硅太陽能電池?cái)U(kuò)散工序相關(guān)知識(shí)

1、硅太陽能電池?cái)U(kuò)散工序相硅太陽能電池?cái)U(kuò)散工序相 關(guān)知識(shí)關(guān)知識(shí) 1.1.目錄目錄 l目錄目錄 l半導(dǎo)體半導(dǎo)體 lPNPN結(jié)結(jié) l擴(kuò)散擴(kuò)散 l電池效率的損失電池效率的損失 l擴(kuò)散與柵線設(shè)計(jì)擴(kuò)散與柵線設(shè)計(jì) l擴(kuò)散與燒結(jié)擴(kuò)散與燒結(jié) 在絕對(duì)溫度在絕對(duì)溫度T=0KT=0K時(shí)，所有的價(jià)電子都被共價(jià)鍵緊緊束縛在共價(jià)鍵中時(shí)，所有的價(jià)電子都被共價(jià)鍵緊緊束縛在共價(jià)鍵中 ，不會(huì)成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣，不會(huì)成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣 體。體。 半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料。半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料。 本征半導(dǎo)體：完全本征半導(dǎo)體：完全純

2、凈的、結(jié)構(gòu)純凈的、結(jié)構(gòu)完整、不含缺陷的完整、不含缺陷的半導(dǎo)體晶體。半導(dǎo)體晶體。 +4 +4+4 +4 +4 +4 +4 +4+4 2.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 2.2.半導(dǎo)體半導(dǎo)體 束縛電子 這這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。 自由電子自由電子 +4+4 +4+4+4+4 +4+4 +4+4 +4+4 +4+4 +4+4+4+4 空空 穴穴 當(dāng)當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，束縛電子能量增高，有的電子可以溫度升高或受到光的照射時(shí)，束縛電子能量增高，有的電子可以 掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子自由電子。自由電子產(chǎn)生的。自

3、由電子產(chǎn)生的 同時(shí)，在其原來的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，稱為同時(shí)，在其原來的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，稱為空穴空穴。 2.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 2.2.半導(dǎo)體半導(dǎo)體 l雜質(zhì)元素：磷，雜質(zhì)元素：磷，砷砷 l多子：電子多子：電子 l少子：空穴少子：空穴 lP：施主雜質(zhì)：施主雜質(zhì) (提供電子提供電子) + + + 多數(shù)載流子 少數(shù)載流子 正離子 2.2.1N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在在本征本征Si和和Ge中摻入微量五價(jià)元素后形成的雜質(zhì)半導(dǎo)體。中摻入微量五價(jià)元素后形成的雜質(zhì)半導(dǎo)體。 2.2.半導(dǎo)體半導(dǎo)體 2.2 非本征半導(dǎo)體非本征半導(dǎo)體 +4 +4+4 +4 +4 +4 +4 +4P+5 2.2.半導(dǎo)體

4、半導(dǎo)體 2.2 非本征半導(dǎo)體非本征半導(dǎo)體 2.2.2P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在本征在本征Si和和Ge中摻入微量三價(jià)元素后形成的雜質(zhì)半導(dǎo)體。中摻入微量三價(jià)元素后形成的雜質(zhì)半導(dǎo)體。 - - - 負(fù)離子 多數(shù)載流子 少數(shù)載流子 l雜質(zhì)元素雜質(zhì)元素：硼，銦：硼，銦 l多子：空穴多子：空穴 l少子：電子少子：電子 lP：受主雜質(zhì)：受主雜質(zhì) (提供空穴提供空穴) +4 +4+4 +4 +4 +4 +4 +4B+3 3.PN3.PN結(jié)結(jié) 3.1 結(jié)的種類結(jié)的種類 同質(zhì)結(jié)：相同材料形成的結(jié)同質(zhì)結(jié)：相同材料形成的結(jié)(如不同參雜如不同參雜 的硅片的硅片) 異質(zhì)結(jié)：不同材料形異質(zhì)結(jié)：不同材料形 成的結(jié)成的結(jié) 半導(dǎo)體異質(zhì)

