第5章 硅太陽能電池制造技術(shù)

第五章：硅太陽能電池

制造技術(shù)2023/2/4UNSW新南威爾士大學(xué)1§5.1第一個(gè)光伏器

件§5.2早期硅太陽能

電池§5.3硅晶片和襯底§5.4硅太陽能電池

制造技術(shù)

艾德蒙?貝克勒被認(rèn)為是第一個(gè)向世人展示光伏效應(yīng)的人。十九歲那年在父親的實(shí)驗(yàn)室工作，他嘗試用不同的光（包括太陽光）去照射電極來產(chǎn)生電流。他發(fā)現(xiàn)，在電極表面涂上感光材料如AgCl或AgBr時(shí)，電流產(chǎn)生效果最好的是藍(lán)光或紫外光。雖然他很常使用鉑電極，但偶爾也會(huì)使用銀電極來觀察光的響應(yīng)。隨后，他便發(fā)明了一項(xiàng)利用光伏效應(yīng)的技術(shù)，即使用“輻射儀”來記錄輻射的強(qiáng)度以測量物體的溫度。2023/2/4UNSW新南威爾士大學(xué)2§5.1

第一個(gè)光伏器件§5.1

第一個(gè)光伏器件1839年，貝克勒描述的儀器示意圖。鉑電極薄膜酸性溶液黑箱光伏效應(yīng)的另一個(gè)重要進(jìn)展來自于人們對硒的光導(dǎo)效應(yīng)的關(guān)注。在研究此效應(yīng)的時(shí)候，亞當(dāng)斯和日發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象，他們解釋其中的原因，為內(nèi)部有電壓產(chǎn)生。之后他們又利用下圖的儀器進(jìn)行更仔細(xì)的研究，已加熱的鉑電極被推進(jìn)到透明硒瓶的另一端，亞當(dāng)斯和日(1877)利用下面的儀器進(jìn)行試驗(yàn)的目的之一就是，觀察能否只用光照就能使硒產(chǎn)生電流。2023/2/4UNSW新南威爾士大學(xué)4鉑絲透明硒標(biāo)記玻璃管亞當(dāng)斯和日用以觀察硒的光電效應(yīng)的樣本圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人鼓舞。這是首次全部利用固體來演示光電效應(yīng)的試驗(yàn)。亞當(dāng)斯和日認(rèn)為，光能產(chǎn)生電流是因?yàn)楣庹丈涫沟梦鴹l的表面結(jié)晶化。幾十年過后，物理學(xué)的發(fā)展讓人們能進(jìn)一步了解這一現(xiàn)象?！?.1

第一個(gè)光伏器件2023/2/4UNSW新南威爾士大學(xué)5金箔硒薄層金屬層§5.1

第一個(gè)光伏器件另一個(gè)重要的進(jìn)展來自弗里茨的研究工作。通過用兩種不同材料的金屬板來壓制融化的硒，硒能與其中一塊板緊緊黏住，并形成薄片。然后再用金箔壓制硒薄片的另一面，于是，歷史第一塊光伏器件就制成了。此薄膜器件大概有30cm2大。Fritts1883年制作的硒薄膜§5.1

第一個(gè)光伏器件他也是第一個(gè)認(rèn)識到光伏器件有巨大潛力的人。他知道光伏器件能以非常低的成本制作，并說：“產(chǎn)生的電流如果不是馬上使用，可以在蓄電池中儲(chǔ)存起來，或者傳送到另外一個(gè)地方，被使用或者儲(chǔ)存。”然而，在大約50年后，一輪新的進(jìn)展才開始在這個(gè)領(lǐng)域掀起。當(dāng)研究在銅表面生長氧化亞銅層的光電導(dǎo)效應(yīng)時(shí)，研究者發(fā)現(xiàn)了銅-氧化亞銅交界處的整流效應(yīng)。這一結(jié)果引領(lǐng)了大面積整流器的發(fā)展，緊接著又促進(jìn)了大面積光電池的發(fā)展。格朗道爾描述了銅-氧化亞銅整流器和光電池的發(fā)展。下圖描述了基于銅-氧化亞銅結(jié)的早期光電池的簡單結(jié)構(gòu)圖。一圈圈的鉛線作為電極連接電池的入光面。這種方法隨后被修改成在表面濺射金屬層，然后移走一部分，最后形成由金屬線構(gòu)成的網(wǎng)格。這些發(fā)展吸引了人們在這個(gè)領(lǐng)域的積極研究。在1930到1932年間，格朗道爾發(fā)表了38篇有關(guān)銅-氧化亞銅光伏太陽能電池的論文。2023/2/4UNSW新南威爾士大學(xué)7覆蓋玻璃層鉛線圈銅層氧化亞銅§5.1

