晶體硅電池制作過程課件

目前的商業(yè)化太陽電池中，晶體硅占九成以上。隨著其它不同材料的太陽電池應(yīng)用，晶體硅的使用比例會(huì)略減，但它在未來仍然會(huì)是太陽電池的主流。原因之一是隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，晶體硅的技術(shù)成熟度高，間接地降低了生產(chǎn)成本。1晶體硅\多晶硅太陽電池最早的晶體硅太陽電池是使用P型的CZ硅單晶做基板，隨著價(jià)格較低的多晶硅片出現(xiàn)，多晶硅太陽電池已成為占有率最高的主流技術(shù)。但多晶硅太陽電池的效率低于單晶硅太陽電池，所以，從單位成本的發(fā)電效率（Wattperdollar）來看，兩者實(shí)際上非常接近。本章介紹晶體硅太陽電池的基本結(jié)構(gòu)、制作太陽電池的基本流程及模組化技術(shù)2一、基本結(jié)構(gòu)二、制作太陽電池的基本流程三、模組化技術(shù)四、薄膜型微晶硅太陽電池3晶體硅太陽電池為達(dá)到一般應(yīng)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(jìn)一步的串聯(lián)或并聯(lián)則可形成陣列安排（array）。56電池（cell）；模組（module）；陣列（array）在一把的太陽電池應(yīng)用系統(tǒng)上，還包括蓄電池（storagebattery）、功率調(diào)節(jié)器（powerconditioner）和安裝固定結(jié)構(gòu)（mountingstructures）等周邊設(shè)施，統(tǒng)稱為平衡系統(tǒng)（balanceofsystem）。隨材料和制造技術(shù)不同，太陽電池的架構(gòu)會(huì)有不同變化，但最基本的結(jié)構(gòu)可分為基板、PN二極管、抗反射層、表面粗糙結(jié)構(gòu)化和金屬電極等五個(gè)主要部分。7為達(dá)到最佳的轉(zhuǎn)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(jié)合(carrierrecombination)；金屬電極接觸最優(yōu)化。9在晶體硅太陽電池中，以單晶硅能達(dá)到的能量轉(zhuǎn)換效率最高。要達(dá)到最優(yōu)的能量轉(zhuǎn)換效率，所使用的基板的品質(zhì)最為關(guān)鍵，這里的品質(zhì)指基板應(yīng)具有很好的結(jié)晶完美性、最低的雜質(zhì)污染等。就品質(zhì)的完美性而言，所有的結(jié)晶硅中以FZ硅片（FloatZoneSilicon）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（grainboundaries）及差排（dislocation），使得能量轉(zhuǎn)換效率不如CZ單晶硅片。101基板少數(shù)載流子的壽命是影響能量轉(zhuǎn)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(zhì)的影響，金屬雜質(zhì)越高，壽命越短，能量轉(zhuǎn)換效率越低。除了起始基板本身的金屬雜質(zhì)外，太陽電池的高溫制備過程中也會(huì)引入雜質(zhì)。除了嚴(yán)格控制制備過程以去除雜質(zhì)污染外，另一重要技術(shù)是引入去疵技術(shù)（Getteringtechnology），去降低金屬雜質(zhì)對(duì)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(zhuǎn)換效率的有效方法。1113晶體硅基板的厚度與太陽電池效率的關(guān)系（Ld為擴(kuò)散長度）由于硅具有很高的反射系數(shù)（reflectionindex），它對(duì)太陽光的反射程度在長波區(qū)域（~1100nm）可達(dá)到54%，在短波長區(qū)域（~400nm），可達(dá)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(jìn)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。142表面結(jié)構(gòu)粗糙化（Texturing）15利用表面的粗糙結(jié)構(gòu)可以降低光線的反射程度原理圖17利用NaOH或KOH的堿性蝕刻液，產(chǎn)生出的逆金字塔狀凹槽PN二極體是光伏效應(yīng)的來源，由高溫?cái)U(kuò)散產(chǎn)生。在P型晶體硅基板上做N型擴(kuò)散，或是在N型基板上做P型擴(kuò)散而產(chǎn)生的。一般的N型擴(kuò)散只有約0.5μm左右的厚度，而且是在基板做完粗糙化處理后才進(jìn)行的。183P-N二極體除了將晶體硅表面做粗糙織構(gòu)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=nλ/4最好，反射的情況可被降至最低。