新能源材料第9講

9章晶體硅太陽電池材料9.1

晶體硅太陽電池的發(fā)展情況晶體硅太陽電池分為單晶硅太陽電池與多晶硅太陽電池。晶體硅太陽電池是目前市場上的主導(dǎo)產(chǎn)品，1997年占國際市場的份額在80%以上。目前其生產(chǎn)用的設(shè)備及原料都與半導(dǎo)體工業(yè)密切相關(guān)。這類電他穩(wěn)定性高、資源豐富、無毒性，在適當(dāng)時(shí)期內(nèi)可利用半導(dǎo)體工業(yè)的次品硅料作原料，電池的效率可達(dá)到一定水平。9.2晶體硅太陽電池結(jié)構(gòu)晶體硅太陽電池按材料形態(tài)主要分為單晶硅、多晶硅、帶狀硅、多晶硅薄膜等，其結(jié)構(gòu)示意見圖9－1能顯著影響太陽電池效率的雜質(zhì)有Ta，Mo，Nb，W，Zr，Ti，V，Cr，Co，Mn，F(xiàn)e等。它們對材料性能參數(shù)的主要影響是能降低少數(shù)載流子的壽命。要提高硅太陽電池的轉(zhuǎn)化效率，首先必需考慮硅基片的質(zhì)量，主要在晶體硅材料成本允許下使少子壽命或少子擴(kuò)散長度越長越好。為此，要求在晶體生長時(shí)使晶體的缺陷密度及雜質(zhì)含量盡可能的少。此外，在電池器件工藝中采用吸雜工藝，以提高基片特別是pn結(jié)附近的質(zhì)量，也能提高電池的性能。選擇硅基體摻雜最佳的濃度要考慮如下因數(shù)：對ISC和VOC的影響。而且可知ISC和VOC對于摻雜濃度有相反的依賴關(guān)系。為了得到最大的轉(zhuǎn)換效率，應(yīng)該選擇一個(gè)最佳的基體摻雜濃度。在電池上制作背電場也是提高電池效率的有效途徑。減反射膜對太陽電池的電性能有明顯的增益作用，要使太陽電池光對光反射引起的損失減至最少必須使反射系數(shù)ρ最小。為實(shí)現(xiàn)減反射的功能，單層減反射膜必須滿足如下關(guān)系：n1t＝λ/4n1＝（n0n2）1/2式中

n1為單層反射膜的折射率；

n0為進(jìn)入減反射膜前的介質(zhì)的折射率；

n2為硅的折射率；

t為減反射膜的厚度。雙層減反射膜必須滿足如下關(guān)系：n1t1＝n2t2＝λ/4，n22/n12＝n2/n1（n3>n2>n1>n0）式中：n1和n2為雙層減反射膜的折射率；n3為硅折射率；n0為光進(jìn)入減反射膜前的介質(zhì)的折射率。另一種減反射的方法是在硅表面制作絨面。如圖所示9.3晶體硅太陽電池材料與技術(shù)9.3.1單晶硅太陽電池及材料9.3.1.1單晶硅生長技術(shù)

生長單晶硅的兩種最常用方法為丘克拉斯基法及區(qū)熔法。1）丘克拉斯基法這是制備單晶的一種方法，又稱直拉法。是將硅料在石英坩堝中加熱融化，用籽晶與硅液面進(jìn)行接觸，然后開始向上提升以長出柱狀的晶棒。2）區(qū)熔法生長硅單晶區(qū)熔法主要用于材料的提純，也可用于生長單晶。9.3.1.2單晶硅材料性能的改進(jìn)近年來太陽電池效率明顯提高，一部分原因是硅片材質(zhì)的提高。高質(zhì)量的太陽電池用單晶硅片是無錯(cuò)位單晶，少子壽命在2μs以上，一般6μs左右。9.3.1.3常規(guī)太陽電池工藝

目前工業(yè)界大部分晶體硅太陽電池的制作工藝如下：清洗腐蝕及絨面處理→用輸送帶爐或擴(kuò)散爐進(jìn)行pn結(jié)制作→等離子法刻蝕硅片周邊→絲網(wǎng)印刷鋁漿（或鋁銀汞）→（輸送帶燒結(jié)）→絲網(wǎng)印刷銀漿→輸送帶燒結(jié)→（噴涂二氧化鈦減反射膜）→電池片測試分檔→電池片焊結(jié)串聯(lián)→太陽電池層壓封裝→太陽電池組裝→太陽電池組件測試。9.3.1.4高效太陽電池工藝