第一個(gè)光伏器件§5.1

第一個(gè)光伏器件這些研究活動(dòng)也似乎重新喚起了人們對把硒作為光電池材料的興趣。特別是在1931年伯格曼的研究論文提高了硒電池的質(zhì)量。此材料被證明是比Cu-Cu2O更好的光伏材料，且更具商業(yè)優(yōu)勢。1939年，Nix發(fā)表了性能相似的砣-硫化物光電池。下圖展示了由硒、砣-硫化物和Cu-Cu2O共同組成的電池。1930年代效率最高的太陽能電池。1930年代，幾乎在硒電池迅速發(fā)展的同一時(shí)間，硅也因?yàn)樵邳c(diǎn)接觸整流器上的應(yīng)用逐漸引起人們的重視。從1874年起，各種晶體和金屬點(diǎn)電極的整流特性逐漸為人所知。在收音機(jī)發(fā)展的早期，晶體整流器是最常使用的探測器，但是隨著熱電子管的發(fā)展，除了在超高頻率應(yīng)用方面，晶體整流器幾乎在所有應(yīng)用上都被取代了。而鎢則被認(rèn)為是最適合制作硅表面電極的材料。隨著對硅的純凈化的研究，人們對它的特性也了解地更加深刻。在研究純凈硅的再結(jié)晶化的時(shí)候，奧爾（1941）發(fā)現(xiàn)了硅錠生長中攔在商業(yè)利用和高純硅之間的清晰屏障。2023/2/4UNSW新南威爾士大學(xué)9§5.2

早期硅太陽能電池§5.2

早期硅太陽能電池（a）圖：鑄錠，在硅融化期間摻雜以形成天然的pn結(jié)（b）圖：光伏器件垂直pn結(jié)切割（c）圖：器件平行pn結(jié)切割（d）圖：器件表面平行pn結(jié)切割在1941年，即使是在對摻雜技術(shù)的有限了解之前，奧爾就已經(jīng)向世人描述了基于這種天然pn結(jié)的光伏器件。在上面的圖示中，（a）顯示了在硅鑄錠時(shí)自然生長pn結(jié)。硅錠生產(chǎn)自酸浸出冶金級硅材料，即上圖所示的從熔融到冷卻后的材料。切割硅錠便可制備太陽能電池了。此外，也可以平行著pn結(jié)切割硅錠。這種自然形成的pn結(jié)是在切割硅錠以測量電阻時(shí)被發(fā)現(xiàn)的。切割的下來硅棒顯示了良好的光電響應(yīng)，熱電系數(shù)非常高，且具有良好的整流特性。當(dāng)被光照射或被加熱時(shí)，硅棒的其中一端形成負(fù)電勢，且必定處于負(fù)偏壓以降低電流流過pn結(jié)或流過電極時(shí)所遇到的電阻。具有這種特性的材料就是后來被人們熟知的n（negative）型硅，而擁有與之相反特性的材料叫p（positive）型硅。隨后，制成這些材料的施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)都被人們所認(rèn)識。2023/2/4UNSW新南威爾士大學(xué)11§5.2

