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MWT和EWT背接触太阳电池结构及其技术发展_林阳

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MWT和EWT背接触太阳电池结构及其技术发展_林阳

M i c r o n a n o e l e c t r o n i c T e c h n o l o g y V o l . 4 9 N o . 1 J a n u a r y 2 0 1 2MW T 和 E W T 背接触太阳电池结构及其技术发展林 阳 1 , 2 , 高 云 2 , 贾 锐 1 , 陈宝钦 1 , 孟彦龙 1 , 李昊峰 1( 1 . 中国科学院 微电子研究所 , 北京 1 0 0 0 2 9 ;2 . 湖北大学 物理学与电子科学技术学院 , 武汉 4 3 0 0 6 2 )摘要 主要介绍了两种高效前结背接触太阳电池即金属电极绕通 ( m e t a l w r a p t h r o u g h , MW T ) 太阳电池和发射极电极绕通 ( e m i t t e r w r a p t h r o u g h , E W T ) 太阳电池的基本结构以及其关键技术构成 。 这两种太阳电池是目前较为高端的两种电池类型 , 单个电池效率能达到 2 0 % 左右 , 组件效率能达到 1 7 % , 其主要优点在于实现了共面拼装和减小了正面遮光损耗 , 可以应用于大规模生产 。 针对MW T 和 E W T 两种电池的一些关键技术 , 总结了两种电池的技术共性 , 如激光打孔 、 制绒 、 扩散 、钝化和表面电极制备等工艺 , 提出了其各项关键技术存在的问题并进行了发展展望 。关键词 太阳电池 ; 背接触太阳电池 ; 金属电极绕通 ( MW T ) ; 发射极电极绕通 ( E W T ) ; 高效电池中图分类号 TM 9 1 4 . 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 - 4 7 7 6 ( 2 0 1 2 ) 0 1 - 0 0 1 2 - 1 0D e v e l o p m e n t o f S t r u c t u r e a n d T e c h n o l o g yf o r MW T a n d E W T B a c k C o n t a c t S o l a r C e l l sL i n Y a n g 1 , 2 , G a o Y u n 2 , J i a R u i 1 , C h e n B a o q i n 1 , M e n g Y a n l o n g 1 , L i H a o f e n g 1( 1 . I n s t i t u t e o f M i c r o e l e c t r o n i c s , C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s , B e i j i n g 1 0 0 0 2 9 , C h i n a ;2 . C o l l e g e o f P h y s i c a l a n d E l e c t r o n i c , H u b e i U n i v e r s i t y , W u h a n 4 3 0 0 6 2 , C h i n a )A b s t r a c t T h e b a s i c s t r u c t u r e s a n d k e y t e c h n o l o g i e s o f t w o h i g h e f f i c e n c y b a c k - c o n t a c t s o l a r c e l l sa r e i n t r o d u c e d , i n c l u d i n g m e t a l w r a p t h r o u g h ( MWT ) s o l a r c e l l s a n d e m i t t e r w r a p t h r o u g h( EWT ) s o l a r c e l l s . T h e s e t w o k i n d s o f t h e s o l a r c e l l s a r e t h e r e l a t i v e l y h i g h - e n d b a t t e r y t y p e s a tp r e s e n t , t h e e f f i c i e n c y o f a s i n g l e s o l a r c e l l i s a b o u t 2 0 % , a n d t h e m o d u l e e f f i c i e n c y i s 1 7 %. T h ea d v a n t a g e s o f t h e s e c e l l s a r e a c h i e v i n g t h e s a m e r e a r a s s e m b l y , r e d u c i n g t h e s h a d i n g l o s s a n d a p -p l y i n g t o t h e m a s s p r o d u c t i o n . F o r t h e k e y t e c h n o l o g i e s o f MWT a n d EWT s o l a r c e l l s , t h e g e n e -r i c t e c h n o l o g i e s o f t h e s e t w o k i n d s o f s o l a r c e l l s a r e s u m m a r i z e d , s u c h a s t h e l a s e r d r i l l i n g , t e x t u -r i n g , d i f f u s i o n , s u r f a c e p a s s i v a t i o n a n d e l e c t r o d e p r e p a r a t i o n , a n d t h e p r o b l e m s a n d t h e d e v e l o p -m e n t o f t h e k e y t e c h n o l o g i e s a r e p r o p o s e d a n d p r o s p e c t e d .K e y w o r d s s o l a r c e l l ; b a c k - c o n t a c t s o l a r c e l l ; m e t a l w r a p t h r o u g h ( MWT ) ; e m i t t e r w r a pt h r o u g h ( EWT ) ; h i g h - e f f i c i e n c y s o l a r c e l lD O I 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 6 7 1 - 4 7 7 6 . 2 0 1 2 . 0 1 . 0 0 3 E E A C C 8 4 2 00 引 言目前 , 太阳电池产业已是解决现今能源危机的一个重要手段 , 而进一步发展太阳电池产业 , 首要解决的问题就是要降低太阳电池的使用成本 [ 1 ] , 其中提高太阳电池的转换效率是降低成本的主要手段收稿日期 2 0 1 1 - 0 8 - 3 1通信作者 贾 锐 , E - m a i l j i a r u i @ i m e . a c . c n21器件与技术D e v i c e s a n d T e c h n o l o g y2 0 1 2 年 1 月 微纳电子技术第 4 9 卷第 1 期之一 。 目前 , 研究主要集中在表面陷光 、 电极接触以及表面遮光损耗等几个方面 。 据统计 , 现在商用太阳电池表面栅线的遮光率为 8 % , 这部分栅线影响了电池对光线的吸收率 , 可以通过降低栅线宽度的方式来减少表面遮光 , 但是细的栅线又会使电极接触电阻增加因而降低了转换效率 [ 2 ] , 同时也增加了工艺难度 。 