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文檔簡介
1、一、基本結構二、制作太陽電池的基本流程三、模組化技術 四、薄膜型微晶硅太陽電池1晶體硅太陽電池第1頁/共65頁 太陽能之應用系統(tǒng)的最基本單位是太陽電池(cell)。 一般來說,一個單一的晶體硅電池輸出電壓在0.5V左右,而其最大輸出功率則與太陽電池效率和表面積有關。 如,一個接受光面積約為100cm2 ,效率為15%的太陽電池的最大輸出功率僅為1.5W左右。2一、太陽電池基本結構 第2頁/共65頁 為達到一般應用要求,必須將許多太陽電池串聯(lián)及并聯(lián)在一起,形成所謂的模組(module)。 并聯(lián)的目的是為了增加輸出功率,串聯(lián)的目的在于提高輸出電壓,進一步的串聯(lián)或并聯(lián)則可形成陣列安排(array)。
2、3第3頁/共65頁4電池(電池(cell);模組();模組(module);陣列();陣列(array) 第4頁/共65頁 在一把的太陽電池應用系統(tǒng)上,還包括蓄電池(storage battery)、功率調(diào)節(jié)器(power conditioner)和安裝固定結構(mounting structures)等周邊設施,統(tǒng)稱為平衡系統(tǒng)(balance of system)。 隨材料和制造技術不同,太陽電池的架構會有不同變化,但最基本的結構可分為基板、PN二極管、抗反射層、表面粗糙結構化和金屬電極等五個主要部分。 5第5頁/共65頁6基本的晶體硅太陽電池結構基本的晶體硅太陽電池結構 第6頁/共65頁為
3、達到最佳的轉換效率,主要考慮的因素有: 減低太陽光的表面反射; 減低任何形式的載流子再結合(carrier recombination); 金屬電極接觸最優(yōu)化。 7第7頁/共65頁 在晶體硅太陽電池中,以單晶硅能達到的能量轉換效率最高。要達到最優(yōu)的能量轉換效率,所使用的基板的品質最為關鍵,這里的品質指基板應具有很好的結晶完美性、最低的雜質污染等。 就品質的完美性而言,所有的結晶硅中以FZ硅片(Float Zone Silicon)最佳,而CZ硅片次之。在低成本的要求下,多晶硅片(multicrystalline)甚至比單晶硅更為廣泛使用。多晶硅片中的內(nèi)部缺陷,例如晶界(grain bounda
4、ries)及差排(dislocation),使得能量轉換效率不如CZ單晶硅片。 81 基板 第8頁/共65頁 少數(shù)載流子的壽命是影響能量轉換效率的重要因素之一。而晶體硅中少數(shù)載流子的壽命主要受金屬雜質的影響,金屬雜質越高,壽命越短,能量轉換效率越低。除了起始基板本身的金屬雜質外,太陽電池的高溫制備過程中也會引入雜質。 除了嚴格控制制備過程以去除雜質污染外,另一重要技術是引入去疵技術(Gettering technology),去降低金屬雜質對少數(shù)載流子壽命的影響。 此外,利用氫氣鈍化處理(passivation),也是提高能量轉換效率的有效方法。 9第9頁/共65頁 最常用的晶體硅基板,是P型
5、摻雜,即添加硼(Boron)。當然,N型晶體硅也可以被用來當作基板,只不過現(xiàn)有的太陽電池技術大多采用P型硅而設計。 使用電阻率較低的晶體硅基板,會降低太陽電池的串聯(lián)電阻(series resistance)而導致的能量損耗,目前工業(yè)界常用的晶體硅基板的電阻率為0.530ohmcm。 晶體硅基板的厚度也會影響太陽電池的效率。 10第10頁/共65頁11晶體硅基板的厚度與太陽電池效率的關系晶體硅基板的厚度與太陽電池效率的關系(Ld為擴散長度)為擴散長度) 第11頁/共65頁 由于硅具有很高的反射系數(shù)(reflection index),它對太陽光的反射程度在長波區(qū)域(1100nm)可達到54%,在