5、結(jié)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)(兩種半導(dǎo)兩種半導(dǎo) 體材料之間組成的結(jié)體材料之間組成的結(jié)) 半導(dǎo)體半導(dǎo)體-非半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)非半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié) (肖特基勢(shì)壘結(jié)、肖特基勢(shì)壘結(jié)、MOS、 MIS) 結(jié)結(jié) + + + - - - 多數(shù)載多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 建立內(nèi)電場(chǎng)建立內(nèi)電場(chǎng) P區(qū) N區(qū) 3.PN3.PN結(jié)結(jié) 少數(shù)載少數(shù)載流子流子的漂移運(yùn)動(dòng)的漂移運(yùn)動(dòng) 多多子擴(kuò)散子擴(kuò)散 空間電荷區(qū)加寬內(nèi)空間電荷區(qū)加寬內(nèi) 電場(chǎng)電場(chǎng)EIN增強(qiáng)增強(qiáng) 少子漂移少子漂移 促使促使 阻止阻止 空間電荷區(qū)變窄內(nèi)空間電荷區(qū)變窄內(nèi) 電場(chǎng)電場(chǎng)EIN削弱削弱 3.2 PN結(jié)的形成結(jié)的形成 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移 運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平

6、衡，交界面形成衡，交界面形成 穩(wěn)定的空間電荷穩(wěn)定的空間電荷 區(qū)，即區(qū)，即PN結(jié)。結(jié)。 3.PN3.PN結(jié)結(jié) 3.3 能帶圖和光伏效應(yīng)能帶圖和光伏效應(yīng) 3.3.1基本概念基本概念 能級(jí)：電位能的級(jí)別。能級(jí)：電位能的級(jí)別。 能帶：大量的能級(jí)形成能帶。能帶：大量的能級(jí)形成能帶。 價(jià)帶：在絕對(duì)零度下能被電子占滿的最高能帶，全充滿的價(jià)帶：在絕對(duì)零度下能被電子占滿的最高能帶，全充滿的 能帶中的電子不能再固體中自由運(yùn)動(dòng)。能帶中的電子不能再固體中自由運(yùn)動(dòng)。 導(dǎo)帶：自由電子形成的能量空間。即固體結(jié)構(gòu)內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)導(dǎo)帶：自由電子形成的能量空間。即固體結(jié)構(gòu)內(nèi)自由運(yùn)動(dòng) 的電子所具有的能量范圍。的電子所具有的能量范圍。 費(fèi)

7、米能級(jí)：該能級(jí)上的一個(gè)狀態(tài)被電子占據(jù)的幾率為費(fèi)米能級(jí)：該能級(jí)上的一個(gè)狀態(tài)被電子占據(jù)的幾率為1/2， 用來衡量系統(tǒng)能級(jí)的水平。用來衡量系統(tǒng)能級(jí)的水平。 3.PN3.PN結(jié)結(jié) 3.3 能帶圖和光伏效應(yīng)能帶圖和光伏效應(yīng) 3.3.2費(fèi)米原理和費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米原理和費(fèi)米能級(jí) 一般而言，電子占據(jù)各個(gè)能級(jí)的幾率是不等的。占據(jù)低能一般而言，電子占據(jù)各個(gè)能級(jí)的幾率是不等的。占據(jù)低能 級(jí)的電子多而占據(jù)高能級(jí)的電子少。統(tǒng)計(jì)物理學(xué)指出，電級(jí)的電子多而占據(jù)高能級(jí)的電子少。統(tǒng)計(jì)物理學(xué)指出，電 子占據(jù)能級(jí)的幾率遵循費(fèi)米統(tǒng)計(jì)規(guī)律：在熱平衡狀態(tài)下，子占據(jù)能級(jí)的幾率遵循費(fèi)米統(tǒng)計(jì)規(guī)律：在熱平衡狀態(tài)下， 能量為能量為E的能級(jí)被一個(gè)電子占

8、據(jù)的幾率為：的能級(jí)被一個(gè)電子占據(jù)的幾率為： f(E)稱為電子的費(fèi)米分布函數(shù)，稱為電子的費(fèi)米分布函數(shù)，k、T分別為玻爾茲曼常數(shù)分別為玻爾茲曼常數(shù) 和絕對(duì)溫度，和絕對(duì)溫度，EF稱為費(fèi)米能級(jí)。稱為費(fèi)米能級(jí)。 只要知道只要知道EF的數(shù)值，在一定溫度下，電子在各量子態(tài)上的的數(shù)值，在一定溫度下，電子在各量子態(tài)上的 統(tǒng)計(jì)分布就完全確定了。統(tǒng)計(jì)分布就完全確定了。 在一定的溫度下，費(fèi)米能級(jí)附近的部分能量小于在一定的溫度下，費(fèi)米能級(jí)附近的部分能量小于EF的電子的電子 會(huì)被激發(fā)到會(huì)被激發(fā)到EF以上，溫度越高，被激發(fā)的概率越大。以上，溫度越高，被激發(fā)的概率越大。 3.PN3.PN結(jié)結(jié) 3.3 能帶圖和光伏效應(yīng)能帶圖和