本文 所 介 绍 的 金 属 电 极 绕 通 ( m e t a lw r a p t h r o u g h , MWT ) 和发射极电极绕通 ( e m i t -t e r w r a p t h r a u g h , EWT ) 太阳电池可以很好地解决上 述 问 题 。 MWT 和 EWT 同 属 于 背 接 触 电池 [ 3 ] , 它们基本消除了正面栅线 电极的遮 光 损 失 ,更充分地利用了光照 , 提高了电池效率 ; 同时还可以将电池的两极从背面引出 , 既降低了封装难度又简化了制作工艺 , 使电池更美观 [ 4 ] 。这 两 种 电 池 又 同 属 于 背 接 触 电 池 中 的 前 结 电池 [ 5 ] , 所谓的 前 结 电 池 就 是 发 射 区 位 于 电 池 的 正面 , 这 样 的 结 构 有 利 于 收 集 更 多 的 载 流 子 [ 6 ] 。MWT 和 EWT 不 完 全 依 赖 于 栅 线 收 集 载 流 子 [ 7 ] ,而是采用激光打孔的方式在 衬底上 打 出阵列 孔洞 ,再通过不同的方式向孔洞中填充金属或者重扩来实现前后发射极间的电流传输 。 与 传 统的电池相比 ,前结电池有效地减小了正面的遮光面积 , 还不影响正面载流子的收集 , 从而提高了电池效率 [ 8 ] 。 本文将对这两种高效晶硅太阳电池的结构及其关键技术做进一步的分析和介绍 。1 MWT 电池的结构和制备工艺1 . 1 MW T 太阳电池结构MWT 电池就是将电池正面收集的电子通过孔洞中填充的金属转移至电池背面 。 它无需在电池正面制作 “ 主栅 ” , 因此电 池 表 面 就 有更大的面积来收集光子并将其转化为电能 。图 1 是 MWT 电 池 的 剖 面 结 构 图 , 它 将 传 统电 池 中 的 主 栅 移 到 了 电 池 的 背 面 , 仅 保 留 正 面较 细 的 金 属 栅 线 , 在 减 小 遮 光 面 积 的 同 时 还 可以 简 化 组 装 工 艺 , 实 现 共 面 拼 装 。 如 图 1 所 示 ,金 属 电 极 绕 通 结 构 可 以 实 现 双 p n 结 结 构 , 即 通过 金 属 化 通 道 将 前 结 和 背 结 连 接 起 来 , 共 同 收集 载 流 子 , 提 高 了 分 离 和 收 集 载 流 子 的 效 率 ,对 于 少 子 寿 命 较 低 的 硅 衬 底 采 用 此 种 结 构 仍 可获 得 较 高 的 短 路 电 流 , 降 低 了 对 S i 材 料 的 要 求 ,从 而 降 低 了 电 池 成 本 。 前 表 面 依 然 采 用 优 良 的金 字 塔 结 构 和 减 反 射 膜 , 以 减 少 光 的 反 射 损 失 ,从 而 达 到 了 提 高 电 池 效 率 的 目 的 。 目 前 , MWT电 池 发 展 中 遇 到 的 主 要 问 题 是 金 属 化 孔 洞 的 制备 技 术 和 电 极 间 分 流 的 问 题 。发射区电极基区电极pnp鄄 Sin双结SiN激光钻孔图 1 MWT 太阳电池的结构F i g . 1 S t r u c t u r e o f t h e MWT s o l a r c e l l德国弗朗霍夫研究所 ( F r a u n h o f e r ) 已经制备出了转 换 效 率 为 1 7 . 1 % 的 MWT 电 池 [ 9 ] , 还 有 荷兰的能 源 研 究 中 心 ( E C N ) 研 究 的 多 晶 MWT 电池 , 其效率也达到了 1 7 % [ 1 0 ] 。1 . 2 MW T 电池的制备工艺目前 , 如何 简 化 工 艺 是 研 究 MWT 电 池 的 热点 。 图 2 所 示 为 制 备 MWT 太 阳 电 池 的 常 规 步骤 [ 9 ] 。 