晶體硅太陽(yáng)電池工藝技術(shù)1ppt課件

1、 汪義川 2019年9月高效化高效化低成本低成本大批量大批量 薄片化是把雙刃劍，薄片化可以薄片化是把雙刃劍，薄片化可以降低成本。但是，碎片率會(huì)增加。降低成本。但是，碎片率會(huì)增加。國(guó)際上晶片供應(yīng)商都是朝國(guó)際上晶片供應(yīng)商都是朝220220方向方向看齊，薄片化會(huì)對(duì)第三世界太陽(yáng)電看齊，薄片化會(huì)對(duì)第三世界太陽(yáng)電池生產(chǎn)商而言會(huì)形成一道強(qiáng)大技術(shù)池生產(chǎn)商而言會(huì)形成一道強(qiáng)大技術(shù)壁壘。壁壘。中國(guó)有批量生產(chǎn)中國(guó)有批量生產(chǎn)8 8吋單晶爐設(shè)備的廠家；吋單晶爐設(shè)備的廠家；各地已有不少?gòu)S家在上各地已有不少?gòu)S家在上8 8吋單晶爐，吋單晶爐，150150150150mmmm晶片已問世。晶片已問世。高郵江蘇順大半導(dǎo)體發(fā)展有限公司

2、拉的高郵江蘇順大半導(dǎo)體發(fā)展有限公司拉的8 8吋單晶，鎮(zhèn)江環(huán)太硅科技吋單晶，鎮(zhèn)江環(huán)太硅科技公司切片；公司切片；無錫尚德太陽(yáng)能電力有限公司剛之竣工一條年產(chǎn)無錫尚德太陽(yáng)能電力有限公司剛之竣工一條年產(chǎn)25MW25MW，生產(chǎn)單晶硅和，生產(chǎn)單晶硅和多晶硅多晶硅156156156156mmmm）、）、150150150150mmmm太陽(yáng)電池生產(chǎn)線。太陽(yáng)電池生產(chǎn)線。 晶體硅太陽(yáng)電池是光伏行業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品，占市場(chǎng)份晶體硅太陽(yáng)電池是光伏行業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品，占市場(chǎng)份額的額的90%90%，尤其是多晶硅太陽(yáng)電池的市場(chǎng)份額已遠(yuǎn)超過，尤其是多晶硅太陽(yáng)電池的市場(chǎng)份額已遠(yuǎn)超過單晶硅電池的市場(chǎng)份額，自從六十年代太陽(yáng)能電池作單晶硅電池的

3、市場(chǎng)份額，自從六十年代太陽(yáng)能電池作為能源應(yīng)用于宇航技術(shù)以來，太陽(yáng)能電池的技術(shù)得到為能源應(yīng)用于宇航技術(shù)以來，太陽(yáng)能電池的技術(shù)得到非常迅速的發(fā)展，單晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率已接非常迅速的發(fā)展，單晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率已接近近25%25%，多晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率已接近，多晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率已接近20%20%。圖。圖1 1顯示了單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的發(fā)展過程，顯示了單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的發(fā)展過程，19801980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。爾斯大學(xué)保持。 太陽(yáng)能電池是一種少數(shù)載流子工作器件，當(dāng)太陽(yáng)能電池是

4、一種少數(shù)載流子工作器件，當(dāng)光照射到一個(gè)光照射到一個(gè)P型半導(dǎo)體的表面上，光在材料內(nèi)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(duì)。在這種情況下，電子的吸收產(chǎn)生電子與空穴對(duì)。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(shí)間。少數(shù)載流子在電池空穴復(fù)合之間所生存的時(shí)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。影響池內(nèi)的復(fù)合，從而增加少數(shù)載流子

5、的壽命。影響少數(shù)載流子壽命的因素有少數(shù)載流子壽命的因素有: 1體內(nèi)復(fù)合；體內(nèi)復(fù)合；2表面復(fù)合；表面復(fù)合；3電極區(qū)復(fù)合。電極區(qū)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(yáng)能電池制造所用的硅片的濃度的襯底材料。一般太陽(yáng)能電池制造所用的硅片的電阻率在電阻率在0.50.5到到1 1cm cm 左右。提高晶體的質(zhì)量，減少缺左右。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。吸雜陷和雜質(zhì)，是提高少數(shù)載流子壽命的重要手段。吸雜(gettering)(gettering)工藝能有效的提高材料的質(zhì)量。鈍化工藝能有效的提高材