9、光伏效應(yīng) 3.3.2費(fèi)米原理和費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米原理和費(fèi)米能級(jí) 當(dāng)當(dāng)E-EF5kT時(shí)，時(shí)，f(E)0.007 當(dāng)當(dāng)E-EF-5kT時(shí)，時(shí)，f(E)0.993 k1.38 x 10-23J/K 在參雜半導(dǎo)體中，如果是在參雜半導(dǎo)體中，如果是N型半型半 導(dǎo)體，由于電子占據(jù)導(dǎo)帶的幾率導(dǎo)體，由于電子占據(jù)導(dǎo)帶的幾率 較大，則較大，則EF的位置上移靠近導(dǎo)帶的位置上移靠近導(dǎo)帶 底，如果是底，如果是P型半導(dǎo)體，型半導(dǎo)體，EF下移下移 靠近價(jià)帶頂。靠近價(jià)帶頂。 參雜很重時(shí)，參雜很重時(shí)，EF可以進(jìn)入導(dǎo)帶和可以進(jìn)入導(dǎo)帶和 價(jià)帶。價(jià)帶。 3.PN3.PN結(jié)結(jié) 3.3 能帶圖和光伏效應(yīng)能帶圖和光伏效應(yīng) 3.3.3能帶圖能帶圖

10、3.PN3.PN結(jié)結(jié) I Rs RLRsh IL VIF 電池工作時(shí)共有三股電流：光電池工作時(shí)共有三股電流：光 生電流生電流IL， ，在光生電壓 在光生電壓V作用作用 下的下的pn結(jié)正向電流結(jié)正向電流IF，流經(jīng)外，流經(jīng)外 電路的電流電路的電流I， IL和和IF都流經(jīng)都流經(jīng) pn結(jié)內(nèi)部，方向相反。結(jié)內(nèi)部，方向相反。 根據(jù)根據(jù)pn結(jié)整流方程，在正結(jié)整流方程，在正 向偏壓向偏壓V作用下，流過結(jié)的作用下，流過結(jié)的 正向電流為正向電流為 IF= Isexp(qV/koT)-1 電池與負(fù)載聯(lián)通，流過負(fù)載電池與負(fù)載聯(lián)通，流過負(fù)載 的電流為的電流為 I=IL-IF=IL- Isexp(qV/koT)-1 由上

11、式可得由上式可得 V=(koT/q)ln(IL-I)/IS+1 3.4 等效電路圖等效電路圖 3.PN3.PN結(jié)結(jié) 合金結(jié)：熔化合金合金結(jié)：熔化合金 再結(jié)晶（雜質(zhì)分凝）再結(jié)晶（雜質(zhì)分凝） 形成形成p-n結(jié)。結(jié)。 生長結(jié)生長結(jié) ：拉制單晶；：拉制單晶；CVD；MBE。生長晶體時(shí)改變摻雜型號(hào)。生長晶體時(shí)改變摻雜型號(hào). 擴(kuò)散擴(kuò)散或離子注入結(jié)：在襯底中摻入反型雜質(zhì)（雜質(zhì)補(bǔ)償）?；螂x子注入結(jié)：在襯底中摻入反型雜質(zhì)（雜質(zhì)補(bǔ)償）。 高溫?cái)U(kuò)散的概念：擴(kuò)散機(jī)理有替位式擴(kuò)散（例如硼、磷等在高溫?cái)U(kuò)散的概念：擴(kuò)散機(jī)理有替位式擴(kuò)散（例如硼、磷等在Si中的中的 擴(kuò)散）擴(kuò)散）和間隙式擴(kuò)散（如金在和間隙式擴(kuò)散（如金在Si中的

12、擴(kuò)散）。中的擴(kuò)散）。雜質(zhì)替位式擴(kuò)散的速雜質(zhì)替位式擴(kuò)散的速 度慢，擴(kuò)散溫度高（度慢，擴(kuò)散溫度高（800 oC1200 oC），），間隙式擴(kuò)散的速度很快間隙式擴(kuò)散的速度很快 （在（在1000 oC下下10分鐘就可擴(kuò)散分鐘就可擴(kuò)散200 300 m的深度），擴(kuò)散溫度較的深度），擴(kuò)散溫度較 低一些低一些800 oC1050 oC）。）。 替位式擴(kuò)散替位式擴(kuò)散間隙式擴(kuò)散間隙式擴(kuò)散 3.5 制備方法制備方法 4.4.擴(kuò)散擴(kuò)散 假定在無對(duì)流液體（或氣體）稀釋溶液中，按一維流動(dòng)形假定在無對(duì)流液體（或氣體）稀釋溶液中，按一維流動(dòng)形 式，每單位面積內(nèi)的溶質(zhì)傳輸可由如下方程描述：式，每單位面積內(nèi)的溶質(zhì)傳輸可由如下方