早期硅太陽能電池§5.2

早期硅太陽能電池盡管這些光伏器件的性能與薄膜器件相似，然而其制備方法并不適合高效率的工業(yè)制造。然而，有一點(diǎn)是很清楚的，即如果能找到合適的方法制備大面積的均勻硅片，則有競爭力的太陽能電池就能制造出來。到了1950年，金斯伯里和奧爾共同發(fā)表了性能更好的硅太陽能電池，他們使用純硅來阻止擴(kuò)大結(jié)的形成，并用離子轟擊表面以形成整流pn結(jié)。

與此同時(shí)，晶體生長技術(shù)和通過擴(kuò)散形成pn結(jié)技術(shù)的發(fā)展促使蔡平、富勒和皮爾遜于1954共同研制出了第一塊現(xiàn)代太陽能電池。這種電池有雙背電極結(jié)構(gòu)（如下頁圖所示），其效率達(dá)到6%，是早期電池的15倍，并第一次真正打開光伏發(fā)電的廣闊前景。引起巨大的關(guān)注。然而，因?yàn)楣柚苽涔に嚨牟怀墒欤芸烊藗儽惆l(fā)現(xiàn)那最初的熱情有點(diǎn)為時(shí)過早了。但不管怎樣，太陽能電池已經(jīng)被證明適合太空使用，而這也成為了它們的主要應(yīng)用之一，直到1970年代早期。2023/2/4UNSW新南威爾士大學(xué)13§5.2

早期硅太陽能電池

太陽能電池所使用的硅或其它半導(dǎo)體材料可以是單晶體、多晶體、微晶體或者非晶體。這些材料之間最主要的不同就是晶體結(jié)構(gòu)的規(guī)則、有序程度不同，因此，半導(dǎo)體材料可以通過組成材料的晶體大小來分類。2023/2/4UNSW新南威爾士大學(xué)14§5.3.1

硅晶片和襯底

硅的種類早期太陽能結(jié)構(gòu)§5.3.1

硅晶片和襯底

硅的種類晶體類型符號晶粒尺寸生長技術(shù)單晶硅sc-Si>10cm浮區(qū)拉晶法Mc-多晶硅mc-Si1mm-10cm鑄模，切片Pc多晶硅pc-Si1μm-1mm化學(xué)氣相沉積微晶硅μc-Si<1μm等離子沉積各類晶體硅的術(shù)語：

大多數(shù)的太陽能電池都是由硅片制成的，要么單晶硅要么多晶硅。單晶硅片通常都擁有比較好的材料性能，但是成本也比較高。單晶硅的晶體結(jié)構(gòu)規(guī)則、有序，每個(gè)原子都理想地排列在預(yù)先確定的位置上。單晶硅表現(xiàn)的行為可預(yù)見且十分同一，但因?yàn)樾枰_和緩慢的制造過程，也使得它成為最昂貴的硅材料。2023/2/4UNSW新南威爾士大學(xué)16§5.3.2

硅晶片和襯底

單晶硅§5.3.2

硅晶片和襯底

單晶硅單晶硅原子的規(guī)則排列形成了清晰可見的價(jià)帶結(jié)構(gòu)。每個(gè)硅原子的最外層都有四個(gè)電子。與相鄰原子共享電子對，所以每個(gè)原子都與周圍原子共享四個(gè)共價(jià)鍵。單晶硅通常被制成大的圓筒形硅錠，然后切割成圓形或半方的太陽能電池。半方太陽能電池成型于圓片，但是應(yīng)把邊緣切掉這樣才能在矩形模塊中裝入更多電池。

通常，人們以制造過程的不同來區(qū)別單晶硅晶片。其中，直拉晶片是使用最普遍的硅晶片類型，太陽能電池和集成芯片供應(yīng)都使用到它。下面的動(dòng)畫將展示直拉大面積單晶硅錠的制造過程。2023/2/4UNSW新南威爾士大學(xué)18§5.3.3

