硅太陽能電池制造技術2

硅晶片和襯底-直拉單晶硅直拉大面積單晶硅錠的制造過程生長硅單晶的方法很多，目前常采用直拉法與懸浮區(qū)熔法直拉單晶法〔Czochralski發(fā)，CZ法〕：

把原料多硅晶塊放入石英坩堝中，在單晶爐中加熱融化，再將一根直徑只有10mm的棒狀晶種〔稱籽晶〕浸入融液中。在適宜的溫度下，融液中的硅原子會順著晶種的硅原子排列結構在固液交界面上形成規(guī)那么的結晶，成為單晶體。1/13/20241工藝直徑純度少數截流子壽命電阻率位錯密度用途1/13/20242坩堝直拉法〔CZ〕的優(yōu)點是，可拉制大直徑和高摻雜低阻單晶。缺點是由于熔硅與石英坩堝〔SiO2〕熔接以及石墨的污染，將使大量的O、C及金屬雜質進入硅單晶，故CZ法不能制備高阻單晶。無坩堝區(qū)熔法〔FZ〕采用高頻感應加熱，通過熔區(qū)移動生長單晶，由于工藝不接觸石英坩堝〔SiO2〕和石墨加熱，可拉制高純度、長壽命單晶。缺點是單晶摻雜極為困難。1/13/20243直拉法工藝流程爐體、籽晶、硅多晶，摻雜劑，石英坩堝清潔處理裝爐抽真空〔或通保護氣體加熱熔化潤晶〔下種〕縮頸〔引晶〕放肩等徑生長降溫出爐性能測試將籽晶放入溶液中為消除位錯而拉出的一小段細晶體將細晶體的直徑放粗至所要求的直徑1/13/20244硅晶片和襯底-懸浮區(qū)熔單晶硅在區(qū)熔爐爐室內﹐將硅棒用上下夾頭保持垂直﹐有固定晶向的籽晶在下面﹐在真空或氬氯條件下﹐用高頻線圈加熱(2～3MHz)﹐使硅棒局部熔化﹐依靠硅的外表張力及高頻線圈的磁力﹐可以保持一個穩(wěn)定的懸浮熔區(qū)﹐熔區(qū)緩慢上升﹐到達制成單晶或提純的目的。懸浮區(qū)熔單晶硅1/13/20245區(qū)熔工藝流程多晶硅棒預熱熔融成半球熔接籽晶縮頸放肩收肩合棱等徑生長收尾單晶降溫出爐性能測試稍下壓上軸使熔區(qū)飽滿硅棒、晶體同步下行并通過適當拉壓上軸來控制晶體直徑輕拉上軸，使熔區(qū)逐步拉斷最后凝成尖形使用高頻線圈加熱硅棒，熔融硅在其外表張力作用下形成一個半球將硅棒下移，使硅棒下部的熔區(qū)與籽晶接觸，熔接在一起籽晶硅棒同步向下，造成飽滿而不崩塌的熔區(qū)籽晶向下，硅棒向上使熔區(qū)呈漏斗狀1/13/202461/13/20247片狀單晶硅的制備〔EFG法〕將多晶硅放入石英坩堝中，經石墨加熱器加熱熔化，將用石墨或者石英制成的有狹縫的模具浸在熔硅中，熔硅依靠毛細管作用，沿狹縫升到模具外表和籽晶融合，用很快的速度拉出。生長片狀單晶拉速可達50毫米/分。片狀單晶生長法現在多采用橫向拉制。將有一平缺口的石英坩堝裝滿熔硅，用片狀籽晶在坩堝出口處橫向引晶，快速拉出片狀單晶。片狀單晶橫向拉制時結晶性能好，生產連續(xù)，拉速快，可達20厘米/分。片狀單晶外表完整，不須加工或少許加工就可制做器件；省掉局部切磨拋工藝，大大提高了材料的利用率。片狀單晶拉制工藝技術高，難度大，溫度控制非常精確，片狀單晶工藝技術目前處于研究階段。1/13/20248直拉單晶硅與鑄造多晶硅的比較①優(yōu)點：直拉單晶硅為圓柱狀，其硅片制備的圓形太陽電池不能有效地利用太陽電池組件的有效空間，相對增加了太陽電池組件的本錢。如果將直拉單晶硅圓柱切成方柱，制備方形太陽電池，其材料浪費就增加，同樣也增加了太陽電池組件的本錢。②缺點：含有晶界、高密度的位錯、微缺陷和相對較高的雜質濃度，其晶體的質量明顯低于單晶硅，從而降低了太陽電池的光電轉換效率。硅晶片和襯底-多晶硅1/13/20249硅晶片和襯底-多晶硅制備多晶硅的技術相對要簡單一些，本錢也因此比單晶硅更低一些。由于有晶界的存在，多晶硅的性能比單晶硅差。晶界的存在導致了局部高復合區(qū)，因為它把額外的能級缺陷引入到了禁帶中，也因此減少了總的少數載流子壽命。晶界還通過阻礙載流子的流動以及為穿過p-n結的電流提供分流路徑的方式來降低太陽能電池的性能。多晶硅生長1/13/202410硅晶片和襯底-多晶硅為了防止晶界處的過度復合損失，晶界尺寸必須控制在幾毫米以上，減少對載流子流動的阻礙，同時也減小了電池單位面積上的總晶界長度。晶粒之間的晶界降低電池性能多晶硅片1/13/202411澆鑄法1/13/202412直熔法1/13/202413直熔法：石英坩堝下移或隔熱裝置上升，冷卻板通水冷卻澆鑄法：控制加熱區(qū)形成溫度梯度直熔法在產業(yè)界廣泛應用，澆鑄法目前只有德國太陽公司和日本京瓷公司等采用。這兩種技術，從本質上來講沒有根本區(qū)別，都是用鑄造法制備多晶硅，其主要區(qū)別是采用一只坩堝還是兩只坩堝。