13、程描述： (1) 式中式中J是單位面積溶質(zhì)的傳輸速率（或擴(kuò)散通量），是單位面積溶質(zhì)的傳輸速率（或擴(kuò)散通量），N是是 溶質(zhì)的濃度，假定它僅僅是溶質(zhì)的濃度，假定它僅僅是x和和t的函數(shù)，的函數(shù)，x是溶質(zhì)流動(dòng)方是溶質(zhì)流動(dòng)方 向的坐標(biāo)，向的坐標(biāo)，t是擴(kuò)散時(shí)間，是擴(kuò)散時(shí)間，D是擴(kuò)散系數(shù)。是擴(kuò)散系數(shù)。(1)式稱為式稱為Fick 擴(kuò)散第一定律。它表明物質(zhì)按溶質(zhì)濃度減少的方向（梯度擴(kuò)散第一定律。它表明物質(zhì)按溶質(zhì)濃度減少的方向（梯度 的負(fù)方向）流動(dòng)。的負(fù)方向）流動(dòng)。 根據(jù)質(zhì)量守恒定律，溶質(zhì)濃度隨時(shí)間的變化必須與擴(kuò)散通根據(jù)質(zhì)量守恒定律，溶質(zhì)濃度隨時(shí)間的變化必須與擴(kuò)散通 量隨位置的變化一樣，即：量隨位置的變化一樣，即

14、： (2) 4.1 擴(kuò)散定律擴(kuò)散定律 4.4.擴(kuò)散擴(kuò)散 將將(1)式帶入式帶入(2)式，得到一維形式的式，得到一維形式的Fick第二定律：第二定律： (3) 溶質(zhì)濃度不高時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)可以認(rèn)為是常數(shù)，溶質(zhì)濃度不高時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)可以認(rèn)為是常數(shù)，(3)式便成式便成 為：為： (4) 上式稱為簡單的上式稱為簡單的Fick擴(kuò)散方程。擴(kuò)散方程。 4.1 擴(kuò)散定律擴(kuò)散定律 4.4.擴(kuò)散擴(kuò)散 4.2.1恒定表面濃度擴(kuò)散恒定表面濃度擴(kuò)散 雜質(zhì)原子由氣態(tài)源傳送到半導(dǎo)體表面，然后擴(kuò)散進(jìn)入半導(dǎo)雜質(zhì)原子由氣態(tài)源傳送到半導(dǎo)體表面，然后擴(kuò)散進(jìn)入半導(dǎo) 體硅晶片，在擴(kuò)散期間，氣態(tài)源維持恒定的表面濃度。體硅晶片，在擴(kuò)散期間，氣態(tài)源

15、維持恒定的表面濃度。 初始條件：初始條件：t=0時(shí)，時(shí)，N(x,0)=0； 邊界條件：邊界條件： N(0,t)=Ns ， N( ,t)=0； 解擴(kuò)散方程，得解擴(kuò)散方程，得 余誤差分布余誤差分布 4.2 擴(kuò)散方式擴(kuò)散方式 4.4.擴(kuò)散擴(kuò)散 式中，式中， 特征擴(kuò)散長度（特征擴(kuò)散長度（um)； Ns= NSi(雜質(zhì)在雜質(zhì)在Si中的固溶度中的固溶度)； erf(x)誤差函數(shù)（誤差函數(shù)（error function); erfc(x)余誤差函數(shù)余誤差函數(shù)(complementary error function )； 4.2 擴(kuò)散方式擴(kuò)散方式 4.4.擴(kuò)散擴(kuò)散 4.2.2恒定摻雜總量擴(kuò)散恒定摻雜總量擴(kuò)散