194抗反射層（AntireflectionCoating）在這樣的結(jié)構(gòu)中，多數(shù)載流子可以順利地由硅表面流到金屬，不會(huì)有太大的電壓損失；而由于重?fù)诫s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?fù)絽^(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backsurfacefield（BSF）金屬層。2122一般而言，太陽電池的正面與背面，都有兩道較寬的白色垂直線，稱為BusBar，提供與外界電路的焊接。在正面的條狀金屬電極，還會(huì)往側(cè)邊伸展出一系列很細(xì)的金屬手指（finger），一般稱為格子線gridlines。格子線的設(shè)計(jì)，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50μm以下，Busbar的寬度約在0.5mm左右。一般而言，正面的金屬線會(huì)遮掉3~5%的入射光面積。金屬電極材料一般為鋁或銀合金。2325基本的太陽電池制造流程示意圖首先是利用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（isopropylalcohol）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(shù)，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。261表面結(jié)構(gòu)粗糙化（Texturization）這是因?yàn)槎嗑Ч璞砻娲嬖谥S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(jī)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(jī)械加工所造成的表面損傷層。一般的V型凹槽的深度為50μm左右。2930利用機(jī)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度完成表面粗糙織構(gòu)化之后，硅基板要利用高溫?cái)U(kuò)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(kuò)散來形成P-N二極管。由于為高溫操作，對(duì)金屬離子的污染必須注意。依據(jù)所使用的擴(kuò)散爐管的類型，擴(kuò)散工藝可分為：（1）石英爐管（2）傳輸帶式爐管（Beltfurnace）312磷擴(kuò)散制作（PhosphorousDiffusion）32（1）石英爐管石英管擴(kuò)散爐示意圖反應(yīng)歷程：后處理：經(jīng)過擴(kuò)散爐處理完的硅晶片表面會(huì)產(chǎn)生一層二氧化硅，通常必須利用氫氟酸來去除表面的二氧化硅：特點(diǎn)：商業(yè)擴(kuò)散爐為批式流程（bach）。石英擴(kuò)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。3334石英管擴(kuò)散爐實(shí)際照片35（2）傳輸帶式爐管（Beltfurnace）傳輸帶式爐管示意圖制作過程：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(jìn)行擴(kuò)散。爐管內(nèi)的溫度可設(shè)計(jì)為幾個(gè)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(jī)物燒掉，接著進(jìn)入約950℃的高溫區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)散過程。缺點(diǎn)：由于外界空氣可進(jìn)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(kuò)散爐大。36擴(kuò)散裝置示意圖37管內(nèi)氣體中雜質(zhì)源的濃度擴(kuò)散溫度擴(kuò)散時(shí)間38影響擴(kuò)散的因素管內(nèi)氣體中雜質(zhì)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(zhì)源達(dá)到一定程度時(shí)，將對(duì)N型區(qū)域的磷濃度改變影響不大。擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時(shí)間對(duì)擴(kuò)散結(jié)深影響較大。N型區(qū)域磷濃度和擴(kuò)散結(jié)深共同決定著方塊電阻的大小。39影響擴(kuò)散的因素１．三氯氧磷（POCl3）液態(tài)源擴(kuò)散２．噴涂磷酸水溶液后鏈?zhǔn)綌U(kuò)散３．絲網(wǎng)印刷磷漿料后鏈?zhǔn)綌U(kuò)散40太陽電池磷擴(kuò)散方法POCl3是目前磷擴(kuò)散用得較多的一種雜質(zhì)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(diǎn)2℃，沸點(diǎn)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)。41POCl3

