晶硅电池技术简介

晶硅电池技术简介一、 制绒制绒目的：在晶硅电池表面形成绒面结构， 增大晶硅电池表面积 （增大 PN 结面积， 增大 Isc）和形成陷光结构（达到对光的多次吸收，降低反射率） 。制绒方法：单晶（准单晶）采用碱制绒方法，低浓度碱溶液（ 2%左右）在高温（ 70-80℃）对单晶硅表面不同晶向腐蚀速率不同（各向异性： 1、水分子屏蔽效应； 2、不同晶面悬挂键多少与腐蚀液腐蚀速率不同。参考王文静《制绒原理与相应问题对策》 ） ， 以形成金字塔形绒面结构。 通过添加添加剂可以提高溶液在单晶 （准单晶）表面腐蚀均匀性和促使反应产物离开单晶（准单晶）表面，促使单晶（准单晶）表面布满金字塔，使金字塔大小更加均匀。多晶采用酸制绒方法，一定浓度 HNO3 和 HF 对多晶硅表面形成氧化还原腐蚀，因晶界和晶面之间腐蚀速率不同以生产绒面结构。 腐蚀后硅片表面发暗或发亮是由于硝酸和氢氟酸比例不同， 氧化反应和还原反应何占主导导致。 多晶化学腐蚀可以添加添加剂（ CH3COOH 等） ，以控制腐蚀反应过程中的放热。多晶亦可采用酸雾微孔腐蚀方法（腐蚀液以酸雾形成存在） ，在绒面结构处进一步形成较小的绒面（参考《 A new vapor texturing method for multicrystalline silicon solar cell applications》 ） ，进一步降低反射率。晶硅也可采用等离子体刻蚀技术在晶硅表面形成绒面结构， 其表面形成绒面结构大小均匀， 布满整个表面， 可以很好降低反射率， 但对晶硅表面层形成损伤较严重，需要相应工艺处理，且设备投入成本较高。二、 扩散扩散目的：在晶硅表面层形成 PN 结。PN 结作用：形成空间电荷区，构建内建电势场。PN 结工作原理：当适当波长的光射入晶硅电池内部时， 入射光被发射区、 势垒区、 基区价电子吸收，价电子吸收能量后被激发至导带，产生电子 -空穴对。电子空穴对在内建势垒作用下，电子被收集至 N 区，空穴被收集至 P 区，相比热平衡状态， N 区存在过剩电子， P 区存在过剩空穴， 这就建立了 P 区为正、 N 区为负的光生电动势。如果光电池外接负载， 在持续光照下， 电流会从电池 P 端经负载流向 N 端。 （ 《光电池及应用》 ）扩散方法：１．三氯氧磷（ POCl3）液态源扩散２．喷涂磷酸水溶液后链式扩散３．丝网印刷含磷浆料后链式扩散目前常采用第一种方法对晶硅扩散， 第三种方法含磷银浆研制可以直接印刷， 烧结后形成选择性发射极。现有采用离子注入方式达到形成 PN 结目的，可根据射频功率大小来控制结深及很好控制掺杂浓度， 但由于离子注入对晶格损伤， 注入后需退火工艺处理。高温扩散掺杂，在晶硅表面掺杂入 P 原子（基区掺杂 B 原子） ，因 P（ B）原子大小和 Si 原子相近，当掺杂浓度较低时，为替位式掺杂。掺杂需要考虑的问题：发射结（缓变结、高低结等）设计、结深、晶格失配，及其对禁带宽度、费米分布、复合率、少子寿命的变化影响。测试方阻：薄层平均电阻率 /结深。薄层电阻：表面为正方形半导体薄层，在电流方向呈现电阻，称为方阻。三、 刻蚀 +去磷硅玻璃刻蚀目的：去除扩散后硅片四周 PN 结 （避免硅片短路） 和清洗电池片表面磷硅玻璃 （死层） 。死层产生：扩散后，表面磷硅玻璃富含磷，这层中存在大量填隙磷原子、位错和缺陷， 因而少子寿命极低。 并且表层中掺杂浓度高导致有效杂质浓度低， 出现倒向电场，因此为避免此现象，其顶层应存在掺杂浓度上限（ 1019/cm3 左右） 。有研究机构利用死层进行选择性发射极处理。四、 PECVD PECVD：等离子体增强化学气相沉积。目的：在晶硅电池表面形成一层 SiN 减反射钝化膜， 此步骤可进一步降低硅片的反射率，并对硅片表面与外界进行隔离，防止硅片污染，并且可以钝化硅片表面悬挂键，提高电池片电性能。方法：常用 PECVD 方法为管式镀膜 （例 CT 设备射频电离技术） 和板式镀膜 （例 roth&rau设备微波电离技术） 技术 （可参考王文静 《用于晶硅太阳能电池的等离子技术》 ） ，采用射频 /微波能量源将 SiH4 和 NH3 电离， 并将 Si 原子和 N 原子在硅片表面重新结合成 a-SiN:H。此过程形成 a-SiN:H 薄膜，薄膜中 H 可以有效钝化 SiN 薄膜中及 SiN 与硅片表面接触之间不饱和的悬挂键，并且高温烧结可以使 H 进一步扩散至硅片表层内部，使之可以钝化其体内缺陷。