6、短波長區(qū)域(400nm),可達到34%。因此將晶體硅基板表面做粗糙化處理的目的,在于降低太陽光自表面反射損失的幾率,進而提高電池的效率。 所謂的粗糙化,是將電池的表面,蝕刻成金字塔(pyramid)或角錐狀的形狀,這使得太陽入射光至少要經(jīng)過兩次以上的表面反射,因此降低了來自表面反射損失的太陽光比例。 122 表面結構粗糙化(Texturing) 第12頁/共65頁13利用表面的粗糙結構可以降低光線的反射程度原理圖利用表面的粗糙結構可以降低光線的反射程度原理圖 第13頁/共65頁 逆金字塔(倒金字塔)狀的凹槽,一般是利用NaOH或KOH堿性液對硅晶體表面進行蝕刻。 蝕刻反應的速度與晶面方向有關(
7、antisotropical),以硅而言,(111)面的反應速度最慢,所以會被蝕刻出逆金字塔狀的凹槽。 此形狀的凹槽具有最佳的光封存效果,被廣泛使用在太陽電池的制造流程上,成為基本的制造步驟之一。 14第14頁/共65頁15利用利用NaOH或或KOH的堿性蝕刻液,產(chǎn)生出的逆金字塔狀凹槽的堿性蝕刻液,產(chǎn)生出的逆金字塔狀凹槽 第15頁/共65頁 PN二極體是光伏效應的來源,由高溫擴散產(chǎn)生。在P型晶體硅基板上做N型擴散,或是在N型基板上做P型擴散而產(chǎn)生的。 一般的N型擴散只有約0.5m左右的厚度,而且是在基板做完粗糙化處理后才進行的。 163 P-N二極體 第16頁/共65頁 除了將晶體硅表面做粗糙
8、織構化之外,在表面涂布抗反射層是降低反射損失的另一有效方式,即在硅晶體表面涂布一層低折射系數(shù)的透明材料。 常用TiO2、SiN、SiO、Al2O3、SiO2、CeO2等。折射率為硅折射率的平方根最好,厚度d=n/4最好,反射的情況可被降至最低。 174 抗反射層(Antireflection Coating) 第17頁/共65頁 在太陽電池中,金屬接觸必須被用來取出產(chǎn)生光電的載流子,而且這種作用必須是選擇性的,即只允許一種形態(tài)的載流子由硅表面流向金屬,但阻止另外一種形態(tài)的載流子流通。 如果直接將硅及金屬接觸在一起,并不具有這種選擇性流通的目的。為達到選擇性目的,一般的做法是在金屬電極下方先制造
9、出一個N+的區(qū)域以取出電子,或制造出一個P+的區(qū)域以取出空穴。185 金屬電極(下次課會詳細講到) 第18頁/共65頁 在這樣的結構中,多數(shù)載流子可以順利地由硅表面流到金屬,不會有太大的電壓損失;而由于重摻雜區(qū)域的影響,少數(shù)載流子的濃度已被降到最低,因此產(chǎn)生的流通自然被被抑制到最小的程度。 在金屬電極的劃分上,接收少數(shù)載流子的電極通常都放在正面,也就是受光的那一面,位于金屬電極下方的重摻區(qū)域,被稱為發(fā)射區(qū)(emitter)。硅基板背面則通常全部涂上一層所謂的back surface field(BSF)金屬層。 19第19頁/共65頁20第20頁/共65頁 一般而言,太陽電池的正面與背面,都有
10、兩道較寬的白色垂直線,稱為Bus Bar,提供與外界電路的焊接。 在正面的條狀金屬電極,還會往側邊伸展出一系列很細的金屬手指(finger),一般稱為格子線gridlines。 格子線的設計,除了要能夠有效收集載流子外,還必須降低金屬線遮蔽入射光的比例。格子線的寬度一般在50m以下,Bus bar的寬度約在0.5mm左右。 一般而言,正面的金屬線會遮掉35%的入射光面積。金屬電極材料一般為鋁或銀合金。21第21頁/共65頁 成本與效率的綜合平衡考慮。 如使用埋入式的電極(buried contact)雖比網(wǎng)?。╯creen printing)方式的電極,更能提高太陽電池的平均效率,但因為制造成
11、本較高,所以并未被廣泛使用。 22二、太陽電池之制造流程 第22頁/共65頁23基本的太陽電池制造流程示意圖基本的太陽電池制造流程示意圖 第23頁/共65頁 首先是利用NaOH的方向性蝕刻,在硅基板上產(chǎn)生逆金字塔狀凹槽。NaOH須與異丙基醇IPA(isopropyl alcohol)混合在一起。IPA的作用在于濕化硅基板表面,以獲得更均勻的蝕刻效果(表面活性劑)。 利用方向性蝕刻的方法來產(chǎn)生逆金字塔狀凹槽的技術,在單晶硅上得到最佳的效果。雖然也可用在多晶硅上,但所得到的凹槽效果比單晶硅要差許多,這也是多晶硅電池效率比單晶硅低的原因之一。241 表面結構粗糙化(Texturization) 第2
