变化,所以要不断调整温度使温度适合。 份变化,导致熔点变化,所以要不断调整温度使温度适合。 通过不同的掺杂剂可以在GaAs单晶衬底上分别实现 型和 型GaAs。 单晶衬底上分别实现n型和 通过不同的掺杂剂可以在 单晶衬底上分别实现 型和p型 。 此技术可生长出高品质的外延层,且系统成本低, 此技术可生长出高品质的外延层,且系统成本低,以及材料性质的再 现性相当高。不过, 现性相当高。不过,其表面形态比其它外延技术得到的外延层的表面 状态差,且不适合大面积的量产。 状态差,且不适合大面积的量产。

103

制备方法2 制备方法
化学气相沉积法

气相的Ga源和 源在 气相的 源和As源在 -850℃下反应,在衬底上沉积形成 源和 源在650- ℃下反应,在衬底上沉积形成GaAs外 外 延层。沉积速率越 延层。沉积速率越1um/h。可在常压或低压下进行,也可用 。可在常压或低压下进行,也可用PECVD的 的 方法。 方法。

104

叠结电池设计

外延晶体薄膜,要考虑每层之间的晶格匹配性, 外延晶体薄膜,要考虑每层之间的晶格匹配性,最好是每层薄膜都能有相 同的结晶构造,晶格常数越接近越好。晶格常数偏差0.01%,就已经会影 同的结晶构造,晶格常数越接近越好。晶格常数偏差 , 响到光电效率。 三者的晶格常数非常接近。 响到光电效率。GaInP、GaAs、Ge三者的晶格常数非常接近。 、 、 三者的晶格常数非常接近 结数越多,效率越高,但对光谱变化的容忍程度变差, 结数越多,效率越高,但对光谱变化的容忍程度变差,GaAs材料本身脆性 材料本身脆性 较大, 较大,成本也增加很多 三叠节: 的能隙为1.8eV、GaAs的能隙为 的能隙为1.4eV、 三叠节:GaInP/GaAs/Ge,GaInP的能隙为 , 的能隙为 、 的能隙为 、 Ge的能隙为 的能隙为0.7eV。 的能隙为 。 通过改变三元或四元化合物的组成比例,就可变化出很宽范围的能隙。 通过改变三元或四元化合物的组成比例,就可变化出很宽范围的能隙。以 三元化合物GaInP2为例,其能隙为 为例,其能隙为1.85eV,晶格常数为 三元化合物 ,晶格常数为5.65?.如果要得到 如果要得到 较小的能隙,那么可下降Ga的比例而增加 的比例,直到Ga的比率下降到 的比例而增加In的比例 较小的能隙,那么可下降 的比例而增加 的比例,直到 的比率下降到 0为止,此时得到的为 为止, 为止 此时得到的为InP(1.3eV)。 ( )。
105

GaInP/GaAs/Ge三叠节电池结构 三叠节电池结构

106

4. CdTe薄膜电池 薄膜电池
碲化镉简介
CdTe为多晶结构,通常为p型掺杂,带隙宽度为 为多晶结构,通常为 型掺杂 带隙宽度为1.45eV,正好 型掺杂, 为多晶结构 , 位于理想光伏电池的能隙范围内。 位于理想光伏电池的能隙范围内。 吸收系数较大,>105cm-1,2um厚的 厚的CdTe即可吸收 即可吸收99%的太阳 吸收系数较大, 厚的 即可吸收 的太阳 光。 N-CdS的禁带宽度约为 的禁带宽度约为2.4eV,在电池中作为“窗口层”,该 的禁带宽度约为 ,在电池中作为“窗口层” 层一般很薄(~ 层一般很薄(~0.5um)。 (~ )。

107

CdTe薄膜电池组件结构 薄膜电池组件结构

CdTe太阳电池结构 太阳电池结构

108

透明导电薄膜 SnO2
? 导电类型:存在氧空位,导电类型为n型 ? 高透过率 ? 高电导率,掺入F(FTO), Sb等元素 ? 制备方法:化学气相沉积,磁控溅射,超声喷雾热解

109

CdTe薄膜电池组件制备-玻璃基板的选择 薄膜电池组件制备- 薄膜电池组件制备
CdTe电池的制备需经过 电池的制备需经过400-500度的高温,因此选用耐高温 度的高温, 电池的制备需经过 度的高温 的硼玻璃基板,有利于电池性能的提高,效率可达 的硼玻璃基板,有利于电池性能的提高,效率可达16%;如 ; 果选用成本较低的纳钙玻璃,其效率会有所下降(12%)。 果选用成本较低的纳钙玻璃,其效率会有所下降( )。 为提高电池的效率, 为提高电池的效率,还可在玻璃基板上镀一层抗反射层以增 加对光线的吸收。 加对光线的吸收。

