Solar cell 太阳能电池

Solar cell 太阳能电池 Solar Cell 製作 Solar Cell 製作 A. 將n-type摻雜，塗佈在p-type 之表面。 B. 印刷導引線(光與電阻性損失最小) 最大光 吸收及電流收集。Silca(O2)高 溫 去 氧 化 冶 金 級98%pureMonsila複 晶 矽 單 晶 矽 晶 碇10-9CZF切 割拋 光 清 洗 蝕 刻 表 面 處 理 P/N擴 散 電 漿 蝕 刻 抗 反 射模 沈 積電 極 網 印 燒 結 鍍 錫 Solar Cel 硅片等级分类及标准 一、优等品 1：硅片表面光滑洁净。 2：TV ：220±20μm。 3：几何尺寸： 边长 125±0.5mm；对角 150±0.5mm、148±0.5mm、165±0.5mm； 边长 103±0.5mm、对角 135±0.5mm； 边长 150±0.5mm 、156±0.5mm、对角 203±0.5mm、200±0.5mm。 同心度：任意两个弧的弦长之差≤1mm。 垂直度：任意两边的夹角：90°±0.3。 二、合格品 一级品： 1：表面有少许污渍、轻微线痕。 2：220±20μm ≤TV≤220±30μm。 3：几何尺寸： 边长 125±0.5mm；对角 150±0.5mm、148±0.5mm、165±0.5mm； 边长 103±0.5mm、对角 135±0.5mm； 边长 150±0.5mm 、156±0.5mm、对角 203±0.5mm、200±0.5mm。 同心度：任意两个弧的弦长之差≤1.2mm。 垂直度：任意两边的夹角：90°±0.5。 二级品： 1：表面有少许污渍、线痕、凹痕，轻微崩边。 2： 220±30μm ≤TV≤220±40μm。 3：凹痕：硅片表面凹痕之和≤30μm。 4：崩边范围：崩边口不是三角形状，崩边口长度≤1mm，深度≤0.5mm 5：几何尺寸： 边长 125±0.52mm；对角 150±0.52mm、148±0.52mm、165±0.52mm； 边长 103±0.52mm、对角 135±0.52mm； 边长 150±0.52mm 、156±0.52mm、对角 203±0.52mm、200±0.52mm。 同心度：任意两个弧的弦长之差≤1.5mm。 垂直度：任意两边的夹角：90°±0.8。 三级品： 1：表面有油污但硅片颜色不发黑，有线痕和硅落现象。 2：220±40μm ≤TV≤220±60μm。 3：硅落：整张硅片边缘硅晶脱落或部分硅晶脱落。 三、不合格品 严重线痕、厚薄片：TV＞220±60μm。 崩边片：有缺损但可以改 Φ103 的硅片。 气孔片：硅片中间有穿孔 。 外形片：切方滚圆未能磨出的硅片。 倒角片（同心度）：任意两个弧的弦长之差1.5mm。 菱形片（垂直度）：任意两边的夹角90°±0.8。 凹痕片：硅片两面凹痕之和＞30μm。 脏 片：硅片表面有严重污渍且发黄发黑。 尺寸偏差片：几何尺寸超过二级品的范围。 注：以上标准针对的硅片厚度为 220μ m。 光伏发电技术能够直接将光能转化为电能。光伏发电机没有运动部件，因此只需要最少的维护。 当然，许多系统的蓄电池每 2－5 年需要更换。光伏发电不会产生温室气体和其他污染环境的 物质。同时，光伏发电机的运转没有噪声。 光伏电池通常由两块或多块半导体薄片组成，半导体材料通常是硅。当光线照射时，可以在电 池内部产生电流，并由金属导体以直流电（DC）的形式传导。 单块电池的发电量很小，通常在 0.5V 电压下只有大约 1.5W。所以多块电池常联在一起，并 封装在玻璃壳内形成一个模块电池（电池板） 。这样的模块电池不受天气状况的影响，可以抗风 雨。单块模块电池在 12V 直流电压状况下，完全可以产生 10－80Wp 的电能输出。 太陽能電池  一種利用太陽光直接發電的光電半導體薄片  可稱為太陽能晶片 太陽能製造廠商將太陽能電池稱為 cell,國內業者則慣稱晶片,把晶片(或依設計所需要的電流 進行晶片切割後)焊上箔條導線再將許多焊好的晶片用箔條串聯成一組,再和 EVA,tedlar 與 低鐵質強化玻璃層層疊疊,一同放入層壓機(laminate)的機台上做真空封裝, 製成 module(plane / panel)稱之為模組或稱太陽能板,將若干太陽能板組成方陣(列陣 array),接配上 過充放保護控制(controller)及深 (循環)放電蓄電池( 鉛鈣) 以及逆轉流器(inverter 直流轉變為 交流)合稱為太陽能電力系統,又稱太陽能發電站 市面上的太陽能電池  單結晶矽太陽電池 SINGLECRYSTAL  多結晶矽太陽電池 POLYCRYSTAL  非結晶矽太陽電池 AMORPHOUS  單晶薄膜太陽能電池 〈未來〉 市面上的太陽能電池 多晶硅太阳电池技术 多晶硅是由定向凝固的方法铸造而成的，它的结晶速度和生产能力均比单晶硅片的制造快 许多。