具 体 步 骤 包 括 ① 激 光 打 孔 , 1 2 5 m m 1 2 5 m m 的硅片大 约 需 要 打 1 5 0 个 孔 洞 , 每 个 孔 的孔径大约 8 0 μ m ; ② 在激光打孔后 用 酸 或 碱 制 绒 ,同时去除激光 打 孔 带 来 的 损 伤 ; ③ 发 射 极 磷 ( P )扩散 , 用 P O C l 3 作 为 磷 源 采 用 管 式 扩 散 炉 进 行 扩散 , 其方块电 阻 为 2 0 ~ 7 5 Ω , 扩 散 完 成 后 去 除 磷硅玻璃 ( P S G ) ; ④ 用等 离子增 强 型 化 学 气 相 沉 积( p l a s m a e n h a n c e d c h e m i c a l v a p o u r d e p o s i t i o n ,P E C V D ) 或者溅射 的 方 法 制 备 氮 化 硅 薄 膜 作 为 前表面减反射 层 和 钝 化 层 ; ⑤ 在 MWT 电 池 的 背 面用丝网印刷或其他方法用金属把孔填满 , 并且做两条 n 型接触的主栅 ; ⑥ 第二次丝网印刷 , 在前表面做细栅 , 在背面做两条 p 型接触的主栅 ; ⑦ 在烧结炉中进行烧结 ; ⑧ 基极和发射极的电极需要隔离 ,前后表面可以同时用激光打隔离沟槽 , 也就是在隔离的时候可以用两条激光分别位于电池上下两侧同时打隔离沟槽 。31林 阳等 MWT 和 E WT 背接触太阳电池结构及其技术发展 M i c r o n a n o e l e c t r o n i c T e c h n o l o g y V o l . 4 9 N o . 1 J a n u a r y 2 0 1 2( a) 激光打孔( b) 制绒( c) P 扩散 , 去除 PSG( d ) 前表面做减反射层( e) 背表面丝印母线和填充通道( f ) 前表面丝印细栅 , 背表面做 p 型接触( g) 烧结( h) 前后面边缘隔断和后表面隔断图 2 MWT 电池的普遍制作流程F i g . 2 C o m m o n f a b r i c a t i o n p r o c e s s o f t h e MWT s o l a r c e l l其中第 ① 步的激光烧结 、 第 ④ 步的丝印和最后一步中的激光划槽工艺都不同于传统电池的制备工艺 , 但是这几个工艺步骤都不复杂 , 只需要在传统电池的制备 工 艺 中 加 入 一 个 激 光 设 备 就 可 以 达 到MWT 电池的生产条件 。2 E WT 电池的结构和制备工艺2 . 1 E W T 电池的结构EWT 电池是 MWT 电池的改进版 , 兼 具了叉指背接触 ( i n t e r d i g i t a t e d b a c k c o n t a c t , I B C ) 电池与 MWT 电池的优点 [ 1 1 ] , 如图 3 所示 , EWT 太阳电池不仅可以采用双 p n 结吸收光生载流子 , 提高收集效率 , 而且它还能完全消除电池正面的电极遮光 , 产生更多的光生载流子 , 这有利于提高电池的填充因子 [ 1 2 ] , 从 而 进 一 步 提 高 电 池 的 转 换 效 率 。此外 , EWT 太 阳 电 池 表 面 完 全 没 有 栅 线 的 覆 盖 ,这是因为前后发射极的连接是通过孔洞来实现的 ,不同于 MWT 太阳电池的孔洞 , EWT 太阳电池一般是通过重扩的方法来实现孔洞的导通 。 孔洞的作用在于一方面把电池正面发射区和背面局部发射区连接在一起 ; 另一方面重扩还可以降低接触电极的接触电阻 。 通过重扩的孔洞将前表面发射区引入背面 , 实现把前表面收集的电子传导到背电极上 , 电池的 p 型电极和 n 型电极的细栅全部交叉排列在电池背面 , 简化了封装工艺 [ 1 3 ] 。n型细栅p型细栅激光打孔n型重扩散结p型主栅p型硅片图 3 E WT 太阳电池的结构F i g . 3 S t r u c t u r e o f t h e E WT s o l a r c e l lJ . M. G e e 等 人 [ 1 4 ] 通 过 太 阳 电 池 模 拟 软 件P C 1 D 对基于 p 型 C z - S i 的 EWT 电 池 进 行 模 拟 后得到 的 电 池 效 率 可 达 2 1 % 。 相 对 于 MWT 电 池 ,EWT 电池虽然有较大的发展潜力 , 但 是 要 想获得更高 效 的 EWT 电 池 还 是 比 较 困 难 的 , 难 点 与MWT 电池相似 , 同样也有低损伤孔洞的制备和降低电池中电极分流的难题 。 此外 , EWT 电池 的前表面发射区需要重掺杂 , 而重掺杂会带来较多的复合中 心 , 这 会 影 响 电 池 的 性 能 [ 1 5 ] 。 