良好的减反射膜应具有一定与硅片和组件玻璃匹配的折射率及较低的光吸收， 并可以多层折射设计，使其各级反射相互干涉，降低反射率（可参考《光电池及应用》文中减反射膜一章） ；使用其他减反射钝化材料组成多层结构减反膜（多层之间必须改善膜层间匹配和应力） 。五、 丝印丝网印刷：将所印浆料置于设计要求网版上， 采用刮条以一定角度将浆料印刷穿透网版网孔，以在硅片表面形成要求结构浆料，烘干和烧结后形成电极和电场。丝印目的：形成正、背电极，背电场结构，收集传导电流和形成 BSF 结构，增大 Voc 和 Isc。有研究表明背铝与硅形成合金， 接触区域复合速率较大， 所以有研究采取硅背面与背铝间加入钝化层及采取点接触方式传导，以降低背面复合速率。电镀方法： 将所要求浆料以电镀方式置于硅片表面， 以形成电极结构， 此方法可获得较细栅线。传统电池正电极设计要求， 尽量降低正电极的遮光面积 （提高电池吸光面积） 和节省成本（降低银浆湿重） ，因此网版设计应符合上述要求，例如间断式电极技术和将正电极引导至背面技术。六、 烧结烧结：对丝印后硅片进行烧结处理， 以形成银硅合金和铝硅合金， 形成欧姆接触， 并对电池片进行一定热处理，提高电池片电性能。烧结炉应保证硅片表面平均温度差值、 PWI 值等 （参考 《太阳电池片烧结炉设计及其关键性能探讨》 ） 。烧结炉烘干区域主要是使丝印后浆料内有机溶剂的挥发， 烧结区主要是形成铝硅合金（背面场）和正银的银硅合金（电极烧结时，浆料中玻璃相软化熔融，润湿硅表面，蚀刻 SIN 膜，后蚀刻硅发射极。此过程 Ag 被蚀刻的 Si 溶解在玻璃相中，冷却过程中 Ag-Si 重结晶生长。参考郑建华等《银浆组成对硅太阳能电池丝网印刷欧姆接触影响》中引用 Hilali M M 等观点）欧姆接触形成方式：1、对 n-type 材料金属功函数低于半导体，在接触面半导体一侧形成多子积累层（电子） ；2、金属与重掺半导体界面形成势垒区很薄的内建电场区，通过隧道贯穿势垒，构成隧道电流，形成欧姆接触。目前生产中，主要利用隧道效应原理制作欧姆接触，在金属 -半导体界面，当半导体重掺杂时，势垒区变薄，多子隧道贯穿几率增大，以多子隧道电流为主，形成欧姆接触（参考《光电池及应用》中欧姆接触） 。欧姆接触最佳是为使多子顺利漂移过去，又可以对少子起阻挡作用。七、 测试分选通过模拟太阳光照射， 在标准条件下对电池片进行测试， 把不同电性能的电池片分档。测试标准条件： 1、光源辐照度 1000W/m2 ； 2、测试温度： 25± 20C ； 3、光谱分布 : AM1.5 八、 参数定义Voc： 光照恒定，当光电压增加至 PN 结正向电流全部抵消光电流时，光电压不在增加，此时光电压称为光电池开路电压。Uoc=(KT/q)ln(Ip+I 0)/I0≈ (KT/q)ln(Ip/I 0) Isc： 当光电池短路时，光生电流全部流入外电路，称通过外电路电流为短路电流。短路电流 =光生电流密度 *表面积。Rs： 光生载流子在产生后，通过内建电势分离并通过电极传导出去，所经过的路程中受到的阻力。包括：正负金属电极电阻、背场电阻、硅体电阻、 Ag-Si 合金和 Al-SI 合金电阻、 PN 结区电阻、横向传导电阻。Rsh： 在太阳电池模拟等效电路中， Rsh 为并联电阻（旁路电阻） ，其产生因素有表面 /边缘漏电流，体内位错、晶界或金属合金后微观裂痕、晶体缺陷形成细小短路导致漏电流。FF=ImVm/IscVoc，一般认为 Rs 愈小， Rsh愈大， FF 愈大。因 Rs 可认为电压趋于 Voc 的斜率值， Rsh 为电流趋于 Isc 的斜率值。 FF 可表征功率输出值。转换效率 ： Eta=VmIm/Pin，其中 VmIm 为最大输出功率点的电压和电流， Pin为太阳光输入功率。九、 高效电池技术晶硅电池硅半导体材料为间接带隙半导体材料， 其吸光过程需要声子参与， 因此其光吸收系数较直接带隙半导体小， 因此需要一定厚度保证才可以保证光吸收。 晶硅电池表面织构化设计，可以增大光射入和提高 PN 结面积，以增大光生电子产生，增大 Isc，因此电池正面设计应减少光遮挡；扩散掺杂，形成空间电荷区， PN 结势垒决定 Voc，因此设计优化不同区域掺杂浓度，形成一定结构的空间势垒区，或采用多结结构， 以提高开路电压； 刻蚀清洗是避免电池短路和去除表面高浓度掺杂磷，降低表面复合对光生载流子的损失； PECVD 形成一定折射率的减反射保护膜， 可使反射光干涉， 以提高入射光利用率， 并对硅材料表面层区域钝化处理，降低复合速率； 丝印形成电极和背电场， 以传导光电流和形成背场区域并反射长波，提高开路电压和增加光吸收，但背铝材料和 Si 材料接触，复合速率较大，因此优化背场可进一步提高晶硅电池电性能； 烧结以形成金属 -半导体欧姆接触，降低接触区复合率， 保证光电流传导。 