晶體硅太陽電池工藝技術(shù)課件

晶體硅太陽電池工藝技術(shù)

(SUNTECHPOWERCO.LTD.）

2004年9月一、晶體硅太陽電池工藝原則高效化低成本大批量二、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

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。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。圖1單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的發(fā)展過程

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。

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。

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。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；

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)。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：

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?，因此必須在硅表面淀積一層大面積

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

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

多晶硅是由定向凝固的方法鑄造而成的，它的結(jié)晶速度和生產(chǎn)能力均比單晶硅片的制造快許多。目前單一多晶硅的鑄造爐的容量已超過270公斤。由于晶界的存在和晶體生長速度很快，多晶硅片的質(zhì)量的均勻性較差，如晶粒大小不一樣，晶界處雜質(zhì)和缺陷濃度較高等。加之多晶硅晶粒晶向的不一致性，不能采用各向異性的化學(xué)腐蝕方法形成有效的絨面，因此在很長一段時間內(nèi)多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率比單晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率低很多。近年來，隨著人們對多晶硅材料的理解的不斷加深，對多晶硅材料的處理和電池工藝作了大量的改進(jìn)，從而使多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率得到了迅速的提高。大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率也能達(dá)到14%以上。多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率的大幅度提高主要?dú)w功于磷擴(kuò)散和鋁背場的吸雜效應(yīng)以及氮化硅減反射膜中氫原子對多晶硅材料中缺陷的鈍化作用。3.3技術(shù)發(fā)展趨勢盡管近年來太陽能電池行業(yè)發(fā)展迅速，但是該行業(yè)進(jìn)一步大規(guī)模發(fā)展取決于制造成本的進(jìn)一步降低。表1顯示了制造成本與電池轉(zhuǎn)換效率之間的關(guān)系。分析表1的內(nèi)容得出以下結(jié)論：要將電池的生產(chǎn)成本降低到1美元/Wp以下，電池的轉(zhuǎn)換效率必須要高于18%，并要求生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)能力高。表一350（$/m2）300（$/m2）250（$/m2）200（$/m2）150（$/m2）10%$3.5$3.0$2.5$2.0$1.512%$3.0$25$2.08$1.67$1.2515%$2.33$2.0$2.0$1.33$1.018%$2.05$1.67$1.67$1.11$0.83CostEff

多晶硅太陽電池技術(shù)

由于多晶硅具有比單晶硅相對低的材料成本，且材料成本隨著硅片的厚度而降低，同時多晶硅片具有跟單晶硅相似的光電轉(zhuǎn)換效率，多晶硅太陽電池將進(jìn)一步取代單晶硅片的市場。因此太陽電池的技術(shù)發(fā)展的主要方向之一是如何采用大規(guī)模生產(chǎn)的工藝，進(jìn)一步提高多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率。針對目前多晶硅電池大規(guī)模生產(chǎn)的特點，提高轉(zhuǎn)換效率的主要創(chuàng)新點有以下幾個方面：I.

高產(chǎn)出的各向同性表面腐蝕以形成絨面。II.

簡單、低成本的選擇性擴(kuò)散工藝。III.

具有創(chuàng)新的、高產(chǎn)出的擴(kuò)散和PECVDSiN淀積設(shè)備。IV.

降低硅片的厚度。V.背電極的電池結(jié)構(gòu)和組件。

多晶硅材料隨著其供應(yīng)商的不同而差異很大，這對電池生產(chǎn)工藝的優(yōu)化和產(chǎn)品質(zhì)量的控制帶來很多不便。然而減少電池表面的復(fù)合率和改善體內(nèi)質(zhì)量是提高電池轉(zhuǎn)換效率的重要手段。等離子體化學(xué)氣相沉積（PECVD）氮化硅薄膜是很理想的電池表面減反射膜，同時也提供了較為理想的電池表面和體內(nèi)鈍化。目前，有兩種等離子體化學(xué)沉積技術(shù)被廣泛用于氮化硅的淀積工藝，一種是遠(yuǎn)程PECVD，另外一種是直接PECVD。前者在淀積氮化硅的過程中，對電池表面的損傷幾乎可以忽略。因此對電池表面的鈍化效果較為理想，而直接PECVD對電池表面的損傷較大，所以對表面的鈍化效果不佳，但是電池表面損傷層能增強(qiáng)氫原子在硅材料體內(nèi)的擴(kuò)散，從而加強(qiáng)了電池體內(nèi)鈍化效果，然而直接PECVD對電池表面損傷在高溫處理中（700℃）能得到恢復(fù)。