16、 在擴(kuò)散過程中，雜質(zhì)源限定于擴(kuò)散前淀積在晶片表面極薄在擴(kuò)散過程中，雜質(zhì)源限定于擴(kuò)散前淀積在晶片表面極薄 層內(nèi)的雜質(zhì)總量層內(nèi)的雜質(zhì)總量Q，硅片內(nèi)的雜質(zhì)量保持不變，沒有外來，硅片內(nèi)的雜質(zhì)量保持不變，沒有外來 雜質(zhì)補(bǔ)充，也不會(huì)減少。雜質(zhì)補(bǔ)充，也不會(huì)減少。 初始條件：初始條件：(假設(shè)擴(kuò)散開始時(shí)，雜質(zhì)總量均勻分布在厚度假設(shè)擴(kuò)散開始時(shí)，雜質(zhì)總量均勻分布在厚度 為為的薄層內(nèi)的薄層內(nèi)) N(x,0)= Q/=Ns,0 x；N(x,0)=0,x； 邊界條件：邊界條件：N(,t)=0； 解擴(kuò)散方程，得解擴(kuò)散方程，得 高斯分布高斯分布 4.2 擴(kuò)散方式擴(kuò)散方式 4.4.擴(kuò)散擴(kuò)散 式中式中 為表面濃度。為表面濃度。

17、結(jié)深為結(jié)深為 2/1 )(ln2 B S j N N Dtx 4.2 擴(kuò)散方式擴(kuò)散方式 4.4.擴(kuò)散擴(kuò)散 4.2.3兩步擴(kuò)散兩步擴(kuò)散 1、預(yù)擴(kuò)散或預(yù)沉積，采用恒定表面源擴(kuò)散方式。且溫度、預(yù)擴(kuò)散或預(yù)沉積，采用恒定表面源擴(kuò)散方式。且溫度 低、時(shí)間短，因而擴(kuò)散的很淺，可以認(rèn)為雜質(zhì)沉積在一薄低、時(shí)間短，因而擴(kuò)散的很淺，可以認(rèn)為雜質(zhì)沉積在一薄 層上。目的是為了控制雜質(zhì)總量，雜質(zhì)按余誤差函數(shù)分布。層上。目的是為了控制雜質(zhì)總量，雜質(zhì)按余誤差函數(shù)分布。 4.2 擴(kuò)散方式擴(kuò)散方式 2、主擴(kuò)散或再分、主擴(kuò)散或再分 布，是將由預(yù)擴(kuò)散布，是將由預(yù)擴(kuò)散 引入的雜質(zhì)作為擴(kuò)引入的雜質(zhì)作為擴(kuò) 散源，在高溫條件散源，在高溫條件

18、 下進(jìn)行擴(kuò)散。目的下進(jìn)行擴(kuò)散。目的 是為了控制表面濃是為了控制表面濃 度和擴(kuò)散深度，雜度和擴(kuò)散深度，雜 質(zhì)按高斯函數(shù)形式質(zhì)按高斯函數(shù)形式 分布。分布。 4.4.擴(kuò)散擴(kuò)散 4.3.1結(jié)深結(jié)深 p-n結(jié)所在的幾何位置，即擴(kuò)散雜質(zhì)濃度與襯底雜質(zhì)濃度結(jié)所在的幾何位置，即擴(kuò)散雜質(zhì)濃度與襯底雜質(zhì)濃度 相等的位置到硅片表面的距離，用相等的位置到硅片表面的距離，用xj標(biāo)示。標(biāo)示。 4.3 擴(kuò)散參數(shù)擴(kuò)散參數(shù) 4.3.2擴(kuò)散層方塊電阻擴(kuò)散層方塊電阻 它表示正方形的擴(kuò)散薄層在電流方向上所呈現(xiàn)出來的電阻。它表示正方形的擴(kuò)散薄層在電流方向上所呈現(xiàn)出來的電阻。 由電阻公式由電阻公式 R=L/S 可知，當(dāng)薄層中雜質(zhì)均勻分布

19、時(shí)，薄層電阻表達(dá)式可以寫可知，當(dāng)薄層中雜質(zhì)均勻分布時(shí)，薄層電阻表達(dá)式可以寫 成：成： Rs= L/xjL= /xj=1/xj 由上式可知，薄層電阻的大小與平均電導(dǎo)率成反比，與薄由上式可知，薄層電阻的大小與平均電導(dǎo)率成反比，與薄 層厚度成反比。層厚度成反比。 4.4.擴(kuò)散擴(kuò)散 當(dāng)薄層中雜質(zhì)分布不均時(shí)，當(dāng)薄層中雜質(zhì)分布不均時(shí)， 是不均勻的，計(jì)算公式如下：是不均勻的，計(jì)算公式如下： 4.3 擴(kuò)散參數(shù)擴(kuò)散參數(shù) 實(shí)驗(yàn)室或生產(chǎn)過程中，可以通過四探針測(cè)試儀測(cè)試方塊電實(shí)驗(yàn)室或生產(chǎn)過程中，可以通過四探針測(cè)試儀測(cè)試方塊電 阻。阻。 右圖為四探針測(cè)試儀示意圖，外面右圖為四探針測(cè)試儀示意圖，外面 兩根探針施加恒定電流