因此高效晶硅电池设计应是保证光入射区表面积及其对不同波长光的高效收集吸收、光谱响应， PN 结设计保证光生载流子的分离及有效收集、传导，降低体内、表面、结区、合金区缺陷对载流子复合损失。高效技术（ 1）背表面电场（ BSF）电池：在电池的背面接触区引入同型重掺杂区，由于改进了接触区附近的收集性能而增加电池的短路电流； 背场的作用可以降低饱和电流，从而改善开路电压，提高电池效率。（ 2） 异质结太阳电池： 即不同半导体材料在一起形成的太阳电池， SnO／ Si， In20／ Si， 1n203 十 SnO2／ Si 电池等。 由于 SnO2、 In2O3、 （ In2O3＋ SnO2） 等带隙宽，透光性好， 制作电池工艺简单， 曾引起许多研究者的兴趣。 SnO2、 In2O3、 （ 1n2O3＋ SnO2）是许多薄膜电池的重要构成部分，作收集电流和窗口材料用。（ 3） MIS 电池： 是肖特基 （ MS） 电池的改型， 即在金属和半导体之间加入 1.5-3.0nm绝缘层， 使 MS 电池中多子支配暗电流的情况得到抑制， 而变成少子隧穿决定暗电流，与 pn 结类似。其中 i 层起到减少表面复合的作用，可有效抑制热电子发射的反向电流， 提高开路电压。 对效率产生决定性影响的是在介电层中使用了银。该电池优点是工艺简单，但反型层的薄层电阻太高。（ 4） MINP 电池：可以把这种电池看作是 MIS 电池和 p-n 结的结合，其中氧化层对表面和晶界复合起抑制作用。这种电池对后来的高效电池起到过渡作用。（ 5）聚光电池：聚光电池的特点是电池面积小，从而可以降低成本，同时在高光强下可以提高电池开路电压， 从而提高转换效率， 因此聚光电池一直受到重视。比较典型的聚光电池是斯坦福大学的点接触聚电池， 其结构与非聚光点接触电池结构相同， 不同处是采用 200 Ω .cm 高阻 n 型材料并使电池厚度降低到 100-160um，使体内复合进一步降低。这种电池在 140 个太阳下转换效率达到 26.5％。各研究院所设计高效电池(1) MWT 电池： metallization wrap through 电池，其设计特点为采用激光技术将晶硅表面打孔，将主栅转化为点接触形式通过孔移至背面，减少正面遮光面积，节省浆料使用；正面细栅线收集电流结构设计采用仿生模型，可有效提高载流子收集。(2) HIT cell ： Heterojunction with Intrinsic Thin Layer cell 。 HIT 电池结构采用在晶体硅上沉积一层本征氢化非晶硅薄膜和一层与晶体硅掺杂种类相反的掺杂氢化非晶硅薄膜，构成 p/i/n 异质结电池结构。 HIT 电池是日本 Sanyo公司发明的异质结电池的一种，其设计特点是在发射极和背面高浓度掺杂层与基体之间添加一层本征非晶硅层。HIT 电池特点1. 全部制作工艺都是在低温下完成，有效地保护载流子寿命；2. 通过抑制在单结晶 Si 电池单元上形成非晶 Si 薄膜时的损伤，减少了载流子的再耦合；3. 双面制结，可以充分利用背面光线；4. 表面的非晶硅层对光线有非常好的吸收特性；5. 采用的 n 型硅片其载流子寿命很大，远大于 p 型硅，并且由于硅片较薄，有利于载流子扩散穿过衬底被电极收集；6. 织构化的硅片对太阳光的反射降低；7. 利用 PECVD 在硅片上沉积非晶硅薄膜过程中产生的原子氢对其界面进行钝化，这是该电池取得高效的重要原因(3) 新南威尔士大学高效电池1. 钝化发射区电池（ PESC）2. 钝化发射区和背表面电池（ PERC）3. 钝化发射区和背面局部扩散电池（ PERL）4. 埋栅电池(4) 斯坦福大学的背面点接触电池（ PCC）(5) 德国 Fraunhofer太阳能研究所的深结局部背场电池（ LBSF）(6) 日本 SHARP 的 C-Si／ μ c-Si 异质 pp+结高效电池本文是根据自己工作经验、 所学知识及摘取各位科研人员工作成果而成， 因个人仓促完成，如有未标识出处，请谅解。本文仅供各位太阳能研究人员参考，如有何不恰之处，请给予批评指正，谢谢！周公文Zhougw1314@163.com 2012.8