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提高太阳能电池光电转换效率,降低生产成本:应用微电子领域的经验.pdf

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提高太阳能电池光电转换效率,降低生产成本:应用微电子领域的经验.pdf

18 www.pv-tech.org引论2008年,太阳能光电产业出现了第一个实现“电网平价”的光伏系统[1] 。据预测,到 2012年 [2] ,整个欧洲南部都将实现“电网平价”,而意大利的某些地区也已经实现该目标。光伏设备的广泛引进将会使价格水平下降到 1/Wp以下,而且在这个价格水平下,晶体硅光伏模块的外观可能会变得与现在不一样。许多种分析显示要想使晶体硅光伏模块成本低于1/Wp,就必须做出很多巨大技术改革[3] 。成本的降低必须依赖以下条件完善的制造规范、纵向一体化、规模经济(工厂规模可能会扩大 10倍)、地区生产量的提高和生产过程的标准化,除此之外,技术的不断创新也十分重要。就 模 块 生 产 成 本 而 言 , 每 产 生1个单位的电池输出功率( Wp)所需要的成本中,硅就大概占了生产成本的 40[3]。目前,每产生一瓦特的电量,需要使用 8-9克的硅,而在不久的将来,我们必须大幅度降低硅的使用量,从而降低成本。而更高效的太阳能电池在降低模块加工成本方面也起着同样重要的作用。光伏产业的 ICT 技术 机遇在哪里现在有很多可用于高级硅基设备和微系统的加工技术,但是都还没有应用于光伏产业,然而这种情况将被改变。图一中列出了多种加工技术,研究人员根据其是否有助于提高电池效率或者减少硅的消耗,对其进行了下述分类。提高发射极掺杂分布,与 POCl3扩散技术相比,前者效果更好。通过运用外延技术,可以得到最大的灵活性。接近理想的掺杂曲线分布的形成过程如下首先,发射极要低浓度掺杂(以提高对紫外线的反应),然后在表面进行高浓度的掺杂(作为前表面场并减少接触电租)(图二)。太阳能行业若要提高生产量,其中一个重要步骤就是使用批次式化学气相沉积系统 [4] 。因为离子注入机也能达到所要求的精度,因此该技术再次被应用到光伏行业 [5] 。而对于晶格损伤谱的应用,人们经常有不同的担忧。但是近期研究表明,适量离子浓度,能量和热退火条件能有效地包容晶格损伤,而且能与单晶硅上的高效器件兼容。我们期望离子注入机的运用能加快高产量工具(比如 P3i)的出现,从而弥补半导体产业和光伏产业间生产力的差距。与 运 用 激 光 烧 蚀 法 和 镀 铜 法 等完善的金属化体系相比较(图三),用掺杂的方法提高效率的几率就大多了。与复杂的电镀银网格印刷不同,提高太阳能电池光电转 换效率,降低生产成本 应用微电子领域的经验Kris Baert Jef Poortmans IMEC, Leuven, Belgium此技术文章出自第七期 Photovoltaics International 杂志。摘要光伏产业的生产成本将有望降至低于 1/Wp 。但要达到这个目标,晶片、太阳能电池和模块方面都将面临诸多重大的技术改革。为了在众多可供选择的解决方案中甄选出具有研究价值的方案、加快新技术的学习速度,光伏产业 (包括设备经销商,材料供应商和光伏生产商)所涉及到的众多厂商要在国际半导体技术蓝图( ITRS )的指导下通力合作,共同致力于提高太阳能电池光电转换效率,降低生成成本的技术革新,从而使整个产业从中受益。本文介绍了微电子研究中心( IMEC)的路线图,明确其的目的是在将电池效率提高 20和大幅减少晶片厚度的前提下,大幅度减少每 Wp Watt Peak 纯硅的使用量。图一 光伏电池效率和硅消耗量在不同先进工艺下的关系图生产效率20 www.pv-tech.org这个体系可以实现独立的发射浓度分布和金属化体系的最优化。而转化率高达 18.5的太阳能电池也已面市 [6]。剩下的挑战就是要开发能保用 25年以上的自对准种子层/阻挡层。为了防止铜在硅片中扩散,现有的几种扩散阻挡层均能有效地阻止铜在硅片中扩散。要超越单结太阳能电池的极限,也许最终还需要用到量子装置技术,比如可以在全硅连结太阳能电池中使用宽带隙 1.7eV 的纳米线 [7] 。