A . F a l l i s c h 等人 [ 1 6 ] 利用磷硅 酸 玻 璃 膜 作 为 扩 散 的 阻 挡 层 , 采 用边缘选择性区域扩散的方式 , 可以很好地控制表面发射区与孔洞的扩散浓度 , 并结合喷墨掩膜技术制备了效率为 1 5 . 7 % 的 EWT 电池 。在传统方法制备 EWT 电池的基础上 , 也有很多人结合新的方法来改进 EWT 电池的结构 , 例如接下来介 绍 的 多 晶 硅 发 射 极 金 属 电 极 绕 通 ( p o l y -c r y s t a l l i n e w a f e r e n g i n e e r i n g r e s u l t e m i t t e r w r a pt h r o u g h , P OW E R - EWT ) 电池和背面叉指单蒸发发射极电极绕通 ( r e a r i n t e r d i g i t a t e d s i n g l e e v a p o -41林 阳等 MWT 和 E WT 背接触太阳电池结构及其技术发展 2 0 1 2 年 1 月 微纳电子技术第 4 9 卷第 1 期r a t i o n e m i t t e r w r a p t h r o u g h , R I S E - EWT ) 电 池 ,都是结合了激光技术来改进 EWT 电池的结构 。2 . 1 . 1 P OW E R - EWT 电池目前 , 针对 EWT 太阳电池的优点 , 出现了一些新 的 EWT 结 构 。 2 0 0 3 年 德 国 康 斯 坦 茨 大 学 与马来西亚 S u n w a y s A G 公司合作 , 把 EWT 电池概念 融 入 到 P OW E R 电 池 中 , 开 发 出 P OW E R -EWT [ 1 7 ] 背 接 触 太 阳 电 池 , 其 结 构 如 图 4 所 示 。P OW E R - EWT 太阳电池既具有 P OW E R 电池 [ 1 7 ] 半透明 、 机械柔韧性好等特点 , 又具有 EWT 电池连接简单 、 表面均一美观等优点 。 该电池的结构特点就是用激光刻槽的方法在正反面正交刻槽 , 深度超过 1 / 2 , 然 后 再 进 行 P 扩 散 , 刻 槽 越 宽 , 孔 就 越大 , 这个结构主要是增加了表面陷光的效果 。 但随之而来的问题就是基区和发射区电极的绝缘效果不好 , 使得电池效率只有 8 . 3 % , 希望通过改善绝缘问题以提高效率 。发射区电极发射区基区电极孔SiN图 4 P OW E R - E WT 太阳电池的结构F i g . 4 S t r u c t u r e o f t h e P OW E R - E WT s o l a r c e l l2 . 1 . 2 R I S E - EWT 电池P . E n g e l h a r t 等 人 [ 1 8 ] 基 于 双 结 的 EWT 结 构 ,以 p 型 C z - S i 为 衬 底 , 制 备 了 效 率 高 达 2 0 . 3 % 的R I S E - EWT 背接触太阳电池 。 R I S E 电池的主要 结构特点就是利用激光局部烧蚀技术在背面形成高低不同 、 叉指交 叉 排 列 的 两 片 区 域 。 背 面 再 经 过 P扩散形成 发 射 区 , S i O 2 遮 挡 的 部 分 是 基 区 。 最 后通过激光烧结 ( l a s e r - f i r e d c o n t a c t , L F C ) 技术穿透 S i O 2 层形成 基 区 导 电 基 点 。 随 后 采 用 EWT 的概念用激光打孔连接正面和背面的发射区 , 如图 5所示 , 这种阶 梯 状 的 电 极 也 是 R I S E - EWT 结 构 的一大特点 , 利于大面积的薄的硅片加工 , 也希望可以再次简化工艺 降 低 成 本 。 2 0 0 6 年 , P . E n g e l h a r t等人 [ 1 9 ] 将其效率做到了 2 1 . 5 % 。激光钻孔p鄄 SiSiO2AlLFC腐蚀掩蔽层 基区电极图 5 R I S E - E WT 太阳电池的结构F i g . 