簡介POCl3磷擴(kuò)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(yīng)式如下：生成的P2O5在擴(kuò)散溫度下與硅反應(yīng)，生成二氧化硅（SiO2）和磷原子，其反應(yīng)式如下：42由上面反應(yīng)式可以看出，POCl3熱分解時(shí)，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(duì)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(huì)進(jìn)一步分解成P2O5并放出氯氣（Cl2）其反應(yīng)式如下：生成的P2O5又進(jìn)一步與硅作用，生成SiO2和磷原子，由此可見，在磷擴(kuò)散時(shí)，為了促使POCl3充分的分解和避免PCl5對(duì)硅片表面的腐蝕作用，必須在通氮?dú)獾耐瑫r(shí)通入一定流量的氧氣。在有氧氣的存在時(shí)，POCl3熱分解的反應(yīng)式為：POCl3分解產(chǎn)生的P2O5淀積在硅片表面，P2O5與硅反應(yīng)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(jìn)行擴(kuò)散。POCl3液態(tài)源擴(kuò)散方法具有生產(chǎn)效率較高，得到PN結(jié)均勻、平整和擴(kuò)散層表面良好等優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)于制作具有大面積結(jié)的太陽電池是非常重要的。在太陽電池?cái)U(kuò)散工藝中，擴(kuò)散層薄層電阻（方塊電阻）是反映擴(kuò)散層質(zhì)量是否符合設(shè)計(jì)要求的重要工藝指標(biāo)之一。方塊電阻也是標(biāo)志進(jìn)入半導(dǎo)體中的雜質(zhì)總量的一個(gè)重要參數(shù)。46擴(kuò)散層薄層電阻及其測量方塊電阻的定義考慮一塊長為l、寬為a、厚為t的薄層如右圖。如果該薄層材料的電阻率為ρ，則該整個(gè)薄層的電阻為47當(dāng)l=a（即為一個(gè)方塊）時(shí)，R=

ρ/t?？梢?，（ρ/t）代表一個(gè)方塊的電阻，故稱為方塊電阻，特記為R□=

ρ/t(Ω/□)擴(kuò)散層薄層電阻的測試目前生產(chǎn)中，測量擴(kuò)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(shí)與樣品表面接觸良好，外面一對(duì)探針用來通電流、當(dāng)有電流注入時(shí)，樣品內(nèi)部各點(diǎn)將產(chǎn)生電位，里面一對(duì)探針用來測量2、3點(diǎn)間的電位差。

48目的：經(jīng)過擴(kuò)散工藝后，晶片的邊緣也會(huì)出現(xiàn)一層N型摻雜區(qū)，如果不去除，則會(huì)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(jié)構(gòu)。方法：一般采用低溫的干蝕刻技術(shù)（dryetching）。將晶片堆疊在一起（保證不會(huì)蝕刻到晶片的正面及背面），放入反應(yīng)爐內(nèi)，使用CF4及O2的等離子體進(jìn)行干蝕刻。493邊緣絕緣處理（EdgeIsolation）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?？狗瓷鋵拥耐坎技夹g(shù)：以化學(xué)蒸鍍法（ChemicalVaporDeposition，簡稱CVD）最為常用。