冷卻方式不同1/13/2024141/13/2024151/13/202416①半導體級的高純多晶硅②微電子工業(yè)用單晶硅生產中的剩余料,包括質量較差的高純多晶硅、單晶硅棒的頭尾料③直拉單晶硅生長完成后剩余在石英坩堝中的堝底料鑄造多晶硅的原材料1/13/202417①裝料②加熱(1200-1300℃左右，4-5h)③化料(1500℃左右，9-11h)④晶體生長(1420℃-1440℃，20-22h)⑤退火〔熔點附近，2-4h〕⑥冷卻〔約10h〕直熔法制備鑄造多晶硅具體工藝流程1/13/202418鑄造多晶硅中的氧和硼形成B-O對，在光照下，導致太陽電池光電轉換效率的降低。氧的主要來源：①來自于原材料②來自于鑄造多晶硅生長過程中的溶解反響鑄造多晶硅中的雜質和缺陷鑄造多晶硅中碳的主要來源：①原材料②鑄造多晶硅的制備過程，由于石墨坩堝或石墨加熱器的蒸發(fā)1/13/202419硅晶片和襯底-非晶硅非晶硅：結構中有許多不受價鍵束縛的原子、缺少長程有序排列，但是制造本錢卻比多晶硅還低的硅材料。原子排列中缺少長程有序結構是由于“懸掛鍵〞的存在。通常需要對這些懸掛鍵進行鈍化處理。把氫原子與非晶硅材料結合，使氫原子的比例到達5-10%。非晶硅的材料性能與那些晶體硅有顯著的不同。禁帶寬度~1.7eV，吸收系數要比晶體硅高的多。此外，大量懸掛鍵的存在導致了高缺陷密度和低擴散長度額外的懸掛鍵額外的懸掛鍵被氫原子終結1/13/202420硅晶片和襯底-非晶硅非晶硅結構的短程無序影響了半導體特性，氫可以鈍化額外的懸掛鍵。平均原子間距的改變以及氫的存在導致了非晶硅的電特性與多晶硅的不同。1/13/202421硅晶片和襯底-非晶硅非晶硅中的少數載流子的擴散長度遠遠低于1μm。要獲得高的收集效率就必須在p-n結耗盡區(qū)產生盡可能多的光生載流子。非晶硅的高吸收系數使得電池的材料只有幾微米厚，基區(qū)就成為了收集光生載流子最主要的區(qū)域。在戶外或在含有紫外線的光源下使用的非晶硅電池會有降低效率的可能，因為紫外線會破壞Si-H的價鍵結構存在強電場的耗散區(qū)1/13/202422硅晶片和襯底-非晶硅a-Si:H太陽能電池1/13/202423硅太陽能電池的制造技術

絲網印刷太陽能電池絲網印刷太陽能電池在1970年代開始開展起來。它們是建立的最好、最成熟的太陽能電池制造技術，占據統(tǒng)治地位。絲網印刷太陽能電池制造過程1/13/202424硅太陽能電池的制造技術

絲網印刷太陽能電池

磷擴散絲網印刷太陽能電池通常使用簡單且均勻的擴散方法以形成發(fā)射區(qū)要保持低電極電阻，就需要在絲網印刷電極下面的外表摻雜進高濃度的磷外表高濃度的磷將會導致“死層〞形成，并降低電池的藍光響應。最新的電池設計能制備更淺的發(fā)射區(qū)，因此提高電池的藍光響應。選擇性發(fā)射區(qū)，即金屬電極下面進行更高濃度的摻雜。1/13/202425硅太陽能電池的制造技術

絲網印刷太陽能電池外表制絨以減少反射

單晶硅錠切割下來的晶片，使用化學試劑在晶片外表刻蝕層金字塔狀原子結構。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。多晶硅使用切割工具或激光在晶片外表進行機械制絨基于缺陷結構而不是晶面取向的各向同性化學刻蝕各向同性化學刻蝕與光刻掩模技術相結合等離子刻蝕