20、，中間兩根兩根探針施加恒定電流，中間兩根 探針測(cè)試電位差，電壓電流之比再探針測(cè)試電位差，電壓電流之比再 乘以一個(gè)系數(shù)即可得到方塊電阻數(shù)乘以一個(gè)系數(shù)即可得到方塊電阻數(shù) 值，公式如下：值，公式如下： Rs=kV/I k為常數(shù)。為常數(shù)。 串并聯(lián)電阻串并聯(lián)電阻 方塊電阻方塊電阻 六大控制工藝六大控制工藝四大特征四大特征三個(gè)參數(shù)三個(gè)參數(shù) 清洗清洗 織構(gòu)化織構(gòu)化 擴(kuò)散擴(kuò)散 制備制備SiNx 絲網(wǎng)印刷絲網(wǎng)印刷 燒結(jié)燒結(jié) 測(cè)試測(cè)試 表面鈍化特性表面鈍化特性 結(jié)特性結(jié)特性 電極接觸特性電極接觸特性 減反射特性減反射特性 短路電流短路電流 開路電壓開路電壓 填充因子填充因子 量子響應(yīng)曲線量子響應(yīng)曲線 飽和電流飽和

21、電流 5.5.電池效率的損失電池效率的損失 5.1 太陽能電池的主要控制因素太陽能電池的主要控制因素 5.5.電池效率的損失電池效率的損失 5.2.1光學(xué)損失光學(xué)損失 反射損失反射損失 柵線電極柵線電極 遮光損失遮光損失 措施：表面制絨、減反膜、措施：表面制絨、減反膜、 優(yōu)化頂電極柵線設(shè)計(jì)優(yōu)化頂電極柵線設(shè)計(jì) 內(nèi)量子效率：被電池吸收的每個(gè)光子，在短路電流條件下，內(nèi)量子效率：被電池吸收的每個(gè)光子，在短路電流條件下， 所產(chǎn)生的電子所產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)被空穴對(duì)被PN結(jié)收集的比例。結(jié)收集的比例。 外量子效率：每個(gè)注入的光子所產(chǎn)生的電流，在短路條件外量子效率：每個(gè)注入的光子所產(chǎn)生的電流，在短路條件 下流到

22、外電路的多少。下流到外電路的多少。 5.2 電池效率的損失電池效率的損失 內(nèi)量子效率一般要高于內(nèi)量子效率一般要高于 外量子效率。外量子效率。 5.5.電池效率的損失電池效率的損失 輻射復(fù)合：吸收的反過程。在半導(dǎo)體激光輻射復(fù)合：吸收的反過程。在半導(dǎo)體激光 器和發(fā)光二極管中適用，對(duì)硅太陽能電池器和發(fā)光二極管中適用，對(duì)硅太陽能電池 來說不顯著。來說不顯著。 俄歇復(fù)合：電子和空穴復(fù)合釋放多余的能俄歇復(fù)合：電子和空穴復(fù)合釋放多余的能 量，這些多余的能量被另一個(gè)電子吸收，量，這些多余的能量被另一個(gè)電子吸收， 該電子弛豫返回原來的能態(tài)并釋放聲子。該電子弛豫返回原來的能態(tài)并釋放聲子。 通過陷阱復(fù)合：當(dāng)半導(dǎo)體的

23、雜質(zhì)或表面的通過陷阱復(fù)合：當(dāng)半導(dǎo)體的雜質(zhì)或表面的 界面陷阱在禁帶間隙中產(chǎn)生允許的能級(jí)時(shí)，界面陷阱在禁帶間隙中產(chǎn)生允許的能級(jí)時(shí)， 這個(gè)復(fù)合就能發(fā)生。電子分兩個(gè)階段完成這個(gè)復(fù)合就能發(fā)生。電子分兩個(gè)階段完成 與空穴的復(fù)合，首先電子躍遷到缺陷能級(jí)，與空穴的復(fù)合，首先電子躍遷到缺陷能級(jí)， 然后再躍遷到價(jià)帶。然后再躍遷到價(jià)帶。 5.2.2載流子載流子 的復(fù)合的復(fù)合 5.2 電池效率的損失電池效率的損失 5.5.電池效率的損失電池效率的損失 5.2.3溫度效應(yīng)溫度效應(yīng) 對(duì)半導(dǎo)體而言，對(duì)半導(dǎo)體而言， 禁帶寬度的溫度禁帶寬度的溫度 系數(shù)一般為負(fù)。系數(shù)一般為負(fù)。 隨著溫度上升，隨著溫度上升， 帶隙變窄，增強(qiáng)帶隙變