CVD法又可分為APCVD（AtmosphericPressureCVD）、PECVD(PlasmaEnhancedCVD)和RPCVD(ReducedPressureCVD)。504抗反射層涂布（ARCDeposition）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(jī)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(jī)化合物在晶片表面產(chǎn)生水解反應(yīng)，而將氧化鈦沉積蒸鍍?cè)诠杈谋砻?。此法可利用傳輸帶式反?yīng)爐大量生產(chǎn)，或使用網(wǎng)?。╯creenprint）的方式進(jìn)行涂布，再置于高溫下沉積。51(1)APCVDPECVD法一般被用來生產(chǎn)氮化硅（SiNx）抗反射層。在反應(yīng)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(jié)構(gòu)的氮化硅（SiNx）抗反射層。在此反射層內(nèi)，會(huì)含有將近40%原子比例的氫原子，雖然非晶的氮化硅的化學(xué)式寫作SiNx，但實(shí)際上應(yīng)該是a-SiNx:H。52(2)PECVD法53(2)PECVD法利用PECVD法生產(chǎn)氮化硅抗反射層的示意圖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?yàn)闅湓涌梢耘c多晶硅內(nèi)部的雜質(zhì)及缺陷（如晶界）發(fā)生反應(yīng)，而大幅降低多晶硅內(nèi)部在電性上的活性，降低了少數(shù)載流子再結(jié)合的機(jī)會(huì)，此鈍化稱為BulkPassivation。PECVD法使用的RF有高頻（~13.56MHz）及低頻（10~500KHz）兩種，前者在表面鈍化（surfacepassivation）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。54太陽電池對(duì)正面金屬電極的要求：與硅接觸時(shí)電阻低；金屬線寬?。桓街?qiáng)；可焊接性強(qiáng)；可大量生產(chǎn)及低制造成本。基于上述要求，網(wǎng)?。╯creenprinting）技術(shù)是目前最廣泛使用的技術(shù)。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(jìn)行印刷。

555正面電極網(wǎng)?。‵rontContactPrint）56網(wǎng)印技術(shù)示意圖網(wǎng)印技術(shù)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10μm左右，間距約100μm。金屬膏的成分有：有機(jī)溶劑，使得金屬膏呈現(xiàn)流動(dòng)態(tài)；有機(jī)結(jié)合劑，固定金屬粉末；銀粉，粒度10μm左右；玻璃粉，低熔點(diǎn)、高活性的氧化物粉末，可以對(duì)硅表面進(jìn)行蝕刻反應(yīng)，幫助銀粉與硅表面的結(jié)合。57使用尼龍絲網(wǎng)的特點(diǎn)：尼龍絲網(wǎng)是由化學(xué)合成纖維制作而成，高強(qiáng)度；耐磨性、耐化學(xué)藥品性、耐水性、彈性較好；絲徑均勻，表面光滑，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(shí)間后可能導(dǎo)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。58補(bǔ)充—絲網(wǎng)印刷技術(shù)介紹

59尼龍絲網(wǎng)印刷基本流程使用不銹鋼絲網(wǎng)的特點(diǎn)：絲徑細(xì)、目數(shù)多，耐磨性好，強(qiáng)度高，尺寸穩(wěn)定，拉伸性??；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。6061不銹鋼絲網(wǎng)印刷基本流程Closeupofascreenusedforprintingthefrontcontactofasolarcell.Duringprinting,metalpasteisforcedthroughthewiremeshinunmaskedareas.Thesizeofthewiremeshdeterminestheminimumwidthofthefingers.Fingerwidthsaretypically100to200μm.Closeupofafinishedscreen-printedsolarcell.Thefingershaveaspacingofapproximately3mm.Anextrametalcontactstripissolderedtothebusbarduringencapsulationtolowerthecellseriesresistance.Frontviewofacompletedscreen-printedsolarcell.Asthecellismanufacturedfromamulticrystallinesubstrate,thedifferentgrainorientationscanbeclearlyseen.Thesquareshapeofamulticrystallinesubstratesimplifiesthepackingofcellsintoamodule.通常也采用網(wǎng)印技術(shù)來制造，與正面電極的不同點(diǎn)在于，金屬膏成分同時(shí)含有銀粉和鋁粉。這是因?yàn)殂y粉本身無法與P型硅形成歐姆接觸，而鋁雖然可與P型硅形成歐姆接觸，但焊接性差，必須兩者混合使用。雖然一整層連續(xù)的背面電極的電阻較小，但生產(chǎn)中習(xí)慣采用正面電極般的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。因?yàn)橐徽麑舆B續(xù)的背面電極會(huì)因?yàn)椴煌臒崤蛎浵禂?shù)，而