第5章-硅太陽能電池制造技術(shù)-2

1、&5.3.3硅晶片和襯底-直拉單晶硅,直拉大面積單晶硅錠的制造過程,生長硅單晶的方法很多，目前常采用直拉法與懸浮區(qū)熔法,直拉單晶法（Czochralski發(fā)，CZ法）： 把原料多硅晶塊放入石英坩堝中，在單晶爐中加熱融化 ，再將一根直徑只有10mm的棒狀晶種（稱籽晶）浸入融液中。 在合適的溫度下，融液中的硅原子會(huì)順著晶種的硅原子排列結(jié)構(gòu)在固液交界面上形成規(guī)則的結(jié)晶，成為單晶體。,工藝,直徑,純度,少數(shù)截流子壽命,電阻率,位錯(cuò)密度,用途,坩堝直拉法（CZ）的優(yōu)點(diǎn)是，可拉制大直徑和高摻雜低阻單晶。 缺點(diǎn)是由于熔硅與石英坩堝（SiO2）熔接以及石墨的污染，將使大量的O、C及金屬雜質(zhì)進(jìn)入硅單晶，故CZ法

2、不能制備高阻單晶。 無坩堝區(qū)熔法（FZ）采用高頻感應(yīng)加熱，通過熔區(qū)移動(dòng)生長單晶，由于工藝不接觸石英坩堝（SiO2）和石墨加熱，可拉制高純度、長壽命單晶。 缺點(diǎn)是單晶摻雜極為困難。,直拉法工藝流程,爐體、籽晶、硅多晶，摻雜劑，石英坩堝,清潔處理,裝爐,抽真空（或通保護(hù)氣體,加熱熔化,潤晶（下種）,縮頸（引晶）,放肩,等徑生長,降溫出爐,性能測試,將籽晶放入溶液中,為消除位錯(cuò)而拉出的一小段細(xì)晶體,將細(xì)晶體的直徑放粗至所要求的直徑,&5.3.4硅晶片和襯底-懸浮區(qū)熔單晶硅,在區(qū)熔爐爐室內(nèi)將硅棒用上下夾頭保持垂直有固定晶向的籽晶在下面在真空或氬氯條件下用高頻線圈加熱(23 MHz)使硅棒局部熔化依靠硅

3、的表面張力及高頻線圈的磁力可以保持一個(gè)穩(wěn)定的懸浮熔區(qū)熔區(qū)緩慢上升達(dá)到制成單晶或提純的目的。,懸浮區(qū)熔單晶硅,區(qū)熔工藝流程,多晶硅棒預(yù)熱,熔融成半球,熔接籽晶,縮頸,放肩,收肩合棱,等徑 生長,收尾,單晶,降溫出爐,性能測試,稍下壓上軸使熔區(qū)飽滿,硅棒、晶體同步下行并通過適當(dāng)拉壓上軸來控制晶體直徑,輕拉上軸，使熔區(qū)逐步拉斷最后凝成尖形,使用高頻線圈加熱硅棒，熔融硅在其表面張力作用下形成一個(gè)半球,將硅棒下移，使硅棒下部的熔區(qū)與籽晶接觸，熔接在一起,籽晶硅棒同步向下，造成飽滿而不崩塌的熔區(qū),籽晶向下，硅棒向上使熔區(qū)呈漏斗狀,片狀單晶硅的制備（EFG法）,將多晶硅放入石英坩堝中，經(jīng)石墨加熱器加熱熔化，

4、將用石墨或者石英制成的有狹縫的模具浸在熔硅中，熔硅依靠毛細(xì)管作用，沿狹縫升到模具表面和籽晶融合，用很快的速度拉出。生長片狀單晶拉速可達(dá)50毫米/分。 片狀單晶生長法現(xiàn)在多采用橫向拉制。將有一平缺口的石英坩堝裝滿熔硅，用片狀籽晶在坩堝出口處橫向引晶，快速拉出片狀單晶。片狀單晶橫向拉制時(shí)結(jié)晶性能好，生產(chǎn)連續(xù)，拉速快，可達(dá)20厘米/分。 片狀單晶表面完整，不須加工或少許加工就可制做器件；省掉部分切磨拋工藝，大大提高了材料的利用率。 片狀單晶拉制工藝技術(shù)高，難度大，溫度控制非常精確，片狀單晶工藝技術(shù)目前處于研究階段。,直拉單晶硅與鑄造多晶硅的比較 優(yōu)點(diǎn)：直拉單晶硅為圓柱狀，其硅片制備的圓形太陽電池不能

