晶體硅太陽電池工藝技術(shù)

第1頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月一、晶體硅太陽電池工藝原則高效化低成本大批量第2頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月二、表現(xiàn)方式2.1大片化，薄片化，高效化大片化多晶硅片210*210（mm）面積441cm2單晶硅片156*156（mm）面積239.9cm2第3頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.2薄片化≥220μ

薄片化是把雙刃劍，薄片化可以降低成本。但是，碎片率會增加。國際上晶片供應(yīng)商都是朝220μ方向看齊，薄片化會對第三世界太陽電池生產(chǎn)商而言會形成一道強(qiáng)大技術(shù)壁壘。第4頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月

中國有可能在未來156×156（mm）單晶硅片生產(chǎn)上，占有讓國際光伏圈內(nèi)不可小視的一席之地。中國有批量生產(chǎn)8吋單晶爐設(shè)備的廠家；各地已有不少廠家在上8吋單晶爐，150×150（mm）晶片已問世。高郵江蘇順大半導(dǎo)體發(fā)展有限公司拉的8吋單晶，鎮(zhèn)江環(huán)太硅科技公司切片；無錫尚德太陽能電力有限公司剛之竣工一條年產(chǎn)25MW，生產(chǎn)單晶硅和多晶硅156×156（mm）、150×150（mm）太陽電池生產(chǎn)線。第5頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月三、光伏技術(shù)的發(fā)展晶體硅太陽電池是光伏行業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品，占市場份額的90%，尤其是多晶硅太陽電池的市場份額已遠(yuǎn)超過單晶硅電池的市場份額，自從六十年代太陽能電池作為能源應(yīng)用于宇航技術(shù)以來，太陽能電池的技術(shù)得到非常迅速的發(fā)展，單晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率已接近25%，多晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率已接近20%。圖1顯示了單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的發(fā)展過程，1980年以后的轉(zhuǎn)換效率的世界紀(jì)錄主要由澳大利亞新南威爾斯大學(xué)保持。第6頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的發(fā)展過程

第7頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1實驗室高效太陽能電池的研究

太陽能電池是一種少數(shù)載流子工作器件，當(dāng)光照射到一個P－型半導(dǎo)體的表面上，光在材料內(nèi)的吸收產(chǎn)生電子與空穴對。在這種情況下，電子是少數(shù)載流子，它的壽命定義為從其產(chǎn)生到其與空穴復(fù)合之間所生存的時間。少數(shù)載流子在電池內(nèi)的壽命決定了電池的轉(zhuǎn)換效率。因此要提高電池的轉(zhuǎn)換效率，就必須設(shè)法減少少數(shù)載流子在電池內(nèi)的復(fù)合，從而增加少數(shù)載流子的壽命。影響少數(shù)載流子壽命的因素有:

1）體內(nèi)復(fù)合；2）表面復(fù)合；3）電極區(qū)復(fù)合。第8頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月

1）體內(nèi)復(fù)合減少晶體硅體內(nèi)的復(fù)合，首先要選用適當(dāng)?shù)膿诫s濃度的襯底材料。一般太陽能電池制造所用的硅片的電阻率在0.5到1cm左右。提高晶體的質(zhì)量，減少缺陷和雜質(zhì)，是提高少數(shù)載流子壽命的重要手段。吸雜(gettering)工藝能有效的提高材料的質(zhì)量。鈍化(passivation)工藝能有效地減少晶體缺陷對少數(shù)載流子壽命的影響。第9頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月

2）表面復(fù)合

減少表面復(fù)合通常采用在硅表面生成一層介質(zhì)膜如二氧化硅(SiO2)和氮化硅(SiN)。這種介質(zhì)膜完善了晶體表面的懸掛鍵，從而達(dá)到表面鈍化的目的。如果這種介質(zhì)膜生成在n－型硅的表面，由于在這些介質(zhì)膜內(nèi)固有的存在作一些正離子，這些正離子排斥了少數(shù)載流子空穴向表面移動。另外一種表面鈍化的方法是在電池表面形成高－低結(jié)(high-lowjunction)。這種結(jié)在表面產(chǎn)生一個電場,從而排斥了少數(shù)載流子空穴向表面移動。第10頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月

3）電極區(qū)復(fù)合減少電極區(qū)的復(fù)合可采用將電極區(qū)的摻雜濃度提高，從而降低少數(shù)載流子在電極區(qū)的濃度。減少載流子在此區(qū)域的復(fù)合。第11頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月

基于以上提高電池轉(zhuǎn)換效率的途徑，派生了多種高效晶體硅太陽能電池的設(shè)計和制造工藝。其中包括PESC電池（發(fā)射結(jié)鈍化太陽電池）和表面刻槽絨面PESC電池；背面點接觸電池（前后表面鈍化電池）；PERL電池（發(fā)射結(jié)鈍化和背面點接觸電池）。由這些電池設(shè)計和工藝制造出的電池的轉(zhuǎn)換效率均高于20%，其中保持世界記錄（24.7%）的單晶硅和多晶硅電池（19.8%）的轉(zhuǎn)換效率均是由PERL電池實現(xiàn)的。第12頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5顯示了由澳大利亞新南威爾斯大學(xué)設(shè)計和制造的高效晶體硅太陽能電池（PERL）示意圖。圖5：實驗室高效太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖第13頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月實驗室高效太陽能電池的結(jié)構(gòu)具有以下特點：