改 善 电 介 质 对 于 提 高 转 化 率 和减少活性硅的用量同样重要。典型的氮化硅作为表面钝化层不提供能在表面重组的条件。原子层沉积技术(比如,热的醛固酮使三氧化二铝沉积)因其独特的电钝化和化学钝化的有效结合而被广泛推行,而且其过程的重复性也与其他处理方式相兼容。经证明,其重组的速度低至 10厘米每秒 [8]。这些阻挡层已经在工业太阳能电池上得到了广泛应用 [9] 。而对于很薄的太阳能电池,超越纹理化的光学增强体系对保持红外线高收集率有很大帮助,比如(亚微米级的)光栅也许将被用于实际生产过程中。可以说,我们至今还不能大量生产薄晶片的一个最重要的原因,是我们缺乏可以生产比 150微米薄的晶片的设备。但这不是新出现的问题。如果把薄晶片的转移和处理系统发展为 3D集成一体化,这样就可以加工厚度只有 50微米甚至 20微米的硅晶片了。这些运载和转移技术的一部分可以运用到光伏领域。可 以 完 全 避 免 使 用 晶 片 的 一个 方 法 是 利 用 外 延 太 阳 能 电 池 ,这 些 外 延 太 阳 能 电 池 是 以 低 成 本的 硅 作 为 基 底 的 。 将 这 个 方 法 工业化的最大难点在于是否能得到如此 高 产 量 的 外 延 生 产 系 统 。 而 现在光伏产业正在研发高产量外延系统 的 不 同 的 反 应 炉 概 念 和 模 型 。 超薄晶硅太阳能电池产品规划图上述技术的潜力显而易见,但是要把它们引进到光伏生产线的话,所面临的费用是巨大的,需要各厂商共同努力解决。为了在众多可供选择的解决方案中甄选出具有研究价值的方案、加快新技术的学习速度,光伏产业(包括设备经销商,材料供应商和光伏生产商)所涉及到的众多厂商要图三 转换效率为 18.3 的大面积太阳能电池示意图 [6]图二 使用化学气相沉积外延技术在发射极表面上形成非常浅的掺杂层,上图是掺杂浓度随材料表面深度变化的分布图。原子/cm3深度21Photovoltaics International图四 比利时微电子研究中心晶体硅太阳能电池的发展路线图,它预言了电池的活跃层厚度在不断变薄。在国际半导体技术蓝图( ITRS)的指导下通力合作,共同致力于提高太阳能电池光电转换效率,降低生成成本的技术革新,从而使整个产业从中受益。图四展现了未来二十年内硅薄膜厚度的预期发展曲线。今天,以薄膜为基础的处理概念看起来还任重道远,但一旦成功,就可以生产出厚度仅为 40微米的太阳能电池。为了实现这个终极目标,还需要经过几个发展阶段。PERL与背接触式太阳能电池PERC与类 PERL概念从逻辑上来说,是当今前接触太阳能电池生产线的发展趋势,即工业效率为 20的 120微米的晶片,所以我们希望这些概念能尽早进入市场。但是,因为背接触太阳能电池自身转化率的优越性(无阴影),再加上它们的平面加工性质(因为很多加工过程只能促进薄膜电池嵌入模块的晶片的单面),所以我们相信背接触太阳能电池能在这条路上走得更远。如今所用的 180微米晶片制作的背接触太阳能电池仍对扩散长度有着很高的要求,它需要用到更昂贵的晶片。但是,因为现在薄晶片的使用更广泛了,在市场份额的占有上,硅可能会取代前端接触式太阳能电池的地位。超薄晶片,太阳能电池和模块集成说到超薄太阳能电池( 40微米的超薄型太阳能电池),到目前为止还没有能以低成本生产出高质量超薄晶片的技术,虽然线锯切割加工技术或整线全联线电池片生产能力高达每小时 3300 片或 100MW , 95的设备源于您的一站式供应商 。Let the Sun shine. Catch the Power.Gebr. Schmid GmbH Co. | 72250 Freudenstadt | Germany | phone 49 7441 538-0 | fax -121 | infoschmid-group.com | www.schmid-group.com现在使用选择性发射极技术 22 www.pv-tech.org许能将晶片厚度限制在 100微米以内,但是所导致的切损也差不多相当于这个宽度。带锯要么受到材料使用寿命的限制,要么受工业批量生产的限制。全球都在研究相关技术, Silicon Genesis开发的技术当属此列 [10] 。