硅晶片和襯底

直拉單晶硅

雖然直拉法是制備商業(yè)硅晶片最常用的方法，但它對于高效率實(shí)驗(yàn)室太陽能電池和特定市場的太陽能電池，還是有些不足之處。直拉法制晶片內(nèi)含有大量的氧。雜質(zhì)氧會(huì)降低少數(shù)載流子的壽命，繼而減小電壓、電流以及轉(zhuǎn)換效率。此外，氧原子以及氧和其它元素共同形成的化合物可能在高溫時(shí)變得十分活躍，使得晶片對高溫處理過程非常敏感。為了克服這些問題，人們使用了懸浮區(qū)熔法制硅片。它的過程是，熔融區(qū)域緩慢的通過硅棒或硅條。熔融區(qū)的雜質(zhì)卻留在熔融區(qū)內(nèi)，而不是一同過去混合在凝結(jié)區(qū)內(nèi)，因此，當(dāng)熔融區(qū)的硅都過去后，一塊非常純凈的單晶硅錠就形成了。2023/2/419§5.3.4

硅晶片和襯底

懸浮區(qū)熔單晶硅§5.3.4

硅晶片和襯底

懸浮區(qū)熔單晶硅多晶硅錠熔融區(qū)的硅射頻線圈生長好的單晶材料單晶種子懸浮區(qū)熔法制硅片法原理圖

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。然而由于有晶界的存在，所以多晶硅材料的性能比不上單晶硅材料。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。此外，晶界還通過阻礙載流子的流動(dòng)以及為穿過pn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。2023/2/421§5.3.5

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。這也能讓電池從前到后擴(kuò)大單個(gè)晶界的規(guī)模，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。這種多晶硅材料被廣泛使用在商業(yè)太陽能電池制造中。2023/2/4UNSW新南威爾士大學(xué)22在兩個(gè)晶粒之間的掛鍵是很不友善的，它們能降低電池的性能。多晶硅片§5.3.5

硅晶片和襯底

多晶硅§5.3.6

硅晶片和襯底

非晶硅

非晶硅（α-si），是一種結(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。缺少長程有序結(jié)構(gòu)將嚴(yán)重非晶硅的材料性能。在把非晶硅材料制成太陽能電池之前，需要對這些懸掛鍵進(jìn)行鈍化處理。即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%，讓懸掛鍵處于飽和狀態(tài)，因此提高了材料的質(zhì)量。盡管如此，非晶硅的材料性能與那些晶體硅還是有顯著的不同。例如，禁帶寬度從晶體硅的1.1eV上升到了非晶硅的1.7eV，且非晶硅的吸收系數(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。23§5.3.6

硅晶片和襯底

非晶硅額外的懸掛鍵額外的懸掛鍵被氫原子終結(jié)非晶硅結(jié)構(gòu)的短程無序影響了它的半導(dǎo)體特性。氫原子終結(jié)了額外的懸掛鍵。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多晶硅的不同。

對于α-Si太陽能電池來說，非晶硅的不同材料性質(zhì)需要不同的設(shè)計(jì)方法。特別是，硅-氫合金的少數(shù)載流子的擴(kuò)散長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1μm。因此，要獲得高的收集效率就必須在pn結(jié)耗盡區(qū)產(chǎn)生盡可能多的光生載流子。結(jié)果是，耗散區(qū)就成為了收集光生載流子最主要的區(qū)域。非晶硅的高吸收系數(shù)使得電池的材料只有幾微米厚，也意味著，比起發(fā)射區(qū)和基區(qū)來，耗散區(qū)的厚度要大得多。2023/2/4UNSW新南威爾士大學(xué)25本征硅（無摻雜）存在強(qiáng)電場的耗散區(qū)a-Si:H太陽能電池示意圖?！?.3.6