6、料的質(zhì)量。鈍化(passivation)(passivation)工藝能有效地減少晶體缺陷對(duì)少數(shù)載流工藝能有效地減少晶體缺陷對(duì)少數(shù)載流子壽命的影響。子壽命的影響。 減少表面復(fù)合通常采用在硅表面生成一層介質(zhì)膜減少表面復(fù)合通常采用在硅表面生成一層介質(zhì)膜如二氧化硅如二氧化硅(SiO2)和氮化硅和氮化硅(SiN)。這種介質(zhì)膜完善了。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)膜生成在這種介質(zhì)膜生成在n型硅的表面，由于在這些介質(zhì)膜型硅的表面，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)內(nèi)固有的存在作一些正離子，這些

7、正離子排斥了少數(shù)載流子空穴向表面移動(dòng)。另外一種表面鈍化的方法是載流子空穴向表面移動(dòng)。另外一種表面鈍化的方法是在電池表面形成高低結(jié)在電池表面形成高低結(jié)(high-low junction)。這種結(jié)。這種結(jié)在表面產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)在表面產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng),從而排斥了少數(shù)載流子空穴向表從而排斥了少數(shù)載流子空穴向表面移動(dòng)。面移動(dòng)。 減少電極區(qū)的復(fù)合可采用將電極區(qū)的摻雜濃度提減少電極區(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。子在此區(qū)域的復(fù)合。 基于以上提高電池轉(zhuǎn)換效率的途徑，派生了多種基于以上提高電池轉(zhuǎn)換效率的途徑

8、，派生了多種高效晶體硅太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)和制造工藝。其中包括高效晶體硅太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)和制造工藝。其中包括PESCPESC電池發(fā)射結(jié)鈍化太陽(yáng)電池和表面刻槽絨面電池發(fā)射結(jié)鈍化太陽(yáng)電池和表面刻槽絨面PESCPESC電池；背面點(diǎn)接觸電池前后表面鈍化電池）；電池；背面點(diǎn)接觸電池前后表面鈍化電池）；PERLPERL電池發(fā)射結(jié)鈍化和背面點(diǎn)接觸電池）。由這些電池發(fā)射結(jié)鈍化和背面點(diǎn)接觸電池）。由這些電池設(shè)計(jì)和工藝制造出的電池的轉(zhuǎn)換效率均高于電池設(shè)計(jì)和工藝制造出的電池的轉(zhuǎn)換效率均高于20%20%，其中保持世界記錄其中保持世界記錄24.7%24.7%）的單晶硅和多晶硅電池）的單晶硅和多晶硅電池19.8%19.8%）

9、的轉(zhuǎn)換效率均是由）的轉(zhuǎn)換效率均是由PERLPERL電池實(shí)現(xiàn)的。電池實(shí)現(xiàn)的。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)；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“ 死層的死層的存在；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；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

10、電極區(qū)復(fù)合并形成好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；的歐姆接觸；4) 前表面電極很窄只有前表面電極很窄只有20微米寬微米寬) 以及電極條之間的距離變窄使得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；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。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電池的前后表面采用SiO2和點(diǎn)接觸的方法以減少電池的表面復(fù)合；和點(diǎn)接觸的方法以減少電池的表面復(fù)合； 目前這種電池技術(shù)是制造實(shí)驗(yàn)室高效太陽(yáng)能電池目前這種電池技術(shù)是制造實(shí)

11、驗(yàn)室高效太陽(yáng)能電池的主要技術(shù)之一，的主要技術(shù)之一，2525的電池就是由此技術(shù)制造的。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(gè)低成本的生產(chǎn)工藝，很幾道光刻工藝，所以不是一個(gè)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)。難將且應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。 八十年代中期，新南威爾斯大學(xué)發(fā)明了八十年代中期，新南威爾斯大學(xué)發(fā)明了“激光埋沿式電池制造工藝激光埋沿式電池制造工藝”，圖圖6 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(yáng)能電池的優(yōu)點(diǎn)，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(yáng)能電池的優(yōu)點(diǎn)，