1/13/202426硅太陽能電池的制造技術

絲網印刷太陽能電池減反射膜二氧化鈦〔TiO2〕與氮化硅〔SiNx〕是常見的減反射膜材料。膜的制造適用于簡單的技術，如化學氣相沉積。除了有利于光的吸收外，絕緣膜還能夠使外表鈍化，提高電池的電學特性。依靠一種帶有切割試劑的粘稠劑對減反射膜進行絲網印刷，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)。1/13/202427硅太陽能電池的制造技術

絲網印刷太陽能電池邊界隔離如今有許多邊界隔離技術，比方等離子刻蝕、激光切割或者首先用膜掩蓋住邊界以阻止擴散的發(fā)生。背電極背電極是在一般p-n結電池反面用擴散法或合金法加制一層與基區(qū)導電類型相同的重摻雜區(qū)，然后再在重摻雜區(qū)上面制作金屬接觸電極，一般為鋁電極。襯底絲網印刷技術已經被使用在許多不同的襯底上。排序的簡單化使得絲網印刷技術非常適合于質量較差的襯底，比方多晶硅材料甚至直拉單晶硅。1/13/202428硅太陽能電池的制造技術

絲網印刷太陽能電池對印刷電池前端電極在印刷期間，金屬貼片穿過絲網，到達沒被遮蓋的區(qū)域。柵條寬度通常為100到200μm。已經完成絲網印刷的太陽能電池柵條間距大于有3mm。在包裝的時候，在母柵上焊接一個額外的金屬接觸帶以減少電池串聯電阻。1/13/202429硅太陽能電池的制造技術

絲網印刷太陽能電池擁有完整絲網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大大簡化了電池的包裝。擁有完整絲網印刷的太陽能電池的反面圖。電池要么是由Al/Ag粘貼成網格，要么全部由鋁構成并形成反面電場，但需要第二道印刷工序。1/13/202430硅太陽能電池的制造技術

制造太陽能電池商業(yè)絲網印刷太陽能電池的制造設備。歐洲太陽能公司SPA提供。制造的多晶硅錠的結晶爐。大面積硅板，大約，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。1/13/202431硅太陽能電池的制造技術

制造太陽能電池歐洲太陽能公司的生產線。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。自動上料的擴散爐以及已經摻雜了磷的硅晶片。1/13/202432硅太陽能電池的制造技術

制造太陽能電池自動上料的擴散爐。使用機器人設備能夠提升電池制造的可靠性，并降低本錢。絲網印刷的生產線。1/13/202433硅太陽能電池的制造技術

制造太陽能電池先進的絲網印刷機器，使用攝像機來快速準確地排布金屬電極網的圖案。在完成每個電池的效率測量工作后，對它們進行排序以盡量減小模塊錯配。1/13/202434硅太陽能電池的制造技術

制造太陽能電池在進行壓片之前排列電池片。1/13/202435硅太陽能電池的制造技術

埋電極太陽能電池埋電極太陽能電池是一種高效率的商業(yè)用太陽能電池，其特點是把金屬電極鍍到激光形成槽內。埋電極技術克服了絲網印刷電極的許多缺點，這也使得埋電極太陽能電池的效率能到達25%，比商業(yè)絲網印刷電池要高。埋電極太陽能電池，激光刻槽的橫截圖。1/13/202436硅太陽能電池的制造技術

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，而不需要在外表鋪上寬大的金屬條。金屬柵條的大高-寬比允許窄的柵條間距，同時保持高的透明度。例如，一塊大面積的絲網印刷電池，其被阻擋的光就可能到達10%到15%，而如果使用埋電極結構，那么其損失就只有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。1/13/202437硅太陽能電池的制造技術

埋電極太陽能電池局部激光刻槽的橫截圖埋電極電池技術還能降低寄生電阻損耗，因為它的金屬柵條具有高的高-寬比、柵條的間距適當，以及良好的金屬電極材料。埋電極能減少電池的發(fā)射區(qū)電阻，是因為柵條之間的距離越窄，發(fā)射區(qū)的電阻損耗也越小。同時，金屬網格的電阻也減小了，因為在激光刻槽中使用的金屬量大大增加了，且金屬還是電阻率比鋁低的銅。由于在半導體-金屬交界面處形成鎳硅化物以及它們交界面積的擴大，使得埋電極的接觸電阻也比絲網印刷電池的小。1/13/202438硅太陽能電池的制造技術

埋電極太陽能電池摻雜來獲得高開路電壓和短路電流。埋電極結構還包括了自我對準、自我選擇的發(fā)射區(qū)，能夠因此減小接觸復合和提高開路電壓。埋電極電池的高效率顯著降低了本錢，并提高了電池性能。激光刻槽埋電極太陽能電池的制造工序1/13/202439硅太陽能電池的制造技術

高效率太陽能電池高效率太陽能電池制造的本錢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用上。盡管制造本錢很高，但是能生產出效率為23.5%的太陽能電池車的電池。1/13/202440硅太陽能電池的制造技術

高效率太陽能電池為了獲得最高效率，實驗室制造硅太陽能電池時所使用的一些技術和工藝特點：在發(fā)射區(qū)擴散低濃度的磷，盡量減小復合損失又防止電池外表“死層〞的出現。縮窄金