硅晶片和襯底

非晶硅§5.3.6

硅晶片和襯底

非晶硅結(jié)構(gòu)的不相同，意味著α-Si和晶體硅太陽能電池的制造技術(shù)也不相同。在α-Si和其它薄膜電池的制造技術(shù)中，一層非常薄的半導(dǎo)體材料被沉積在玻璃表面或其他便宜的襯底上。薄膜太陽能電池被運(yùn)用在許多小型消費(fèi)產(chǎn)品中，比如計(jì)算機(jī)、手表以及不是很重要的戶外產(chǎn)品?？偟膩碚f，薄膜為太陽能電池提供了一種成本非常低的制造途徑。然而，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)。對薄膜和其它潛在低成本太陽能電池的研究為在使用非晶硅電池時(shí)所出現(xiàn)的問題提供了解決辦法。結(jié)果是，這一研究為高效率、穩(wěn)定和低成本太陽能電池的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。2023/2/427對于那些能量需求很小以及容易安裝電池的消費(fèi)產(chǎn)品來說，非晶硅電池是一種理想的選擇。手表的整個(gè)表面都是太陽能電池片，足以為手表運(yùn)行提供能量。§5.3.6

硅晶片和襯底

非晶硅

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)，且絲網(wǎng)印刷電池在如今的陸地用光伏電池市場中占據(jù)統(tǒng)治地位。這種技術(shù)的主要優(yōu)勢就是制造過程相對簡單。下面的動(dòng)畫展示了制造絲網(wǎng)印刷太陽能電池的一系列步驟。動(dòng)畫中展示的制造技術(shù)是最簡單的一種，現(xiàn)在已被許多制造商和研究實(shí)驗(yàn)室改進(jìn)了。2023/2/4UNSW新南威爾士大學(xué)28§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

到了現(xiàn)代，上面所說的制造流程已經(jīng)有了許多改變，既能獲得更高的效率且成本更低。有些技術(shù)還已經(jīng)被運(yùn)用到商業(yè)制造中，而其它的則也正在從實(shí)驗(yàn)室到生產(chǎn)線的過程中不斷改進(jìn)、提高。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)，此區(qū)域的摻雜情況都是相同的。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。然而，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，也已經(jīng)被研究者提出來了，但依然沒有一項(xiàng)被運(yùn)用到商業(yè)制造中。

2023/2/4UNSW新南威爾士大學(xué)29§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

從單晶硅錠切割下來的晶片很容易通過制絨來減少表面反射，方法是使用化學(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，所以對于多晶硅材料的隨機(jī)取向界面來說，化學(xué)刻蝕的效果很有限。于是，人們又研究了許多不同的制絨多晶硅的方案：

1）使用切割工具或激光在晶片表面進(jìn)行機(jī)械制絨；

2）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；

3）各向同性化學(xué)刻蝕與光刻掩模技術(shù)相結(jié)合；

4）等離子刻蝕。雖然許多制絨多晶硅材料的方法都展示了相當(dāng)大的前景，但是至今還沒有一項(xiàng)被實(shí)施在大規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)線中。§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

減反射膜非常有利于不容易制絨的多晶硅材料。二氧化鈦（TiO2）與氮化硅（SiNx）是兩種常見的減反射膜材料。膜的制造適用于簡單的技術(shù)，如噴灑或化學(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)。邊界隔離如今有許多邊界隔離技術(shù)，比如等離子刻蝕、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。2023/2/4UNSW新南威爾士大學(xué)31§5.4.1

硅太陽能電池的制造技術(shù)

絲網(wǎng)印刷太陽能電池背電極

背電極是在一般pn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。總的趨勢是向襯底面積的擴(kuò)大化發(fā)展，多晶硅晶片達(dá)到15x15cm2，厚度達(dá)到200μm。2023/2/4UNSW新南威爾士大學(xué)32§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的鏡頭特寫。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。絲網(wǎng)的尺寸覺得了柵條的最小寬度。柵條寬度通常為100到200μm。對已經(jīng)完成絲網(wǎng)印刷的太陽能電池的鏡頭特寫。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減少電池串聯(lián)電阻?！?.4.1

硅太陽能電池的制造技術(shù)