5、有效地利用太陽電池組件的有效空間，相對增加了太陽電池組件的成本。如果將直拉單晶硅圓柱切成方柱，制備方形太陽電池，其材料浪費(fèi)就增加，同樣也增加了太陽電池組件的成本。 缺點(diǎn)：含有晶界、高密度的位錯(cuò)、微缺陷和相對較高的雜質(zhì)濃度，其晶體的質(zhì)量明顯低于單晶硅，從而降低了太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。,&5.3.5硅晶片和襯底-多晶硅,&5.3.5硅晶片和襯底-多晶硅,制備多晶硅的技術(shù)相對要簡單一些，成本也因此比單晶硅更低一些。 由于有晶界的存在，多晶硅的性能比單晶硅差。晶界的存在導(dǎo)致了局部高復(fù)合區(qū)，因?yàn)樗杨~外的能級缺陷引入到了禁帶中，也因此減少了總的少數(shù)載流子壽命。 晶界還通過阻礙載流子的流動(dòng)以及為穿過p-

6、n結(jié)的電流提供分流路徑的方式來降低太陽能電池的性能。,多晶硅生長,&5.3.6硅晶片和襯底-多晶硅,為了避免晶界處的過度復(fù)合損失，晶界尺寸必須控制在幾毫米以上，減少對載流子流動(dòng)的阻礙，同時(shí)也減小了電池單位面積上的總晶界長度。,晶粒之間的晶界降低電池性能,多晶硅片,澆鑄法,直熔法,直熔法：石英坩堝下移或隔熱裝置上升，冷卻板通水冷卻 澆鑄法：控制加熱區(qū)形成溫度梯度,直熔法在產(chǎn)業(yè)界廣泛應(yīng)用，澆鑄法目前只有德國太陽公司和日本京瓷公司等采用。這兩種技術(shù)，從本質(zhì)上來講沒有根本區(qū)別，都是用鑄造法制備多晶硅，其主要區(qū)別是采用一只坩堝還是兩只坩堝。,冷卻方式不同,半導(dǎo)體級的高純多晶硅 微電子工業(yè)用單晶硅生產(chǎn)中的

7、剩余料,包括質(zhì)量較差的高純多晶硅、單晶硅棒的頭尾料 直拉單晶硅生長完成后剩余在石英坩堝中的堝底料,鑄造多晶硅的原材料,裝料 加熱(1200-1300左右，4-5h) 化料 (1500 左右，9-11h) 晶體生長(1420 - 1440 ，20-22h) 退火 （熔點(diǎn)附近，2-4h） 冷卻（約10h）,直熔法制備鑄造多晶硅具體工藝流程,鑄造多晶硅中的氧和硼形成B-O對，在光照下，導(dǎo)致太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的降低。氧的主要來源： 來自于原材料 來自于鑄造多晶硅生長過程中的溶解反應(yīng),鑄造多晶硅中的雜質(zhì)和缺陷,鑄造多晶硅中碳的主要來源： 原材料 鑄造多晶硅的制備過程，由于石墨坩堝或石墨加熱器的蒸發(fā),&