110

CdTe薄膜电池组件制备-PN结的制备方法(CdS窗口层 薄膜电池组件制备- 结的制备方法 结的制备方法( 窗口层) 薄膜电池组件制备 窗口层 ? CdTe存在自补偿效应(体内形成Cd正离子空位的能量小于Te负离子 空位,导致体内拥有的Cd空位比较多,形成单极性材料,掺杂反极 型原子会增加材料杂质数量,性能受影响),所以必须采用异质结, 而非同质结 CdS结构与CdTe相同,且晶格常数差异小,且也是单极性材料,与 CdTe相反,带隙宽度2.4eV,吸收系数104-105 cm-1 一般采取化学沉积法

111

CdTe薄膜电池组件制备-PN结的制备方法 薄膜电池组件制备- 结的制备方法 薄膜电池组件制备 (p-CdTe)
共蒸发法 近空间升华法(采用高纯 薄片或粉料作源) 近空间升华法 采用高纯 CdTe薄片或粉料作源) 薄片或粉料作源 电解沉积 溅射沉积…… 溅射沉积

112

CdTe薄膜电池组件制备-PN结制备 薄膜电池组件制备- 结制备 薄膜电池组件制备 近空间蒸发法可得到接近平衡态的CdTe薄膜, 近空间蒸发法可得到接近平衡态的CdTe薄膜,并可通过控 CdTe薄膜 制蒸发源的比例精确控制薄膜的组分,制备CdTe的生长速 制蒸发源的比例精确控制薄膜的组分,制备CdTe的生长速 CdTe 率可达1um/min。 率可达1um/min 几乎所有的沉积技术制得的CdTe薄膜都必需经过CdCl 几乎所有的沉积技术制得的CdTe薄膜都必需经过CdCl2的 CdTe薄膜都必需经过 处理才能得到比较完美,均匀,晶粒较大的薄膜。 处理才能得到比较完美,均匀,晶粒较大的薄膜。如果 不经过该步处理,所得电池的短路电流很小。 不经过该步处理,所得电池的短路电流很小。 的热处理可以造成大量的Cl缺陷和空位, Cl缺陷和空位 CdCl2的热处理可以造成大量的Cl缺陷和空位,防止高温 时O原子进入pn结,即防止氧化,有利于CdS和CdTe界面 原子进入pn结 即防止氧化,有利于CdS和CdTe界面 pn CdS 的扩散和晶体结构。 的扩散和晶体结构。
113

CdTe薄膜电池组件制备-背面电极的制备 薄膜电池组件制备- 薄膜电池组件制备
CdTe电池的背面电极通常使用 或者 。 电池的背面电极通常使用Ag或者 电池的背面电极通常使用 或者Al。 但直接在p- 上形成良好的欧姆接触比较困难。 但直接在 -CdTe上形成良好的欧姆接触比较困难。为形成 上形成良好的欧姆接触比较困难 较好的背面欧姆接触,一般采用如下技术步骤: 较好的背面欧姆接触,一般采用如下技术步骤: 刻蚀CdTe表面,形成富Te的表面状态,在CdTe与金属层 表面,形成富 的表面状态 的表面状态, 刻蚀 表面 与金属层 之间形成P+层,该层可降低金属与CdTe接触的势垒。 之间形成 该层可降低金属与 接触的势垒。 接触的势垒 镀上Ag、 等金属层 等金属层。 镀上 、Al等金属层。
以上进行热处理,形成欧姆接触。 在150℃以上进行热处理,形成欧姆接触。

114

5. CIGS薄膜电池 薄膜电池
CIGS薄膜电池简介 薄膜电池简介
铜铟镓硒( 铜铟镓硒(CIGS)薄膜随铟镓含量的不同,其禁带宽度可以从 )薄膜随铟镓含量的不同,其禁带宽度可以从1.02eV 变化到1.68eV 变化到 吸收系数高,其电池吸收层的厚度一般为 ~ 吸收系数高,其电池吸收层的厚度一般为1.5~2.0um,非常适合作为 , 薄膜光伏电池及叠结电池材料。 薄膜光伏电池及叠结电池材料。 一般CIGS薄膜是在镀钼的纳钙玻璃基板上制备的。该种玻璃基板的热 薄膜是在镀钼的纳钙玻璃基板上制备的。该种玻璃基板的热 一般 薄膜是在镀钼的纳钙玻璃基板上制备的 膨胀系数与 相似, 膨胀系数与CIGS相似,制备过程不会在薄膜内产生较大应力。也可在 相似 制备过程不会在薄膜内产生较大应力。 不锈钢或者塑料衬底上制备CIGS薄膜,具有质量轻,可弯曲等优点。 薄膜,具有质量轻,可弯曲等优点。 不锈钢或者塑料衬底上制备 薄膜 但由于材质的影响,制备 薄膜时不能进行高温过程。 但由于材质的影响,制备CIGS薄膜时不能进行高温过程。 薄膜时不能进行高温过程