絲網(wǎng)印刷太陽能電池?fù)碛型暾z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使電池的組裝變得簡化。§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§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?fù)碛型暾z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（左），要么全部由鋁構(gòu)成并形成背面電場（右），但是需要第二道印刷工序。下面的幾幅圖將向你展示商業(yè)絲網(wǎng)印刷太陽能電池的制造設(shè)備。全部圖片承蒙歐洲太陽能公司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?！?.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。上圖為自動(dòng)上料的擴(kuò)散爐以及已經(jīng)摻雜了磷的硅晶片。點(diǎn)擊圖片能轉(zhuǎn)換不同圖片。需要注意的是，圖中即將進(jìn)入右邊擴(kuò)散爐的晶片都是出自同一塊硅錠，它們擁有相似的晶粒分布?！?.4.2

硅太陽能電池的制造技術(shù)

制造太陽能電池2023/2/4UNSW新南威爾士大學(xué)38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。點(diǎn)擊圖片能進(jìn)距離觀察藍(lán)色塑料屏下的絲網(wǎng)印刷過程?！?.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)電池的效率測量工作后，對它們進(jìn)行排序以盡量減小模塊錯(cuò)配。用鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖片觀看另一幅圖片?！?.4.2

硅太陽能電池的制造技術(shù)

制造太陽能電池2023/2/4UNSW新南威爾士大學(xué)40在進(jìn)行壓片之前排列電池片?！?.4.2

硅太陽能電池的制造技術(shù)

制造太陽能電池

埋電極太陽能電池（如圖）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。2023/2/4UNSW新南威爾士大學(xué)41埋電極太陽能電池，激光刻槽的橫截圖。氧化物背金屬電極§5.4.3

硅太陽能電池的制造技術(shù)

埋電極太陽能電池§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。因此，金屬柵條的大高-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。部分激光刻槽的橫截圖2023/2/4UNSW新南威爾士大學(xué)43除了具有良好的減反射特性之外，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。就像在發(fā)射區(qū)電阻一節(jié)中說的那樣，之所以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。此外，由于在半導(dǎo)體-金屬交界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?？偟膩碚f，這些電阻損耗的減小使得大面積電池?fù)碛懈叩奶畛湟蜃??！?.4.3

硅太陽能電池的制造技術(shù)

埋電極太陽能電池與絲網(wǎng)印刷相比，埋電極電池的金屬化方案同樣提升了發(fā)射區(qū)的性能。為了盡量減少電阻損耗，要對絲網(wǎng)印刷電池的發(fā)射區(qū)進(jìn)行重?fù)诫s，而這也導(dǎo)致了電池表面“死層”的出現(xiàn)。因?yàn)槁耠姌O結(jié)構(gòu)的發(fā)射區(qū)電阻很小，所以能夠通過優(yōu)化發(fā)射區(qū)的摻雜來獲得高開路電壓和短路電流。此外，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。

2023/2/4UNSW新南威爾士大學(xué)44§5.4.3

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埋電極太陽能電池§5.4.3

硅太陽能電池的制造技術(shù)

埋電極太陽能電池為了看得更清晰，動(dòng)畫中的電池厚度被擴(kuò)大了。埋電極電池的高效率顯著降低了成本，并提高了電池性能。就成本﹩/w而言，埋電極電池與絲網(wǎng)印刷電池是不相上下的。然而，由于PV系統(tǒng)中包括了與面積相關(guān)的成本和固定成本，則效率高的太陽能電池的發(fā)電成本更低。埋電極電池技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢是能夠在聚光太陽能系統(tǒng)中使用。下面的動(dòng)畫展示了激光刻槽埋電極太陽能電池的制造工序。

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。2023/2/4UNSW新南威爾士大學(xué)46Hondadream，1996年世界太陽能汽車挑戰(zhàn)賽的冠軍車。此車的太陽能電池效率超過20%?！?.4.4

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高效率太陽能電池§5.4.4

硅太陽能電池的制造技術(shù)

高效率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，既能盡量減小復(fù)合損失又能避免

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20μm，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。

小的電池面積和好的金屬導(dǎo)電性，以盡量減小金屬網(wǎng)格電阻

損失。小的金屬接觸面積和在金屬電極下面進(jìn)行重?fù)诫s，以盡量減小復(fù)合效應(yīng)。使用精密加工的金屬，如鈦/鈀/銀，