8、5.3.7硅晶片和襯底-非晶硅,非晶硅：結(jié)構(gòu)中有許多不受價(jià)鍵束縛的原子、缺少長程有序排列，但是制造成本卻比多晶硅還低的硅材料。 原子排列中缺少長程有序結(jié)構(gòu)是由于“懸掛鍵”的存在。通常需要對這些懸掛鍵進(jìn)行鈍化處理。把氫原子與非晶硅材料結(jié)合，使氫原子的比例達(dá)到5-10%。 非晶硅的材料性能與那些晶體硅有顯著的不同。禁帶寬度1.7eV，吸收系數(shù)要比晶體硅高的多。此外，大量懸掛鍵的存在導(dǎo)致了高缺陷密度和低擴(kuò)散長度,額外的懸掛鍵,額外的懸掛鍵被氫原子終結(jié),&5.3.7硅晶片和襯底-非晶硅,非晶硅結(jié)構(gòu)的短程無序影響了半導(dǎo)體特性，氫可以鈍化額外的懸掛鍵。 平均原子間距的改變以及氫的存在導(dǎo)致了非晶硅的電特性與

9、多晶硅的不同。,&5.3.7硅晶片和襯底-非晶硅,非晶硅中的少數(shù)載流子的擴(kuò)散長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1m。要獲得高的收集效率就必須在p-n結(jié)耗盡區(qū)產(chǎn)生盡可能多的光生載流子。 非晶硅的高吸收系數(shù)使得電池的材料只有幾微米厚，基區(qū)就成為了收集光生載流子最主要的區(qū)域。 在戶外或在含有紫外線的光源下使用的非晶硅電池會(huì)有降低效率的可能，因?yàn)樽贤饩€會(huì)破壞Si-H的價(jià)鍵結(jié)構(gòu),存在強(qiáng)電場的耗散區(qū),&5.3.7硅晶片和襯底-非晶硅,a-Si:H太陽能電池,&5.4.1硅太陽能電池的制造技術(shù)絲網(wǎng)印刷太陽能電池,絲網(wǎng)印刷太陽能電池在1970年代開始發(fā)展起來。它們是建立的最好、最成熟的太陽能電池制造技術(shù)，占據(jù)統(tǒng)治地位。,絲網(wǎng)印刷太

10、陽能電池制造過程,&5.4.1硅太陽能電池的制造技術(shù)絲網(wǎng)印刷太陽能電池,磷擴(kuò)散 絲網(wǎng)印刷太陽能電池通常使用簡單且均勻的擴(kuò)散方法以形成發(fā)射區(qū) 要保持低電極電阻，就需要在絲網(wǎng)印刷電極下面的表面摻雜進(jìn)高濃度的磷 表面高濃度的磷將會(huì)導(dǎo)致“死層”形成，并降低電池的藍(lán)光響應(yīng)。 最新的電池設(shè)計(jì)能制備更淺的發(fā)射區(qū)，因此提高電池的藍(lán)光響應(yīng)。 選擇性發(fā)射區(qū)，即金屬電極下面進(jìn)行更高濃度的摻雜。,&5.4.1硅太陽能電池的制造技術(shù)絲網(wǎng)印刷太陽能電池,表面制絨以減少反射 單晶硅錠切割下來的晶片，使用化學(xué)試劑在晶片表面刻蝕層金字塔狀原子結(jié)構(gòu)。雖然這種刻蝕對單晶硅非常理想，但是它卻依賴于正確的晶體取向。 多晶硅 使用切割工

11、具或激光在晶片表面進(jìn)行機(jī)械制絨 基于缺陷結(jié)構(gòu)而不是晶面取向的各向同性化學(xué)刻蝕 各向同性化學(xué)刻蝕與光刻掩模技術(shù)相結(jié)合 等離子刻蝕,&5.4.1硅太陽能電池的制造技術(shù)絲網(wǎng)印刷太陽能電池,減反射膜 二氧化鈦（TiO2）與氮化硅（SiNx）是常見的減反射膜材料。 膜的制造適用于簡單的技術(shù)，如化學(xué)氣相沉積。 除了有利于光的吸收外，絕緣膜還能夠使表面鈍化，提高電池的電學(xué)特性。 依靠一種帶有切割試劑的粘稠劑對減反射膜進(jìn)行絲網(wǎng)印刷，金屬電極能夠腐蝕膜材料并最終與底層的硅相連接。過程非常簡單，且有利于連接淺層的發(fā)射區(qū)。,&5.4.1硅太陽能電池的制造技術(shù)絲網(wǎng)印刷太陽能電池,邊界隔離 如今有許多邊界隔離技術(shù)，比如