5 S t r u c t u r e o f t h e R I S E - E WT s o l a r c e l l2 . 2 E W T 太阳电池的制备工艺目前 , 大多数的公司和实验室所采用的发射区绕通电池制造工艺流程如图 6 所示 [ 2 0 ] 。( a) 1 000 ℃ 氧化一层 250 nm 厚的 SiO2( b ) HF 酸去除上表面的 SiO2 再制绒( c) 表面沉积 SiNx 作为保护 , 并用激光打孔 ,并在背面形成发射极和基极( d) 去除 SiNx 层 , 并用 POCl3 扩散( e) 在前表面再次沉积 SiNx( f) 制作背表面电极( g) 隔断背面的基极和发射极( h ) 烧结图 6 E WT 电池普遍的制作流程F i g . 6 C o m m o n f a b r i c a t i o n p r o c e s s o f t h e E WT s o l a r c e l l51林 阳等 MWT 和 E WT 背接触太阳电池结构及其技术发展 M i c r o n a n o e l e c t r o n i c T e c h n o l o g y V o l . 4 9 N o . 1 J a n u a r y 2 0 1 2具体制 作 流 程 包 括 ① 在 衬 底 正 反 面 做 一 层2 5 0 n m 厚的 S i O 2 , 主要是为了减小后续工艺对衬底的 损 害 ; ② H F 酸 去 除 上 表 面 的 S i O 2 , 再 用K O H 制绒 , 目 的 是 为 了 降 低 电 池 表 面 的 反 射 率 ,增加陷 光 效 应 ; ③ 正 面 做 一 层 折 射 率 为 1 . 9 的S i N x , 用激光打孔 , 并采用激光刻蚀技术在电池背面形 成 叉 指 状 的 发 射 区 和 基 区 的 形 状 , 然 后 在9 0 ℃ , 质量分数 1 0 % 的 K O H 溶液 里 处理 1 5 m i n来修复激光带来的损伤 , 处理后 , 槽的宽度大约为7 0 μ m , 深 2 0 μ m ; ④ 用 磷 酸 去 除 表 面 1 0 0 n m 的S i N x , 再放入 P O C l 3 的管式炉中 8 5 0 ℃ 进行扩散 ,使 其 方 块 电 阻 达 到 5 0 Ω ; ⑤ 在 前 表 面 再 次 沉 积S i N x 做钝化 层 和 减 反 层 , 通 常 1 0 0 n m 厚 的 S i N x折射率约为 2 . 0 5 , 达 到 最 优 的 钝 化 效 果 ; ⑥ 在 背面蒸发 1 0 μ m 的 A l , 随后再做 3 0 0 n m 的 S i O 2 作为刻蚀的阻挡层 ; ⑦ 将背后基极和发射极的电极隔断 ; ⑧ 激光烧结 , 使 A l 和基极局部接触 , 最后再在 3 6 0 ℃ 的热板上退火 , 以此来增强基极的表面钝化并改善接触电阻 。综上所述可以看出 MWT 和 EWT 电池的结构及其关键工艺都很相似 , 其核心技术都是制备前后贯通的孔洞 、 孔洞填充和背电极制备等 。 与传统太阳电池相比较 , MWT 和 EWT 太阳电池具有以下优点 ① 降低或完全消除了正面栅线的遮光 , 增大了受光面积 , 故可以提高光生电流的密度 ; ② 由于正负电极均位于电池背面 , 可 简 化 电池封装工艺 ,更容易实现封装的自动化 , 并且还可以通过调节背面基极和发射极所占的面积比例来优化电极的接触电阻 ; ③ MWT 和 EWT 太阳电池采用低品质的薄基硅片仍有较好的效果 , 所以可以节省硅料降低成本 ; ④ 实现从电池的前结和背结双结共同收集光生载流子 , 可以获得更高的光生载流子收集率 。 接下来就详细地介绍 MWT 和 EWT 太阳电池的关键技术及发展现状等 。3 MWT 和 E WT 太阳电池的关键制备技术3 . 1 激光打孔技术MWT 和 EWT 电 池 的 制 备 都 需 要 打 孔 ,MWT 中的金属化孔洞起到连接前后面发射极的作用 , 主要收集载流子的还是表面栅线 。 而 EWT 对打孔的要求更高 [ 2 1 ] , 它表面没有一点遮光的栅线 ,全部都是通过孔洞来收集载流子并传输到背面的发射极上 , 单位 面 积 上 孔 的 数 目 更 是 远 大 于 MWT 。