主要的高效化電池工藝如下：1）發(fā)射極鈍化及背面局部擴(kuò)散太陽能電池（PERL）

電池正反面及背面局部擴(kuò)散太陽能電池，并采用光刻技術(shù)將電池表面的氧化硅層制成倒金字塔。如下圖

2）埋柵太陽電池（BCSC）如圖，采用激光刻槽或機(jī)械刻槽3）用雙層減反射膜工藝進(jìn)一步提高高效能太陽能電池的效率TiO2＋MgF2膜為常用的一種。主要在多晶硅太陽能電池上采用電池工藝來提高硅片材質(zhì)，例如吸雜、鈍化等。這些工藝對單晶電池也有效果，高效電池也可使用。9.3.2多晶硅太陽電池及材料多晶硅太陽電池的出現(xiàn)主要為了降低晶體硅太陽電池的成本。其優(yōu)點(diǎn)是能直接制出方形硅錠，設(shè)備簡單；材質(zhì)及電能消耗少；缺點(diǎn)效率比單晶硅太陽電池低。9.3.2.1鑄錠工藝鑄錠工藝主要包括定向凝固化法及澆鑄法。定向凝固：將硅料放到坩堝中熔融，然后將坩堝從熱場逐漸下降或從熱場逐漸下降或從坩堝底部通冷源，以造成溫度梯度，固液界面則從坩堝底部向上移動(dòng)而形成晶錠。澆鑄法：將熔化后的硅液從坩堝中倒入另一模具中形成晶錠，鑄出的方形硅錠被切成方形硅片做成太陽電池。9.3.2.2多晶硅結(jié)構(gòu)及材料性能與少子壽命有關(guān)的參數(shù)測試的計(jì)算機(jī)圖像儀能對硅片的缺陷及少子壽命或相近的參數(shù)進(jìn)行面的掃描，以觀察其性能。這對多晶硅的結(jié)構(gòu)及材料的性能的系統(tǒng)分析有很大幫助，能較系統(tǒng)的地研究晶體生長條件及熱場變化等對局部硅材料質(zhì)量的影響。而測試缺陷、晶界、雜質(zhì)對晶體硅電池產(chǎn)生局部影響的儀器，是在掃描電鏡上加上EBIC（電子束感應(yīng)電流法）功能部件，對樣品進(jìn)行掃描。

9.3.2.3晶體硅太陽電池工藝改進(jìn)主要采用吸雜、鈍化、表面處理等工藝。1）吸雜不同太陽電池的吸雜作用是不同的，認(rèn)為吸雜速率受控于兩個(gè)步驟：①金屬雜質(zhì)的釋放/擴(kuò)散決定了吸雜溫度的下限；②分凝模型控制了吸雜的最佳溫度。

2）鈍化鈍化是提高多晶硅質(zhì)量的有效方法，可采用氫鈍化硅體內(nèi)的懸掛鍵的缺陷。缺陷越多，氫鈍化效果越好。3）表面改性以增強(qiáng)減反射作用多晶體太陽電池的表面存在多種晶向，因而對其進(jìn)行各種處理，已達(dá)到減反射的作用。4）硅片的加工技術(shù)使用多線切割機(jī)，可明顯降低晶體硅片的成本。鑄錠法中需要解決以下主要問題：1）對盛硅容器的材質(zhì)要求。2）用調(diào)整熱場等方法控制晶體結(jié)構(gòu)，以生長出大小合適的具有單向性的晶粒，并盡量減少晶體中的缺陷，這樣才有可能制成效率較高的電池。9.3.3其他多晶硅類太陽電池及材料9.3.3.1硅帶另一種用于制作太陽電池的多晶硅材料是硅帶（片裝硅）。目前比較成熟的制晶帶方法有：枝蔓蹼狀晶（WEB）法和限邊喂膜（EFG）法9.3.3.2小硅球太陽電池此類太陽電池是將平均直徑1.2mm的約2萬個(gè)小硅球鑲在100cm2的鋁箔上形成的。每個(gè)小球具有PN結(jié)，小球在鋁箔上形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)，100cm2的面積電池效率可達(dá)10％。9.3.3.3多晶硅膜太陽電池近年來，多晶硅膜太陽電池研究受到較多重視。膜生長的主要方法及特點(diǎn)對比于下表。

9.3.4晶體硅太陽電池用硅材料1）現(xiàn)用太陽電池硅材料目前世界上光伏工業(yè)晶體硅太陽電池所用的晶錠投爐料都是半導(dǎo)體工業(yè)的次品硅及其單晶硅的頭尾料，約占半導(dǎo)體工業(yè)生產(chǎn)硅料的1/10，其量約1000t/a～1200t/a。目前半導(dǎo)體工業(yè)用的多晶硅料大部分采用三氯氫硅精鎦法制成。2）太陽級硅對太陽級硅應(yīng)達(dá)到的純度并沒有嚴(yán)格規(guī)定，但要求用此材料制作的太陽電池的效率應(yīng)達(dá)到10％以上。當(dāng)光伏工業(yè)的用量達(dá)到一定水平而半導(dǎo)體工業(yè)提供不了低價(jià)次品硅料時(shí)，太陽級硅就可能進(jìn)行正式生產(chǎn)。9.3.5空間用硅太陽電池目前空間用的太陽電池中單晶硅電池占重要的地位。從成本及成熟性方面考慮，要求電池在空間有耐輻射的性能，電池片要薄，電池的面積朝大面積化的方向發(fā)展。9.4晶體硅太陽電池的發(fā)展晶體硅太陽電池在今后幾十年內(nèi)仍具有重要地位。晶體硅太陽電池研究的主要目標(biāo)：對現(xiàn)有的商用晶體硅電池及