115

CIGS薄膜电池 薄膜电池
CIGS薄膜电池结构 薄膜电池结构

116

CIGS薄膜电池 薄膜电池
PV/NCU

CIGS薄膜电池制备方法 薄膜电池制备方法

共蒸发法 二步硒化法 化学水浴法…… 化学水浴法

117

CIGS薄膜电池 薄膜电池
CIGS薄膜电池制备方法-共蒸发法 薄膜电池制备方法- 薄膜电池制备方法
共蒸发法是将Cu、 、 、 四种单质作为蒸发源 四种单质作为蒸发源, 共蒸发法是将 、In、Ga、Se四种单质作为蒸发源,挥发出 薄膜。 来的原子同时落在衬底上反应生长CuIn1-xGaxSe2薄膜。 来的原子同时落在衬底上反应生长 现在利用Cu2Se, In2Se3为靶源, Se 污染大。 为靶源, 现在利用 优点:可以自由控制薄膜的组分和能带的大小。 优点:可以自由控制薄膜的组分和能带的大小。目前效率最高 的CIGS电池就是利用该方法制备的(转换效率大于19%)。 电池就是利用该方法制备的(转换效率大于 )。 电池就是利用该方法制备的 主要缺点是操作控制比较困难, 蒸发源的挥发量不易控制 蒸发源的挥发量不易控制。 主要缺点是操作控制比较困难,Cu蒸发源的挥发量不易控制。 还有一个缺点是缺乏可以大面积商业化生产的设备。 还有一个缺点是缺乏可以大面积商业化生产的设备。

118

CIGS薄膜电池 薄膜电池
CIGS薄膜电池制备方法-两步硒化法 薄膜电池制备方法- 薄膜电池制备方法
溅射镀膜到基板上形成前驱体薄膜, 将Cu、In、Ga溅射镀膜到基板上形成前驱体薄膜,再常压下 、 、 溅射镀膜到基板上形成前驱体薄膜 薄膜。 与氢化硒( )发生反应,从而形成CuIn1-xGaxSe2薄膜。 与氢化硒(H2Se)发生反应,从而形成 主要优点:可以结合一些较为成熟的技术(如磁控溅射)先沉 主要优点:可以结合一些较为成熟的技术(如磁控溅射) 积金属薄膜,再利用高温反应来缩短反应时间, 积金属薄膜,再利用高温反应来缩短反应时间,因此具有较低 生产成本。 生产成本。 主要缺点:控制组分的自由度不高, 主要缺点:控制组分的自由度不高,所以很难变化禁带宽度大 此外,薄膜粘附力差也是一个需要克服的问题。 有很 小。此外,薄膜粘附力差也是一个需要克服的问题。H2Se有很 大的毒性,在使用时必需非常注意。 大的毒性,在使用时必需非常注意。

119

结构改进

?更宽的窗口层替代CdS(ZnO:Al,CdZnS) ?与其他薄膜电池形成叠结电池(非晶硅 1.75eV,CdTe)

120

CIGS薄膜电池 薄膜电池
CIGS薄膜电池 薄膜电池
CIGS光伏电池因其具有高转换效率及低制造成本而被视为很有 光伏电池因其具有高转换效率及低制造成本而被视为很有 发展潜力的光伏电池之一。其还具有抗辐射损伤的优点, 发展潜力的光伏电池之一。其还具有抗辐射损伤的优点,而且可 在柔性衬底上制备,所以也具有太空应用的潜力。 在柔性衬底上制备,所以也具有太空应用的潜力。 但就目前来看,虽然其转换效率已经较高,但制备方法不太适合 但就目前来看,虽然其转换效率已经较高, 大规模生产,成本优势不明显。如何使其生产技术成熟,适合产 大规模生产,成本优势不明显。如何使其生产技术成熟, 业化是目前努力的重点之一。 业化是目前努力的重点之一。 另一方面,发挥其禁带宽度可调的优势, 另一方面,发挥其禁带宽度可调的优势,发展在叠结电池方面的 禁带宽度可调的优势 应用也是未来的发展方向之一。 发展的隐患是 应用也是未来的发展方向之一。CIGS发展的隐患是 及Ga元素 发展的隐患是In及 元素 在地球上的储量有限。未来随着产业规模的扩大, 在地球上的储量有限。未来随着产业规模的扩大,其原料短缺的 问题可能会逐步凸显,成为其发展的制约因素之一。 问题可能会逐步凸显,成为其发展的制约因素之一。

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