24、窄，增強(qiáng) 電池對(duì)光的吸收電池對(duì)光的吸收 而使而使Isc略微上升；略微上升； 但帶隙變窄會(huì)增但帶隙變窄會(huì)增 大反向飽和電流，大反向飽和電流， 而使而使Voc下降，下降， FF也下降。也下降。 5.2 電池效率的損失電池效率的損失 5.5.電池效率的損失電池效率的損失 5.2.4串并聯(lián)電阻串并聯(lián)電阻 串聯(lián)電阻主要來源于半導(dǎo)體材料的體電阻、電極電阻、載串聯(lián)電阻主要來源于半導(dǎo)體材料的體電阻、電極電阻、載 流子在頂部擴(kuò)散層的運(yùn)輸，以及金屬和半導(dǎo)體材料之間的流子在頂部擴(kuò)散層的運(yùn)輸，以及金屬和半導(dǎo)體材料之間的 接觸電阻。接觸電阻。 并聯(lián)電阻主要由復(fù)合及漏電造成的。并聯(lián)電阻主要由復(fù)合及漏電造成的。 5.2 電

25、池效率的損失電池效率的損失 5.5.電池效率的損失電池效率的損失 少子濃度減小到原來的少子濃度減小到原來的1/e所經(jīng)歷的時(shí)間。所經(jīng)歷的時(shí)間。us數(shù)量級(jí)。數(shù)量級(jí)。 多晶硅中存在大量的微缺陷和較多的銅、鐵、鎳、錳、鈦多晶硅中存在大量的微缺陷和較多的銅、鐵、鎳、錳、鈦 等金屬雜質(zhì)，由于這些微缺陷和金屬雜質(zhì)形成了一些深能等金屬雜質(zhì)，由于這些微缺陷和金屬雜質(zhì)形成了一些深能 級(jí)，并成為光生少數(shù)載流子的復(fù)合中心。級(jí)，并成為光生少數(shù)載流子的復(fù)合中心。 實(shí)際生產(chǎn)中測(cè)得的是體復(fù)合和表面復(fù)合共同作用的少子壽實(shí)際生產(chǎn)中測(cè)得的是體復(fù)合和表面復(fù)合共同作用的少子壽 命，公式如下：命，公式如下： 影響因素：影響因素： 雜質(zhì)雜

26、質(zhì) 電阻率電阻率 溫度溫度(一般情況下一般情況下 ，少子壽命隨著溫度的上升先降后升，少子壽命隨著溫度的上升先降后升) 表面狀態(tài)表面狀態(tài) 硅片厚度硅片厚度 5.3 少子壽命少子壽命 5.5.電池效率的損失電池效率的損失 5.3 少子壽命少子壽命 5.5.電池效率的損失電池效率的損失 措施措施1： 吸雜吸雜 措施措施2： 生長生長SiNx膜膜 生長生長SiNx膜后少子壽命有明顯提高，這主要是由于生長過膜后少子壽命有明顯提高，這主要是由于生長過 程中活潑的富氫集團(tuán)向多晶硅體內(nèi)擴(kuò)散，與缺陷或晶界等程中活潑的富氫集團(tuán)向多晶硅體內(nèi)擴(kuò)散，與缺陷或晶界等 符合中心結(jié)合，在表面則與表面復(fù)合中心如位錯(cuò)和懸掛鍵符合

27、中心結(jié)合，在表面則與表面復(fù)合中心如位錯(cuò)和懸掛鍵 結(jié)合，形成體內(nèi)與表面雙重氫鈍化效果，大大提高了多晶結(jié)合，形成體內(nèi)與表面雙重氫鈍化效果，大大提高了多晶 硅的少子壽命。硅的少子壽命。 改善措施改善措施 5.3 少子壽命少子壽命 6.6.擴(kuò)散與柵線設(shè)計(jì)擴(kuò)散與柵線設(shè)計(jì) 頂電極柵線設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過優(yōu)化電流收集來減少由于內(nèi)部頂電極柵線設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過優(yōu)化電流收集來減少由于內(nèi)部 電阻和電池遮光而產(chǎn)生的效率損失。電阻和電池遮光而產(chǎn)生的效率損失。 6.1.1電阻的影響電阻的影響 6.1 擴(kuò)散與頂電極柵線設(shè)計(jì)擴(kuò)散與頂電極柵線設(shè)計(jì) 薄層電阻的重要性之一，在于他薄層電阻的重要性之一，在于他 決定了定電極柵線之間的理想間決