1)表面采用了倒金字塔結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減小光在前表面的反射并更有效地將進(jìn)入硅片的光限制在電池之內(nèi)；

2)硅表面磷摻雜的濃度較低以減少表面的復(fù)合和避免表面“死層”的存在；

5)前表面電極采用更匹配的金屬如鈦，鈀，銀金屬組合以進(jìn)一步減小電極與硅的接觸電阻；

3)前后表面電極下面局部采用高濃度擴(kuò)散以減小電極區(qū)復(fù)合并形成好的歐姆接觸；4)前表面電極很窄（只有20微米寬)以及電極條之間的距離變窄使得前表面遮光面積降低到最小并減少n－型區(qū)橫向?qū)щ婋娮璧膿p失；7)利用兩層減反射膜將前表面反射降到最低。

6)電池的前后表面采用SiO2和點接觸的方法以減少電池的表面復(fù)合；

第14頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月目前這種電池技術(shù)是制造實驗室高效太陽能電池的主要技術(shù)之一，25％的電池就是由此技術(shù)制造的。但是，這種電池的制造過程相當(dāng)煩瑣，其中涉及到好幾道光刻工藝，所以不是一個低成本的生產(chǎn)工藝，很難將且應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。第15頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月

八十年代中期，新南威爾斯大學(xué)發(fā)明了“激光埋沿式電池制造工藝”，圖6描述了這種電池結(jié)構(gòu)，這一電池技術(shù)采納了高效太陽能電池的優(yōu)點，簡化了高效太陽能電池的制造工藝，使之成為可生產(chǎn)的技術(shù)。圖6激光埋沿式電池結(jié)構(gòu)示意圖第16頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月目前這一技術(shù)已轉(zhuǎn)讓給好幾家世界上規(guī)模較大的太陽能電池生產(chǎn)廠家如英國的BPSOLAR和美國的SOLAREX等

8)背面金屬鋁燒結(jié)；2)表面淡磷擴(kuò)散；1)表面金字塔的形成；7)背面金屬鋁蒸發(fā)；6)槽內(nèi)濃磷擴(kuò)散；4)激光刻槽；3)表面氧化物(SiO2)生長；9)化學(xué)鍍前后面金屬電極；10)邊緣切割。5)槽內(nèi)化學(xué)腐蝕；激光埋沿式電池制造的主要工藝流程是：

第17頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月2000年，日本三洋公司（Sanyo）報道了一種新型的高效太陽能電池設(shè)計和制造的方法。圖7顯示了這種電池的結(jié)構(gòu)示意圖。此種電池基于一種n-型晶體硅材料，采用等離子體化學(xué)沉積（PECVD）方法在n-型硅片襯底上沉淀本征層i-和p-型非晶硅薄膜，從而形成n-型硅和非晶硅異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)（HIT）太陽電池，非晶硅（a-Si:H）材料的帶寬在1.7eV左右，遠(yuǎn)大于晶體硅1.1eV的帶寬，因此此種HIT電池結(jié)構(gòu)對于電池表面有很好的鈍化作用。同時，由于非晶硅幾乎沒有橫向?qū)щ娦阅埽虼吮仨氃诠璞砻娴矸e一層大面積

的透明導(dǎo)電膜（TCO）以有效地收集電池的電流。這種電池的結(jié)構(gòu)和工藝制造出了21%轉(zhuǎn)換效率的單晶硅太陽電池，電池的開路電壓（Voc）達(dá)到719mV，接近世界紀(jì)錄，制造這種電池的工藝溫度不超過300℃。如果溫度高于400℃，氫原子很容易從非晶硅材料內(nèi)逸出，從而降低非晶硅材料的質(zhì)量，影響電池的轉(zhuǎn)換效率，但由于制造工藝涉及到復(fù)雜的真空系統(tǒng)，因此制造工藝并非簡單。圖7

高效太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖

第18頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)太陽電池制造

目前國際上大多數(shù)晶體硅太陽能電池生產(chǎn)廠家都采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)。這一技術(shù)是在七十年代形成的。因此已沒有產(chǎn)權(quán)歸哪一個生產(chǎn)廠家的說法。這一技術(shù)對單晶硅和多晶硅都適用。圖8描述了這一電池的結(jié)構(gòu)。圖8絲網(wǎng)印刷工藝生產(chǎn)的電池結(jié)構(gòu)示意圖

第19頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月絲網(wǎng)印刷工藝過程包括：

1、表面金字塔的形成（以減少表面反射）；

2、磷擴(kuò)散（900oC的高溫工藝）；

3、邊緣切割；

4、絲網(wǎng)印刷前表面電極；

5、絲網(wǎng)印刷后表面電極；

6、電極燒結(jié)(800oC的高溫工藝)；

7、前表面減反射膜噴涂。

由這一工藝生產(chǎn)的單晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率在13.5％－16％之間，多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率在13％－15.5％之間。

絲網(wǎng)印刷技術(shù)具有以下特點：1、為了使電極和硅表面形成好的歐姆接觸，由磷擴(kuò)散所形成的表面n－型材料摻雜濃度偏高。正如上面所陳述的，高濃度摻雜降低材料內(nèi)的少數(shù)載流子壽命,使得光生載流子不能得到有效地收集。而短波長的太陽光是被這一層材料吸收的，因此這些太陽光的能量不能得到很好的利用,形成所謂的“死層”。2、電池前表面的復(fù)合高，因為電池的