早期采用化学腐蚀 、 光刻和激光刻槽的方法进行孔的制备 , 这些方法工艺繁琐而且成品率也不高 , 但后来随 着 激 光 技 术 的 发 展 , 目 前 产 业 化 的 MWT和 EWT 都用激光打孔技术 , 尤其是有些多晶电池的制备 , 用化学腐蚀方法制孔很难得到大小均匀的孔洞 , 而且现在成熟的激光技术在打孔后还可以改善 S i 材料的 本 身 性 质 [ 2 2 ] , 所 以 目 前 量 产 的 MWT和 EWT 均采用激光打孔技术 。现在激光的种类也很 多 , 通常用的都是 N d ∶Y A G 激光 , 近 年 来 A r F , K r F , X e C l 等 紫 外 波 段的准分子激光器也被应用到半导体材料的加工领域中 [ 2 3 ] , 这类短 波 的 激 光 器 对 硅 损 伤 小 , 因 而 有 更长的载流子寿命 , 但是准分子激光在硅表面的反射率大于 N d ∶Y A G 激光器 , 并且准分子激光的重复频率普遍低于 N d ∶Y A G 激光器 , 目前 N d ∶Y A G激光器在 MWT 和 EWT 的制备中得到了广泛的应用 。德国哈默尔恩 太 阳 能 ( I S F H ) 研 究 所 和 德 国汉诺威激光中心研究得出载流子的寿命与不同波长激光造成的晶片损伤和 K O H 腐蚀深度有关 。 三倍频 N d ∶Y A G3 5 5 n m 激 光 烧 蚀导致晶 片 损 伤深度3 μ m ; 二倍频 N d ∶Y A G5 3 2 n m 激光烧蚀导致晶片损伤的深度为 4 μ m ; N d ∶Y A G1 0 6 4 n m 激光导致的损伤深度会超过 2 0 μ m 。 较为理想的激光器应该是 N d ∶Y A G5 3 2 n m 激光器 , 但由于设备成本太高 , 一般都采用 N d ∶Y A G1 0 6 4 n m 激光器 ,其缺点是激光烧蚀加工会造成衬底表面损伤深度达到 2 0 μ m , 浪费硅片资源 [ 2 4 ] 。不 论 MWT 还 是 EWT 其 孔 径 都 为 3 0 ~1 0 0 μ m , 成熟的 激 光 技 术 对 于 孔 径 和 孔 壁 的 均 匀性都比 较 理 想 , 在 MWT 电 池 的 晶 片 上 , 其 孔 洞的数目为 1 0 0 ~ 3 0 0 个 ; 在 EWT 的 晶 片 上 现 在 标准都是每间隔 1 m m 有一个孔 ( 有时也会低于这个间距 ) , 所 以 一 块 电 池 上 通 常 都 会 有 1 5 0 0 0 ~3 0 0 0 0 个孔 。 EWT 打 孔 存 在 的 主 要 问 题 是 打 孔 太耗时 , 同时还有如何提高打孔的成功率和减少损伤等问题 。 G . M a u c k n e r 等人 [ 2 5 ] 从理论上讨论了激光打孔过程中的烧蚀速率 , 为提高激光打孔的速率提61林 阳等 MWT 和 E WT 背接触太阳电池结构及其技术发展 2 0 1 2 年 1 月 微纳电子技术第 4 9 卷第 1 期供了理论支持 。3 . 2 制绒与传统电池一样 , 前结背接触太阳电池也需要在晶片表面 进 行 制 绒 [ 2 6 ] , 制 绒 的 主 要 目 的 是 将 其表面的反射 率 降 到 1 0 % 以 下 。 制 绒 的 方 法 有 如 下几种 ① 激 光 刻 槽 [ 2 7 ] , 现 在 的 激 光 技 术 比 较 成 熟 ,可以在硅表面快速地刻出均匀的图案 , 所以在工业生产中也可以应用 , 但是激光刻槽的深度一般都不低于 5 0 μ m , 所以对衬底的厚度要求大于 2 0 0 μ m 。激光刻槽的方法不适合于薄膜类的电池 , 且由于较深的激光刻槽 , 对之后的工艺也有影响 。② 反应 离 子 刻 蚀 [ 2 8 ] , 该 技 术 成 熟 , 表 面 的 形貌也很均匀 , 可以达到很低的反射率 , 但会增加表面载流子的复合 , 工作周期长 , 设备要求高 , 不利于工业化生产 。③ 掩膜刻蚀法 , 该技术 用 S i N x 作 为 掩 膜 , 采用光刻技术和湿法腐蚀技术在电池表面形成均匀的蜂窝结构 。 该技术的陷光效果 很好 , 但工艺复杂 ,负面影响因素太多 , 也增加了成本 。