電池鋁背場已被很多電池制造商應(yīng)用于絲網(wǎng)印刷太陽能電池制造技術(shù)。大約20μm厚的鋁漿通過絲網(wǎng)印刷方法沉積到電池的背面，在高溫?zé)Y(jié)過程中，鋁和硅形成共晶合金，如果燒結(jié)溫度高于800℃，鋁在硅內(nèi)的摻雜濃度會高達(dá)5×1018/cm3,而硅片襯底的摻雜濃度只在2×1016/cm3左右，從而在鋁背場和襯底之間形成高/低結(jié)，有效地阻止了少數(shù)載流子向電池的背面擴(kuò)散，降低了電池背表面的復(fù)合速率。鋁背場可將電池背面的復(fù)合速率降低到200cm/s以下，此外，硅鋁合金能對硅片進(jìn)行有效地吸雜。綜合以上的工藝，大規(guī)模生產(chǎn)的多晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)14%以上，已接近單晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率。四、工藝介紹高效單晶硅太陽電池工藝流程如下：

去除損傷層表面絨面化發(fā)射區(qū)擴(kuò)散邊緣結(jié)刻蝕PECDV沉積SiN

絲網(wǎng)印刷正背面電極漿料共燒形成金屬接觸電池片測試。

金字塔形角錐體的表面積S0等于四個邊長為a正三角形S之和S0=4S=4×a×a=a2由此可見有絨面的受光面積比光面提高了倍即1.732倍。（見圖14）圖（14）a當(dāng)一束強(qiáng)度為E0的光投射到圖中的A點，產(chǎn)生反射光Φ1和進(jìn)入硅中的折射光Φ2。反射光Φ1可以繼續(xù)投射到另一方錐的B點，產(chǎn)生二次反射光Φ3和進(jìn)入半導(dǎo)體的折射光Φ4；而對光面電池就不產(chǎn)生這第二次的入射。經(jīng)計算可知還有11%的二次反射光可能進(jìn)行第三次反射和折射，由此可算得絨面的反射率為9.04%。（見圖15）圖（15）20多年來單晶硅太陽電池商品化過程中，為提高太陽電池效率和降低制造成本優(yōu)化絨面工藝一直沒有停止過。以致出現(xiàn)了晶片絨面化的材料供應(yīng)商。尚德太陽能電力有限公司在制絨過程中，對傳統(tǒng)制絨工藝進(jìn)行改革，有所創(chuàng)新，所制絨面顏色均勻一致無花籃印、白邊、雨點印跡，反射率曲線（見圖16）。

圖（16）

4.2發(fā)射區(qū)擴(kuò)散采用三氯氧磷氣體攜帶源方式，這個工藝的特點是生產(chǎn)高，有利于降低成本。新購的8吋硅片擴(kuò)散爐、石英管口徑達(dá)270mm，可以擴(kuò)散156×156（mm）的硅片。由于石英管口徑大，恒溫區(qū)長，提高了擴(kuò)散薄層電阻均勻性，有利于降低太陽電池的串聯(lián)電阻Rs，從而提高太陽電池填充因子FF。