28、定了定電極柵線之間的理想間 隔，圖中隔，圖中dy區(qū)域造成的功率損失區(qū)域造成的功率損失 由由dP=I2dR求得，求得，dR=dy/b， I(y)是橫向電流。在均勻的光照是橫向電流。在均勻的光照 下，下，I(y)在兩條柵線的正中間為在兩條柵線的正中間為 零，并且向兩側(cè)柵線方向線性增零，并且向兩側(cè)柵線方向線性增 加，在柵線處達(dá)到最大。因而加，在柵線處達(dá)到最大。因而 I(y)又等于又等于Jdy，J為電流密度。為電流密度。 所以總的功率損失為所以總的功率損失為 6.6.擴(kuò)散與柵線設(shè)計(jì)擴(kuò)散與柵線設(shè)計(jì) 其中，其中，s是兩條柵線的間隔距離。是兩條柵線的間隔距離。 在最大功率點(diǎn)，產(chǎn)生的功率為在最大功率點(diǎn)，產(chǎn)生的

29、功率為 所以功率損耗百分比為所以功率損耗百分比為 因此，頂電極柵線的最小間距可以由計(jì)算得出。例如，如因此，頂電極柵線的最小間距可以由計(jì)算得出。例如，如 果一個(gè)典型的硅太陽能電池的果一個(gè)典型的硅太陽能電池的=40/，Jmp=30mA/cm2， Vmp=450mV，那么要使因橫向電阻影響而引起的功率損，那么要使因橫向電阻影響而引起的功率損 失小于失小于4%，必須使，必須使s4mm。 6.1 擴(kuò)散與頂電極柵線設(shè)計(jì)擴(kuò)散與頂電極柵線設(shè)計(jì) 6.6.擴(kuò)散與柵線設(shè)計(jì)擴(kuò)散與柵線設(shè)計(jì) 6.1.2柵線的影響柵線的影響 柵線的影響柵線的影響 柵線遮光面積柵線遮光面積 柵線電阻柵線電阻 接觸電阻接觸電阻 滿足柵線設(shè)計(jì)最

30、優(yōu)化從以滿足柵線設(shè)計(jì)最優(yōu)化從以 下三方面考慮下三方面考慮 柵線電阻損失等于柵線遮柵線電阻損失等于柵線遮 光損失時(shí)，柵線寬度最佳。光損失時(shí)，柵線寬度最佳。 漸變的柵線寬度設(shè)計(jì)優(yōu)于漸變的柵線寬度設(shè)計(jì)優(yōu)于 固定柵線寬度設(shè)計(jì)。固定柵線寬度設(shè)計(jì)。 副柵寬度和間距越小，效副柵寬度和間距越小，效 率損失越小。率損失越小。 6.1 擴(kuò)散與頂電極柵線設(shè)計(jì)擴(kuò)散與頂電極柵線設(shè)計(jì) 7.7.擴(kuò)散與燒結(jié)擴(kuò)散與燒結(jié) 1. 有機(jī)物揮發(fā)階段有機(jī)物揮發(fā)階段 2. 燃燒有機(jī)物及升溫階段燃燒有機(jī)物及升溫階段 3. 峰值溫度區(qū)間，形成合金電極峰值溫度區(qū)間，形成合金電極 4. 降溫階段降溫階段 1234 燒結(jié)溫度曲線燒結(jié)溫度曲線 7.1 燒結(jié)溫度曲線燒結(jié)溫度曲線 7.7.擴(kuò)散與燒結(jié)擴(kuò)散與燒結(jié) 有機(jī)溶劑揮 發(fā) 形成AgO殼 玻璃料穿透 SiN層 PbO+SiPb+SiO2 玻璃料腐蝕 硅并析出 AgO與硅反 應(yīng)并析出 Ag2O+SiPb+SiO2 液態(tài)Pb與Ag 形成液態(tài)Pb- Ag相 液態(tài)Pb-Ag相 腐蝕硅(100)面 冷卻時(shí)Ag在 硅(111)面結(jié)晶 從從Ag-Si相圖看相圖看：兩：兩者形成合者形成合 金的最小溫度為金的最小溫度為830度，比例度，比例 為為：Ag