12、等離子刻蝕、激光切割或者首先用膜掩蓋住邊界以阻止擴(kuò)散的發(fā)生。 背電極 背電極是在一般p-n結(jié)電池背面用擴(kuò)散法或合金法加制一層與基區(qū)導(dǎo)電類型相同的重?fù)诫s區(qū)，然后再在重?fù)诫s區(qū)上面制作金屬接觸電極，一般為鋁電極。 襯底 絲網(wǎng)印刷技術(shù)已經(jīng)被使用在許多不同的襯底上。排序的簡單化使得絲網(wǎng)印刷技術(shù)非常適合于質(zhì)量較差的襯底，比如多晶硅材料甚至直拉單晶硅。,&5.4.1硅太陽能電池的制造技術(shù)絲網(wǎng)印刷太陽能電池,對印刷電池前端電極 在印刷期間，金屬貼片穿過絲網(wǎng)，到達(dá)沒被遮蓋的區(qū)域。柵條寬度通常為100到200m。,已經(jīng)完成絲網(wǎng)印刷的太陽能電池 柵條間距大于有3mm。在包裝的時(shí)候，在母柵上焊接一個(gè)額外的金屬接觸帶以

13、減少電池串聯(lián)電阻。,&5.4.1硅太陽能電池的制造技術(shù)絲網(wǎng)印刷太陽能電池,擁有完整絲網(wǎng)印刷的太陽能電池的正面圖。由于電池是由多晶硅制造的，晶粒的不同界面取向清晰可見。多晶硅電池的正方形形狀大大簡化了電池的包裝。,擁有完整絲網(wǎng)印刷的太陽能電池的背面圖。電池要么是由Al/Ag粘貼成網(wǎng)格，要么全部由鋁構(gòu)成并形成背面電場，但需要第二道印刷工序。,&5.4.2硅太陽能電池的制造技術(shù)制造太陽能電池,商業(yè)絲網(wǎng)印刷太陽能電池的制造設(shè)備。歐洲太陽能公司SPA提供。,制造的多晶硅錠的結(jié)晶爐。大面積硅板，大約0.5mx0.5m，20cm厚。精確控制冷卻液體，能夠制造出大晶粒少缺陷的的硅材料。,從結(jié)晶爐出來的大塊多晶

14、硅錠被切割成10cmx10cm的小磚塊。然后小磚塊又被切割成同樣面積的薄片。,&5.4.2硅太陽能電池的制造技術(shù)制造太陽能電池,歐洲太陽能公司的生產(chǎn)線。雖然太陽能電池制造需要處在潔凈的環(huán)境中，但是比起集成電路芯片的制造環(huán)境來，還是較為寬松一些。因此不需要員工穿上全套潔凈服。,自動(dòng)上料的擴(kuò)散爐以及已經(jīng)摻雜了磷的硅晶片。,&5.4.2硅太陽能電池的制造技術(shù)制造太陽能電池,自動(dòng)上料的擴(kuò)散爐。使用機(jī)器人設(shè)備能夠提升電池制造的可靠性，并降低成本。,絲網(wǎng)印刷的生產(chǎn)線。,&5.4.2硅太陽能電池的制造技術(shù)制造太陽能電池,先進(jìn)的絲網(wǎng)印刷機(jī)器，使用攝像機(jī)來快速準(zhǔn)確地排布金屬電極網(wǎng)的圖案。,在完成每個(gè)電池的效率測

15、量工作后，對它們進(jìn)行排序以盡量減小模塊錯(cuò)配。,&5.4.2硅太陽能電池的制造技術(shù)制造太陽能電池,在進(jìn)行壓片之前排列電池片。,&5.4.3硅太陽能電池的制造技術(shù)埋電極太陽能電池,埋電極太陽能電池是一種高效率的商業(yè)用太陽能電池，其特點(diǎn)是把金屬電極鍍到激光形成槽內(nèi)。埋電極技術(shù)克服了絲網(wǎng)印刷電極的許多缺點(diǎn)，這也使得埋電極太陽能電池的效率能達(dá)到25%，比商業(yè)絲網(wǎng)印刷電池要高。,埋電極太陽能電池，激光刻槽的橫截圖。,&5.4.3硅太陽能電池的制造技術(shù)埋電極太陽能電池,埋電極大大增加了金屬柵條的高-寬比例。 大的高-寬比意味著能夠在接觸電極中使用大量的金屬，而不需要在表面鋪上寬大的金屬條。 金屬柵條的大高-