4.3SiN鈍化與APCVD淀積TiO2

先期的地面用高效單晶硅太陽電池一般采用鈍化發(fā)射區(qū)太陽電池(PESC)工藝。在擴(kuò)散過去除磷硅玻的硅片上,熱氧化生長一層10nm~25nm厚SiO2為,使表面層非晶化,改變了表面層硅原子價鍵失配情況,使表面趨于穩(wěn)定,這樣減少了發(fā)射區(qū)表面復(fù)合,提高了太陽電池對藍(lán)光的響應(yīng),同時也增加了短路電流密度Jsc,由于減少了發(fā)射區(qū)表面復(fù)合,這樣也就減少了反向飽和電流密度,從而提高了太陽電池開路電壓Voc。還有如果沒有這層SiN,直接淀積TiO2薄膜,硅表面上會出現(xiàn)陷阱型的滯后現(xiàn)象導(dǎo)致太陽電池短路電流衰減,一般會衰減8%左右,從而降低光電轉(zhuǎn)換效率。故要先生長SiN鈍化再生長TiO2減反射膜。TiO2減反射膜是用APCVD設(shè)備生長的,它通過鈦酸異丙脂與純水產(chǎn)生水解反應(yīng)來生長TiO2薄膜。

Ti(OC3H7)4+2H2OTiO2+4(C3H7)OH

加熱

4.4PECVD淀積SiN多晶硅太陽電池廣泛使用PECVD淀積SiN,由于PECVD淀積SiN時,不光是生長SiN作為減反射膜,同時生成了大量的原子氫,這些氫原子能對多晶硅片具有表面鈍化和體鈍化的雙重作用,可用于大批量生產(chǎn)高效多晶硅太陽電池,為上世紀(jì)末多晶硅太陽電池的產(chǎn)量超過單晶硅太陽電池立下汗馬功勞。隨著PECVD在多晶硅太陽電池成功,引起人們將PECVD用于單晶硅太陽電池作表面鈍化的愿望。由于生成的氮化硅薄膜含有大量的氫,可以很好的鈍化硅中的位錯、表面懸掛鍵，從而提高了硅片中載流子遷移率，一般要提高20%左右，同時由于SiN薄膜對單晶硅表面有非常明顯鈍化作用。尚德公司的經(jīng)驗顯示，用PECVDSiN作為減反膜的單晶硅太陽電池效率較高于傳統(tǒng)的由APCVDTiO2作為減反膜單晶硅太陽電池。4.5共燒形成金屬接觸

晶體硅太陽電池要通過三次印刷金屬漿料，傳統(tǒng)工藝要用二次燒結(jié)才能形成良好的帶有金屬電極歐姆接觸，共燒工藝只需一次燒結(jié)，同時形成上下電極的歐姆接觸，是高效晶體硅太陽能電池的一項重要關(guān)鍵工藝，國外著名的金屬漿料廠商非常賣力推廣共燒工藝。這個工藝基礎(chǔ)理論來自較古老的合金法制P-N結(jié)工藝。就是電極金屬材料和半導(dǎo)體單晶硅在溫度達(dá)到共晶溫度時，單晶硅原子按相圖以一定的比例量溶入到熔融的合金電極材料中去。單晶硅原子溶入到電極金屬中的整個過程是相當(dāng)快的，一般只需幾秒鐘時間。溶入的單晶硅原子數(shù)目決定于合金溫度和電極材料的體積，燒結(jié)合金溫度愈高，電極金屬材料體積愈大，則溶入的硅原子數(shù)目也愈多，這時狀態(tài)被稱為晶體電極金屬的合金系統(tǒng)。如果此時溫度降低，系統(tǒng)開始冷卻，這時原先溶入到電極金屬材料中的硅原子重新以固態(tài)形式結(jié)晶出來，也就是在金屬和晶體接觸界面上生長出一層外延層。如果外延層內(nèi)含有足夠量的與原先晶體材料導(dǎo)電類型相同雜質(zhì)成份，這就獲得了用合金法工藝形成歐姆接觸；如果再結(jié)晶層內(nèi)含有足夠量的與原先晶體材料導(dǎo)電類型異型的雜質(zhì)成份，這就獲得了用合金法工藝形成P-N結(jié)。銀槳、銀鋁槳、鋁槳印刷過的硅片，通過烘干有機(jī)溶劑完全揮發(fā)，膜層收縮成為固狀物緊密粘附在硅片上，這時，可視為金屬電極材料層和硅片接觸在一起。所謂共燒工藝顯然是采用銀—硅的共晶溫度，同時在幾秒鐘內(nèi)單晶硅原子溶入到金屬電極材料里，之后又幾乎同時冷卻形成再結(jié)晶層，這個再結(jié)晶層是較完