而大学微电子中心 IMEC正在研究另一个可行方案,该方案将应力感应剥离技术裁削出 100微米以下无切损的薄晶片 [11] 。该无切损晶片制造技术前途光明,已能制造出 50微米以下的晶片,而且整个工艺可节省 6倍的材料。而 生 产 如 此 薄 的 硅 层 难 点 在 于加工过程中要以新型的晶片操作概念为依靠,晶片在某种程度上需要有支撑体,而对可运用的支持体是有限制的,所以这就需要回顾整个加工过程。在这种情况下,很有可能会运用到 3D集成场效应的载流子支持技术。因 为 太 阳 能 电 池 的 晶 片 越 来 越薄,它对模块集成提出的要求就更具体了。在装配过程中,因为存在热应力,传统的串接和印刷过程很可能在已经变薄的太阳能电池上造成裂痕。而就背接触式太阳能电池而言,已经制造出了一种模块集成体系,这种体系是在“ flip-wafers ”覆晶装置的Laminate(一种薄片材料,用来保护电池板芯片,例如 EVA或 Tedlar 通过该物质将电池板芯片整个用透)衬底上加入导电粘合剂或者软焊球,但是这种体系还没有广泛使用。一个值得关注的替代方法就是用平面加工把背接触式太阳能薄片电池嵌入模块玻璃,这种超层内连结技术也很具吸引力。这是一个应用新概念的方法,已经有效地生产出了超薄半导体集成电路[12] 。与衬底基板集成相比,这个方法在减少材料消耗和降低生产成本方面更具优势。由于模块集成技术对于光伏系统的使用寿命来说是一个非常重要的因素,所以只有经过深思熟虑,对各相关方面百般斟酌,才能将改进的电池模块集成概念成功地引入市场。这需要建立光伏模块的老化模型,而这种模型可以通过测量热力和化学属性、失效机制、效果分析和有限元模拟得到结果,然后就可以进行加速老化测试。外延薄膜太阳能电池但 是 在 对 光 捕 获 的 了 解 不 深 的情况下,我们怎么能知道太阳能电池究竟能做到多薄呢当我们用外延薄膜太阳能电池的时候就发现了令人惊喜的成果(参见图四第二行)。只需薄薄的一层硅膜(外延生长)即可取代太阳能电池的作用。这里运用了精细的光学增强体系,在电池的背面(外延层与衬底之间)有一层多孔可渗透的硅层作为光栅。这个光栅反射器在电池的活跃部分有效提高了光的吸收。由于运用了厚度仅为 25微米的单晶硅层后置发射极,实验室效率已经达到了 34.6mA.cm-2(效率大约为16.9左右) [13] 。这就使得外延太阳能电池工业化生产具有可行性。需要指出的是,这项技术同样可以用于玻璃上薄膜太阳能电池的生长,最终做出超薄的终极硅薄膜太阳能电池。光伏产业的开放式创新过去,与微电子行业的快速发展相比,在现有的太阳能电池生产线基础上的实现生产变更和引进的过程是相当缓慢的。除了可靠性问题以外,投资收益也是一个问题。因为现有的光伏公司众多,还有新的投资者不断从微电子行业涌入,他们半导体操作的强大背景和对于新处理方式的快速洞察力,可以促进新技术的引进。随着光伏产业的不断扩大,光伏相关设备的花费就降低了。大学微电子中心( IMEC)根据这个硅光伏路线图,推出了一个用晶片制作的太阳能硅电池(硅光伏)项目。这个项目目的在于应用新一代晶体硅太阳能电池所需的主要加工技术。这个概念,结合了财富与智力资源,是合作模型的创新。这个模型在半导体产业已经成为了一个固定的方法,用以提高 IC生产者经销商和供应商之间的合作。要把这个模型运用到光伏行业里,项目中各光伏生产合作伙伴间需要特别注意是否会造成关系的分化。参考文献[1] Wang, U. 2008, “ First SolarReaches Grid-Parity Milestone,Says Report ” , Greentech MediaRepor t , December 16, 2008[available online at http//www.greentechmedia.com].[2] Milner, A. 2008, “ The Solar Industry within the SET -Plan ” , 5th EU PV Industry Forum, Valencia, Spain.[3] del Canizo, C. et al. W. C. 2008,“ Crystalline silicon solar moduletechnology towards the 1 Europer Watt-peak goal ” , Progress inPhotovoltaics.