12、簡(jiǎn)化了高效太陽(yáng)能電池的制造工藝，使之成為可生產(chǎn)的技術(shù)。簡(jiǎn)化了高效太陽(yáng)能電池的制造工藝，使之成為可生產(chǎn)的技術(shù)。 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(yáng)能電池生產(chǎn)廠家如英國(guó)的目前這一技術(shù)已轉(zhuǎn)讓給好幾家世界上規(guī)模較大的太陽(yáng)能電池生產(chǎn)廠家如英國(guó)的BP SOLAR BP SOLAR 和美國(guó)的和美國(guó)的SOLAREXSOLAREX等等 8)背面金屬鋁燒結(jié)；背面金屬鋁燒結(jié)；2)表面淡磷擴(kuò)散；表面淡磷擴(kuò)散；1)表面金字塔的形成；表面金字塔的形成；7)背面金屬鋁蒸發(fā)；背面金屬鋁蒸發(fā)；6)槽內(nèi)濃磷擴(kuò)散；槽內(nèi)濃磷擴(kuò)散；4)激光刻槽；激光刻槽；3)表面氧化物表面氧化物(SiO2)生長(zhǎng)；生長(zhǎng)；9) 化學(xué)鍍前后面金

13、屬電極；化學(xué)鍍前后面金屬電極；10)邊緣切割。邊緣切割。5) 槽內(nèi)化學(xué)腐蝕；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：激光埋沿式電池制造的主要工藝流程是： 2000年，日本三洋公司年，日本三洋公司Sanyo報(bào)道了一種新型的高效太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)和報(bào)道了一種新型的高效太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)和制造的方法。圖制造的方法。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-型晶體硅材型晶體硅材料，采用等離子體化學(xué)沉積料，采用等離子體化學(xué)沉積PECVD方法在方法在n-型硅片襯底上沉淀本征層型硅片襯底上沉淀本征層i-和和p-型非晶硅薄膜，從而形成型非晶硅薄膜，從而形

14、成n-型硅和非晶硅異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)型硅和非晶硅異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)HIT太陽(yáng)電池，非晶硅太陽(yáng)電池，非晶硅a-Si:H材料的帶寬在材料的帶寬在1.7eV左右，遠(yuǎn)大于晶體硅左右，遠(yuǎn)大于晶體硅1.1eV的帶寬，因此此種的帶寬，因此此種HIT電電池結(jié)構(gòu)對(duì)于電池表面有很好的鈍化作用。同時(shí)，由于非晶硅幾乎沒有橫向?qū)щ娦猿亟Y(jié)構(gòu)對(duì)于電池表面有很好的鈍化作用。同時(shí)，由于非晶硅幾乎沒有橫向?qū)щ娦阅?，因此必須在硅表面淀積一層大面積能，因此必須在硅表面淀積一層大面積 的透明導(dǎo)電膜的透明導(dǎo)電膜TCO以有效地收集電池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(yáng)電池，電

15、池轉(zhuǎn)換效率的單晶硅太陽(yáng)電池，電池的開路電壓的開路電壓Voc達(dá)到達(dá)到719mV，接近世界紀(jì)錄，制造這種電池的工藝溫度不超，接近世界紀(jì)錄，制造這種電池的工藝溫度不超過過300。如果溫度高于。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，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)，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(jiǎn)單。因此制造工藝并非簡(jiǎn)單。 目前國(guó)際上大多數(shù)晶目前國(guó)際上大多數(shù)晶體硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)廠家體硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)廠家都采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)。這都采用絲網(wǎng)印刷技

16、術(shù)。這一技術(shù)是在七十年代形成一技術(shù)是在七十年代形成的。因此已沒有產(chǎn)權(quán)歸哪的。因此已沒有產(chǎn)權(quán)歸哪一個(gè)生產(chǎn)廠家的說法。這一個(gè)生產(chǎn)廠家的說法。這一技術(shù)對(duì)單晶硅和多晶硅一技術(shù)對(duì)單晶硅和多晶硅都適用。圖都適用。圖8 8描述了這一描述了這一電池的結(jié)構(gòu)。電池的結(jié)構(gòu)。 絲網(wǎng)印刷技術(shù)具有以下特點(diǎn)：絲網(wǎng)印刷技術(shù)具有以下特點(diǎn)： 1 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、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 n型材料摻雜濃度偏高。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(zhǎng)的太陽(yáng)光是被使得光生載流子不能得到有效地收集。而短波長(zhǎng)的太陽(yáng)光是被這一層材料吸收的，因此這些太陽(yáng)光的能量不能得到很好的利用這一層材料吸收的，因此這些太陽(yáng)光的能量不能得到很好的利用, ,形成所謂的形成所謂的“死層死層”。 2 2 、電池前表面的復(fù)合高，因?yàn)殡姵氐那氨砻鏇]有采取有效的鈍化、電池前表面的復(fù)合高，因?yàn)殡姵氐那氨砻鏇]有采取有效的鈍化措施。措施。 3 3、受絲網(wǎng)技術(shù)的限制，前表面的金屬電極不能做的很窄，從而遮擋、受絲網(wǎng)技術(shù)的限制，