目前单一多晶硅的铸造炉的容量已超过 270 公斤。由于晶界的存在和晶体生长速度 很快，多晶硅片的质量的均匀性较差，如晶粒大小不一样，晶界处杂质和缺陷浓度较高等。 加之多晶硅晶粒晶向的不一致性，不能采用各向异性的化学腐蚀方法形成有效的绒面，因 此在很长一段时间内多晶硅电池的转换效率比单晶硅电池的转换效率低很多。近年来，随 着人们对多晶硅材料的理解的不断加深，对多晶硅材料的处理和电池工艺作了大量的改进， 从而使多晶硅电池的转换效率得到了迅速的提高。大规模工业生产的转换效率也能达到 14%以 上。多晶硅电池转换效率的大幅度提高主要归功于磷扩散和铝背场的吸杂效应以及氮化硅 减反射膜中氢原子对多晶硅材料中缺陷的钝化作用 由于多晶硅具有比单晶硅相对低的材料成本，且材料成本随着硅片的厚度而降低，同时多 晶硅片具有跟单晶硅相似的光电转换效率，多晶硅太阳电池将进一步取代单晶硅片的市场。 因此太阳电池的技术发展的主要方向之一是如何采用大规模生产的工艺，进一步提高多晶 硅电池的转换效率。针对目前多晶硅电池大规模生产的特点，提高转换效率的主要创新点 有以下几个方面：  I. 高产出的各向同性表面腐蚀以形成绒面。  II. 简单、低成本的选择性扩散工艺。  III. 具有创新的、高产出的扩散和 PECVD SiN 淀积设备。  IV. 降低硅片的厚度。  V. 背电极的电池结构和组件。 对于丝网印刷电池，发射结表面的扩散浓度至少达到10 20/cm2， 发射结的深度至少为0.3～0.4μm。这两个参数是保证丝网印刷电结 可靠工作的主要因素。降低发射结的扩散浓度能提高电池在短波段 的光谱响应，但是，由于接触电阻可能增大，从而导致电池转换效 率一致性的下降，为此，选择性扩散（即电池电极下的扩散浓度较 浓）便显得尤为重要，这种方法也许不能增加电池的转换效率，但 是会降低电池的接触电阻，从而保证产品有较好的一致性。 表面绒面对提高电池的转换效率起着 重要的作用，它不但降低了表面反 射，并且增加了光陷阱以及光生载 流子的收集。由于各向异性化学腐 蚀不能在多晶硅片的表面形成有效 的绒面，人们采用了各种方法试图 有效地减少多晶硅电池表面的反射。 如机械刻槽、离子反应腐蚀、多孔 硅、低成本选择性干腐或湿腐以及 各向同性化学腐蚀等。其中各向同 性酸腐蚀方法最为简单，且在不增 加任何工艺步骤的情况下形成有效 的低成本的绒面，比较适合大规模 工业生产的要求。图9显示了各向同 性酸腐蚀形成的绒面。 表面绒面对提高电池的转换效率起着重 要的作用，它不但降低了表面反射， 并且增加了光陷阱以及光生载流子 的收集。由于各向异性化学腐蚀不 能在多晶硅片的表面形成有效的绒 面，人们采用了各种方法试图有效 地减少多晶硅电池表面的反射。如 机械刻槽、离子反应腐蚀、多孔硅、 低成本选择性干腐或湿腐以及各向 同性化学腐蚀等。其中各向同性酸 腐蚀方法最为简单，且在不增加任 何工艺步骤的情况下形成有效的低 成本的绒面，比较适合大规模工业 生产的要求。图9显示了各向同性酸 腐蚀形成的绒面。 表面绒面对提高电池的转换效率起着重 要的作用，它不但降低了表面反射， 并且增加了光陷阱以及光生载流子 的收集。由于各向异性化学腐蚀不 能在多晶硅片的表面形成有效的绒 面，人们采用了各种方法试图有效 地减少多晶硅电池表面的反射。如 机械刻槽、离子反应腐蚀、多孔硅、 低成本选择性干腐或湿腐以及各向 同性化学腐蚀等。其中各向同性酸 腐蚀方法最为简单，且在不增加任 何工艺步骤的情况下形成有效的低 成本的绒面，比较适合大规模工业 生产的要求。图9显示了各向同性酸 腐蚀形成的绒面。 表面绒面对提高电池的转换效率 起着重要的作用，它不但降低了表 面反射，并且增加了光陷阱以及光 生载流子的收集。由于各向异性化 学腐蚀不能在多晶硅片的表面形成 有效的绒面，人们采用了各种方法 试图有效地减少多晶硅电池表面的 反射。