[4] Ritter, G. et al. Z.J. 2000, “ Lowtemperature Si epitaxy in a vertical LPCVD batch reactor ” , Materials Science and Engineering, B73, pp.203-207.[5] Janssens, T. et al . J. 2009,“ Advanced phosphorus emitters for high efficiency Si solar Cells ” , 24th EUPVSEC, Hamburg, Germany.[6] Pos thuma, N.E. et al . 2009,“ Investigation of Cu plated contacts for Silicon solar cells ” , 24th EUPVSEC, Hamburg, Germany.[7] Kurstjens, R. et al. 2009, MRS Fall meeting, Boston, MA, USA.[8] Agostinelli, G. et al. 2006, Sol.Energ. Mat. Sol. C., 90, pp. 3438-3443.[9] Vermang , B. et al . 2009,“ Characterization and implementationof thermal ALD Al2O3 as surfacepassivation for industrial Si solar cells, 24th EUPVSEC, Hamburg, Germany.[10] Reference available online athttp//www.sigen.net/[11] Dross, F . et al. 2008, “ Stressinduced lift-off method for kerfloss-free wafering of ultra-thin50 μ m crystalline Si wafers ”,33rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference, San Diego, CA, USA.[12] Iker, F. et al. 2007, “ 3D Embedding and interconnection of ultra thin 20 μ m silicon dies ” , 9th Electronics Packaging Technology Conference, pp 222-226.[13] Van Nieuwenhuysen, K. et. al.“ Epitaxial thin film silicon solarcells with 16 efficiency bycombining advanced light trapping methods and CVD emitters ” , 24th EUPVSEC, Hamburg, Germany.关于作者Dr. Kris Baert 于 1990 年在比利时Leuven大学取得博士学位,主要从事晶体硅薄膜的等离子体化学气相沉积法的研究。后来,他任职于日本三菱电子公司,研究多晶体硅薄膜场效应晶体管液晶显示器,直到 2002年。随后他加入了比利时 IMEC,主要负责微电子机械系统和集成微系统的研发,并于 2008年出任光伏部门太阳能硅电池的项目经理。Dr. Jozef Poortmans 于 1985 年在比利时的 Katholieke 大学获得电子工程专业本科学位。后来,他加入了在 Leuven新成立的大学微电子中心( IMEC),并于 1993年 6月取得博士学位。之后,他加入了光伏研究组,成为先进太阳能电池项目组的负责人。目前,他兼任 IMEC太阳能战略项目的项目总监和太阳能和有机技术部的主管。

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