④ 电化学 腐 蚀 [ 2 9 ] , 该 技 术 制 备 绒 面 的 效 果 较好 , 可以达到很低的反射率 , 但是腐蚀的结果受很多因素的影响 , 例如光照 、 掺杂类 型 、 掺 杂 浓 度 、电流等因 素 。 大 面 积 腐 蚀 的 时 候 还 需 要 较 大 的 电流 , 很难保证腐蚀的均匀性 。⑤ 化学腐蚀法 , 化学腐蚀法通常又分为酸制绒和碱制绒 , 一般多晶制绒的时候用的是酸制绒 , 因为酸制绒一般都是各向同性腐蚀 。 由于多晶硅可以不考虑晶向的影响 , 可以采用酸腐蚀法 。 单晶硅制绒通常都采 用 碱 腐 蚀 法 , 低 于 质 量 分 数 3 0 % 的 强碱腐蚀都具有各向异性腐蚀的性质 , 可以做出形貌均匀的金字塔形状 , 高于这一质量分数则同酸腐蚀一样具有各向同性的性质 。 K O H 和 N a O H 是最常用的腐蚀液 , 它们有较好的 ( 1 0 0 ) 面与 ( 1 1 1 ) 面刻蚀比率 , 而且无毒无害 。 但会带入钠离子和钾离子污染 。MWT 和 EWT 制绒既可以采用酸腐蚀 的方法也可以采用碱腐蚀的方法 , 因为这两种类型的电池对衬底的要求都不高 , 既有多晶也有单晶 , 不同的衬底可以选择相应的方法 。 不论哪种腐蚀都有利于改善激光打孔对硅片带来的损伤影响 , 同时还可以减小激光打孔对孔壁高温灼烧的影响 , 是激光打孔后的衬底后处理手段 。现在 MWT 和 EWT 在制绒中采用金字塔 [ 3 0 ] 、纳米柱 [ 3 1 ] 、 倒金字塔 [ 3 2 ] 等绒面设计 , 其 中 陷 光 效果最好的是纳米柱结构 , 它不仅改变了体硅的表面形貌 , 而且能使光谱吸收边红移增强了可见光的吸收 。3 . 3 扩散扩散工艺是制备太阳电池的核心步骤 , 通过扩散在硅衬底 上 形 成 p n 结 。 目 前 , 产 业 化 的 MWT和 EWT 电 池 通 常 使 用 的 方 法 是 液 态 源 扩 散 , 用P O C l 3 作为磷 源 , B B r 3 作 为 硼 源 [ 3 3 ] , 扩 散 浓 度 越高其表面的方块电阻就会越小 。 由于金属化孔洞填充存在经高温烧结后很难 形成连续的通道的问题 ,所以 EWT 要求在孔洞中进行重扩散以降低接触电阻 , 从而有利于通道的电流传输 。另外 , K. F a i k a 等 人 [ 3 4 ] 在 制 备 EWT 电 极 时采用 A l - P 共扩散的方法 , 与 传统方法 一 样 都是要先用激光打孔 , 在电池背面同时用丝印的方法印上有 P 和 A l 的叉指电极 , 面积比约为 1 ∶ 1 , 然后一起放进烧结炉里进行烧结 , 这样大大节省了工艺的步骤 。 但是这种扩散方法由于激光损伤和表面没有钝化 , 使得表面复合更为严重 , 制备出来的电池效率也只有 1 0 % 。 所 以 这 种 工 艺 还 有 待 于 进 一 步 改进 , 如背电极 、 激光参数等都还需要优化 。实验室中对 MWT 和 EWT 的扩散也有使用固态源扩散的 , 即使用磷源片和硼源片进行扩散 , 磷源片主要成 分 为 磷 酸 镧 、 C e P 5 O 1 4 和 S i P 2 O 7 几 种 ,硼源片的主要成分为 B 2 O 3 以及 B N 和 S i O 2 两种 ,扩散时将源片与硅片交替放在同一石英舟上 , 待炉温加热至 8 5 0 ℃ 时缓慢将石英舟推入恒温区 , 在氮气氛围下进行 扩 散 , 例 如 P 扩 散 1 h 后 其 方 阻 为2 0 ~ 3 0 Ω , 均匀性也较好 , 而且背面不用做遮挡 ,但是尾气是有毒的 , 需要进行处理 。 另外其源片的保存很 重 要 , 要 求 必 须 干 燥 , 而 且 定 期 要 进 行 烘干 , 若保管不善会减少源片的使用寿命 。3 . 4 钝化 、 减反射层晶体硅太阳电池中少数载流子的复合导致了光生载流子的损失 , 从而引起了电池效率的降低 。 而硅片中少数载流子的寿命值在很大程度上受到硅片表面状的影响 , 如果硅表面加一层氧化层 , 硅与氧71林 阳等 MWT 和 E WT 背接触太阳电池结构及其技术发展 M i c r o n a n o e l e c t r o n i

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