16、寬比允許窄的柵條間距，同時(shí)保持高的透明度。 例如，一塊大面積的絲網(wǎng)印刷電池，其被阻擋的光就可能達(dá)到10%到15%，而如果使用埋電極結(jié)構(gòu)，則其損失就只有2%到3%。這樣低的光損失能降低光反射并因此提高短路電流。,&5.4.3硅太陽能電池的制造技術(shù)埋電極太陽能電池,部分激光刻槽的橫截圖,埋電極電池技術(shù)還能降低寄生電阻損耗，因?yàn)樗慕饘贃艞l具有高的高-寬比、柵條的間距適當(dāng)，以及良好的金屬電極材料。 埋電極能減少電池的發(fā)射區(qū)電阻，是因?yàn)闁艞l之間的距離越窄，發(fā)射區(qū)的電阻損耗也越小。 同時(shí)，金屬網(wǎng)格的電阻也減小了，因?yàn)樵诩す饪滩壑惺褂玫慕饘倭看蟠笤黾恿?，且金屬還是電阻率比鋁低的銅。 由于在半導(dǎo)體-金屬交界

17、面處形成鎳硅化物以及它們交界面積的擴(kuò)大，使得埋電極的接觸電阻也比絲網(wǎng)印刷電池的小。,&5.4.3硅太陽能電池的制造技術(shù)埋電極太陽能電池,摻雜來獲得高開路電壓和短路電流。 埋電極結(jié)構(gòu)還包括了自我對準(zhǔn)、自 我選擇的發(fā)射區(qū)，能夠因此減小接觸復(fù)合和提高開路電壓。 埋電極電池的高效率顯著降低了成本，并提高了電池性能。,激光刻槽埋電極太陽能電池的制造工序,&5.4.4硅太陽能電池的制造技術(shù)高效率太陽能電池,高效率太陽能電池制造的成本比普通硅太陽能電池要高得多，因此通常使用在太陽能車或空間應(yīng)用上。,盡管制造成本很高，但是能生產(chǎn)出效率為23.5%的太陽能電池車的電池。,&5.4.4硅太陽能電池的制造技術(shù)高效率

18、太陽能電池,為了獲得最高效率，實(shí)驗(yàn)室制造硅太陽能電池時(shí)所使用的一些技術(shù)和工藝特點(diǎn)： 在發(fā)射區(qū)擴(kuò)散低濃度的磷，盡量減小復(fù)合損失又避免電池表面“死層”的出現(xiàn)。 縮窄金屬柵條的距離以減小發(fā)射區(qū)橫向電阻的功率損耗。 非常好的金屬柵條，通常小于20m，以減小陰影損失。 打磨或拋光晶片表面后進(jìn)行激光雕刻并鋪上金屬網(wǎng)格。 使用精密加工的金屬，如鈦/鈀/銀，盡量降低接觸電阻。 良好的背面鈍化以減少復(fù)合。 使用減反射膜，能使反射光從30%減少到10%。,&5.4.4硅太陽能電池的制造技術(shù)高效率太陽能電池,PERL太陽能電池 發(fā)射區(qū)鈍化及背面擴(kuò)散的太陽能電池PERL電池 鈍化發(fā)射區(qū)指的是在電池表面形成高質(zhì)量的氧化物，能顯著減少表面載流子復(fù)合的數(shù)量。 對背面進(jìn)行本地?cái)U(kuò)散，只在與金屬接觸的區(qū)域摻雜，以在盡量減少復(fù)合的同時(shí)保持良好的點(diǎn)接觸。,&