12、4頁/共65頁25Scanning electron microscope photograph of a textured multicrystalline silicon surface 第25頁/共65頁26第26頁/共65頁 這是因為多晶硅表面存在著許多不同方向性的晶粒,這些晶粒的蝕刻速率快慢不一,不像(100)單晶硅的均勻蝕刻效果。 為解決此問題,也有人采用機械切割的方式來制造出V型凹槽,接著用堿蝕刻來去除因機械加工所造成的表面損傷層。一般的V型凹槽的深度為50m左右。 27第27頁/共65頁28利用機械切割方式制造出的利用機械切割方式制造出的V型凹槽,可以降低多晶硅電池的表面反射程
13、度型凹槽,可以降低多晶硅電池的表面反射程度 第28頁/共65頁 完成表面粗糙織構化之后,硅基板要利用高溫擴散來形成P-N二極管。由于一般的太陽電池是使用P型硅片做基板,所以后續(xù)使用磷擴散來形成P-N二極管。由于為高溫操作,對金屬離子的污染必須注意。 依據(jù)所使用的擴散爐管的類型,擴散工藝可分為: (1)石英爐管 (2)傳輸帶式爐管(Belt furnace) 292 磷擴散制作(Phosphorous Diffusion) 第29頁/共65頁30(1)石英爐管 石英管擴散爐示意圖石英管擴散爐示意圖 第30頁/共65頁 反應歷程: 后處理: 經(jīng)過擴散爐處理完的硅晶片表面會產(chǎn)生一層二氧化硅,通常必須
14、利用氫氟酸來去除表面的二氧化硅: 特點: 商業(yè)擴散爐為批式流程(bach)。石英擴散爐是比較干凈的方法,在爐管內(nèi)沒有其它金屬暴露在高溫下。31322524POCl +3O =2P O +6Cl2522P O +5Si=2P+6SiO2262SiO +6HF=H SiF +2H O第31頁/共65頁32石英管擴散爐實際照片石英管擴散爐實際照片 第32頁/共65頁33(2)傳輸帶式爐管(Belt furnace) 傳輸帶式爐管示意圖傳輸帶式爐管示意圖 第33頁/共65頁 制作過程: 先將含磷的膏狀化合物(如磷酸)涂抹在硅晶片表面,待干燥后,利用傳輸帶將晶片帶入爐管內(nèi),進行擴散。爐管內(nèi)的溫度可設計為
15、幾個區(qū)域,在較低的溫度區(qū)域內(nèi)(600)先將膏狀化合物的有機物燒掉,接著進入約950的高溫區(qū)域進行擴散過程。 缺點: 由于外界空氣可進到爐內(nèi),再加上傳輸帶含有金屬成分,所以金屬污染的幾率比石英擴散爐大。 34第34頁/共65頁擴散裝置示意圖35第35頁/共65頁 管內(nèi)氣體中雜質源的濃度 擴散溫度 擴散時間36影響擴散的因素第36頁/共65頁 管內(nèi)氣體中雜質源濃度的大小決定著硅片N型區(qū)域磷濃度的大小。但是沉積在硅片表面的雜質源達到一定程度時,將對N型區(qū)域的磷濃度改變影響不大。 擴散溫度和擴散時間對擴散結深影響較大。 N型區(qū)域磷濃度和擴散結深共同決定著方塊電阻的大小。37影響擴散的因素第37頁/共6
16、5頁三氯氧磷(POCl3)液態(tài)源擴散噴涂磷酸水溶液后鏈式擴散絲網(wǎng)印刷磷漿料后鏈式擴散38太陽電池磷擴散方法第38頁/共65頁POCl3是目前磷擴散用得較多的一種雜質源 無色透明液體,具有刺激性氣味。如果純度不高則呈紅黃色。 比重為1.67,熔點2,沸點107,在潮濕空氣中發(fā)煙。 POCl3很容易發(fā)生水解,POCl3極易揮發(fā)。39POCl3 簡介第39頁/共65頁POCl3磷擴散原理 POCl3在高溫下(600)分解生成五氯化磷(PCl5)和五氧化二磷(P2O5),其反應式如下: 生成的P2O5在擴散溫度下與硅反應,生成二氧化硅(SiO2)和磷原子,其反應式如下:5253OP3PCl5POClC
17、6004P5SiO5SiO2P25240第40頁/共65頁 由上面反應式可以看出,POCl3熱分解時,如果沒有外來的氧(O2)參與其分解是不充分的,生成的PCl5是不易分解的,并且對硅有腐蝕作用,破壞硅片的表面狀態(tài)。但在有外來O2存在的情況下,PCl5會進一步分解成P2O5并放出氯氣(Cl2)其反應式如下: 生成的P2O5又進一步與硅作用,生成SiO2和磷原子,由此可見,在磷擴散時,為了促使POCl3充分的分解和避免PCl5對硅片表面的腐蝕作用,必須在通氮氣的同時通入一定流量的氧氣 。2522510ClO2P5O4PCl2過量O第41頁/共65頁 在有氧氣的存在時,POCl3熱分解的反應式為:
18、 POCl3分解產(chǎn)生的P2O5淀積在硅片表面,P2O5與硅反應生成SiO2和磷原子,并在硅片表面形成一層磷-硅玻璃,然后磷原子再向硅中進行擴散 。322524526POClOPOCl第42頁/共65頁 POCl3液態(tài)源擴散方法具有生產(chǎn)效率較高,得到PN結均勻、平整和擴散層表面良好等優(yōu)點,這對于制作具有大面積結的太陽電池是非常重要的。第43頁/共65頁 在太陽電池擴散工藝中,擴散層薄層電阻(方塊電阻)是反映擴散層質量是否符合設計要求的重要工藝指標之一。 方塊電阻也是標志進入半導體中的雜質總量的一個重要參數(shù)。44擴散層薄層電阻及其測量第44頁/共65頁方塊電阻的定義 考慮一塊長為l、寬為a、厚為t
19、的薄層如右圖。如果該薄層材料的電阻率為,則該整個薄層的電阻為)(altatlR45n當l=a(即為一個方塊)時,R= /t。可見,(/t)代表一個方塊的電阻,故稱為方塊電阻,特記為R= /t (/)第45頁/共65頁擴散層薄層電阻的測試 目前生產(chǎn)中,測量擴散層薄層電阻廣泛采用四探針法。測量裝置示意圖如圖所示。圖中直線陳列四根金屬探針(一般用鎢絲腐蝕而成)排列在彼此相距為S一直線上,并且要求探針同時與樣品表面接觸良好,外面一對探針用來通電流、當有電流注入時,樣品內(nèi)部各點將產(chǎn)生電位,里面一對探針用來測量2、3點間的電位差。 46第46頁/共65頁 目的: 經(jīng)過擴散工藝后,晶片的邊緣也會出現(xiàn)一層N型
20、摻雜區(qū),如果不去除,則會造成正面與背面電極的連通,必須將其去除,才能顯現(xiàn)出P-N二極管的結構。 方法: 一般采用低溫的干蝕刻技術(dry etching)。將晶片堆疊在一起(保證不會蝕刻到晶片的正面及背面),放入反應爐內(nèi),使用CF4及O2的等離子體進行干蝕刻。 473 邊緣絕緣處理(Edge Isolation) 第47頁/共65頁 抗反射層的材料: 有氧化鈦、氮化硅、一氧化硅、氧化鋁、二氧化硅、氧化鈰等。 抗反射層的涂布技術: 以化學蒸鍍法(Chemical Vapor Deposition,簡稱CVD)最為常用。 CVD法又可分為APCVD(Atmospheric Pressure CVD
21、)、PECVD(Plasma Enhanced CVD)和RPCVD (Reduced Pressure CVD)。484 抗反射層涂布(ARC Deposition) 第48頁/共65頁 APCVD法一般被用來生產(chǎn)氧化鈦或二氧化硅的抗反射層。將鈦的有機化合物漿料利用噴嘴(nozzle)噴濺在200環(huán)境的硅晶片上,使得鈦有機化合物在晶片表面產(chǎn)生水解反應,而將氧化鈦沉積蒸鍍在硅晶片的表面。 此法可利用傳輸帶式反應爐大量生產(chǎn),或使用網(wǎng)印(screen print)的方式進行涂布,再置于高溫下沉積。 49(1) APCVD 第49頁/共65頁 PECVD法一般被用來生產(chǎn)氮化硅(SiNx)抗反射層。
22、在反應爐內(nèi)通入SiH4及NH3或N2,使它在硅晶片表面產(chǎn)生一層非晶結構的氮化硅(SiNx)抗反射層。 在此反射層內(nèi),會含有將近40%原子比例的氫原子,雖然非晶的氮化硅的化學式寫作SiNx,但實際上應該是a-SiNx: H。 50(2) PECVD法 第50頁/共65頁51(2) PECVD法利用利用PECVD法生產(chǎn)氮化硅抗反射層的示意圖法生產(chǎn)氮化硅抗反射層的示意圖 第51頁/共65頁 氮化硅抗反射層最常使用在多晶硅太陽電池上,不僅能有效的減少入射光的反射,還具有鈍化的作用。 鈍化的作用起因與抗反射層內(nèi)部的氫原子,因為氫原子可以與多晶硅內(nèi)部的雜質及缺陷(如晶界)發(fā)生反應,而大幅降低多晶硅內(nèi)部在電
23、性上的活性,降低了少數(shù)載流子再結合的機會,此鈍化稱為Bulk Passivation。 PECVD法使用的RF有高頻(13.56MHz)及低頻(10500KHz)兩種,前者在表面鈍化(surface passivation)及UV穩(wěn)定效果上比較好,后者可得到更均勻的氮化硅抗反射層。 52第52頁/共65頁 太陽電池對正面金屬電極的要求: 與硅接觸時電阻低;金屬線寬小;附著力強;可焊接性強;可大量生產(chǎn)及低制造成本。 基于上述要求,網(wǎng)印(screen printing)技術是目前最廣泛使用的技術。 原理:利用絲網(wǎng)圖形部分網(wǎng)孔透漿料,非圖形部分網(wǎng)孔不透漿料的基本原理進行印刷。 535 正面電極網(wǎng)?。?/p>
24、Front Contact Print) 第53頁/共65頁54網(wǎng)印技術示意圖網(wǎng)印技術示意圖 第54頁/共65頁 網(wǎng)印技術中,最重要的成分為印刷板(screen)及金屬膏(paste)。 印刷板多用人造纖維或不銹鋼絲,線的直徑約10m左右,間距約100m。 金屬膏的成分有: 有機溶劑,使得金屬膏呈現(xiàn)流動態(tài); 有機結合劑,固定金屬粉末; 銀粉,粒度10m左右; 玻璃粉,低熔點、高活性的氧化物粉末,可以對硅表面進行蝕刻反應,幫助銀粉與硅表面的結合。55第55頁/共65頁 使用尼龍絲網(wǎng)的特點: 尼龍絲網(wǎng)是由化學合成纖維制作而成,高強度; 耐磨性、耐化學藥品性、耐水性、彈性較好; 絲徑均勻,表面光滑,
25、故油墨的通過性極好; 可以使用低粘度漿料; 拉伸性較大,一段時間后可能導致絲網(wǎng)印版松馳,精度下降; 絲網(wǎng)有柔性,可以用于不平坦的表面。 56補充絲網(wǎng)印刷技術介紹 第56頁/共65頁57尼龍絲網(wǎng)印刷基本流程尼龍絲網(wǎng)印刷基本流程 第57頁/共65頁 使用不銹鋼絲網(wǎng)的特點: 絲徑細、目數(shù)多,耐磨性好,強度高,尺寸穩(wěn)定,拉伸性小; 漿料通過性能好; 漿料沉積厚度較易控制; 適用于太陽能電池漿料的印刷。 58第58頁/共65頁59不銹鋼絲網(wǎng)印刷基本流程不銹鋼絲網(wǎng)印刷基本流程 第59頁/共65頁Close up of a screen used for printing the front contact
26、 of a solar cell. During printing, metal paste is forced through the wire mesh in unmasked areas. The size of the wire mesh determines the minimum width of the fingers. Finger widths are typically 100 to 200 m. Close up of a finished screen-printed solar cell. The fingers have a spacing of approxima
27、tely 3 mm. An extra metal contact strip is soldered to the busbar during encapsulation to lower the cell series resistance. 第60頁/共65頁Front view of a completed screen-printed solar cell. As the cell is manufactured from a multicrystalline substrate, the different grain orientations can be clearly seen. The square shape of a multicrystalline substrate simplifies the packing of cells into a module. 第61頁/共65頁 通常也采用網(wǎng)印技術來制造,與正面電極的不同點在于,金屬膏成分同時含有銀粉和鋁粉。這是因為銀粉本身
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