如机械刻槽、离子反应腐蚀、 多孔硅、低成本选择性干腐或湿腐 以及各向同性化学腐蚀等。其中各 向同性酸腐蚀方法最为简单，且在 不增加任何工艺步骤的情况下形成 有效的低成本的绒面，比较适合大 规模工业生产的要求。图9显示了各 向同性酸腐蚀形成的绒面。 图9 表面 绒面 对提 高电 池的 转换 效率 起着 重要 的作 用， 它不 但降 低了 表面 反射， 并且 增加 了光 陷阱 以及 光生 载流 子的 收集。 由于 各向 异性 化学 腐蚀 不能 在多 晶硅 片的 表面 形成 有效 的绒 面， 人们 采用 了各 种方 法试 图有 效地 减少 多晶 硅电 池表 面的 反射。 如机 械刻 槽、 离子 反应 腐蚀、 多孔 硅、 低成 本选 择性 干腐 或湿 腐以 及各 向同 性化 学腐 蚀等。 其中 各向 同性 酸腐 蚀方 法最 为简 单， 且在 不增 加任 何工 艺步 骤的 情况 下形 成有 效的 低成 本的 绒面， 比较 适合 大规 模工 业生 产的 要求。 图9显 示了 各向 同性 酸腐 蚀形 成的 绒面。 表面绒面对提高电池的转换效率起着重要的作用，它不但降低了表面反射，并且增加了光 陷阱以及光生载流子的收集。由于各向异性化学腐蚀不能在多晶硅片的表面形成有效的绒 面，人们采用了各种方法试图有效地减少多晶硅电池表面的反射。如机械刻槽、离子反应 腐蚀、多孔硅、低成本选择性干腐或湿腐以及各向同性化学腐蚀等。其中各向同性酸腐蚀 方法最为简单，且在不增加任何工艺步骤的情况下形成有效的低成本的绒面，比较适合大 规模工业生产的要求。图 9 显示了各向同性酸腐蚀形成的绒面。 对于丝网印刷电池，发射结表面的扩散浓度至少达到 1020/cm2， 发射结的深度至少为 0.3～0.4μm。这两个参数是保证丝网印刷电结可靠工作的主要因素。降低发射结的扩散浓 度能提高电池在短波段的光谱响应，但是，由于接触电阻可能增大，从而导致电池转换效 率一致性的下降，为此，选择性扩散（即电池电极下的扩散浓度较浓）便显得尤为重要， 这种方法也许不能增加电池的转换效率，但是会降低电池的接触电阻，从而保证产品有较 好的一致性。  多晶硅材料随着其供应商的不同而差异很大，这对电池生产工艺的优化和产品质量 的控制带来很多不便。然而减少电池表面的复合率和改善体内质量是提高电池转换 效率的重要手段。等离子体化学气相沉积（PECVD）氮化硅薄膜是很理想的电池 表面减反射膜，同时也提供了较为理想的电池表面和体内钝化。目前，有两种等离 子体化学沉积技术被广泛用于氮化硅的淀积工艺，一种是远程 PECVD，另外一种 是直接 PECVD。前者在淀积氮化硅的过程中，对电池表面的损伤几乎可以忽略。 因此对电池表面的钝化效果较为理想，而直接 PECVD 对电池表面的损伤较大，所 以对表面的钝化效果不佳，但是电池表面损伤层能增强氢原子在硅材料体内的扩散， 从而加强了电池体内钝化效果，然而直接 PECVD 对电池表面损伤在高温处理中 （700℃）能得到恢复。  电池铝背场已被很多电池制造商应用于丝网印刷太阳能电池制造技术。大约 20μm 厚的铝浆通过丝网印刷方法沉积到电池的背面，在高温烧结过程中，铝和硅 形成共晶合金，如果烧结温度高于 800℃，铝在硅内的掺杂浓度会高达 5×1018/cm3,而硅片衬底的掺杂浓度只在 2×1016/cm3 左右，从而在铝背场和衬底 之间形成高/低结，有效地阻止了少数载流子向电池的背面扩散，降低了电池背表 面的复合速率。铝背场可将电池背面的复合速率降低到 200cm/s 以下，此外，硅铝 合金能对硅片进行有效地吸杂。 四、工艺介绍  高效单晶硅太阳电池工艺流程如下： 去除损伤层 表面绒面化 发射区扩散 边缘结刻蚀 PECDV 沉积 SiN 丝网印刷正背面电极浆料 共烧形 成金属接触 电池片测试。 4.1 绒面制备  硅片采用 0.5~2Ω.cm，P 型晶向为（100）的单晶硅片。利用氢氧化钠溶液对单晶 硅片进行各向异性腐蚀的特点来制备绒面。当各向异性因子=10 时（所谓各向异性 因子就是（100）面与（111）面单晶硅腐蚀速率之比） ，可以得到整齐均匀的金字 塔形的角锥体组成的绒面。绒面具有受光面积大，反射率低的特点。可提高单晶硅 太阳电池的短路电流，从而提高太阳电池的光电转换效率。(见图 13) 4.2 发射区扩散 采用三氯氧磷气体携带源方式，这个工艺的特点是生产高，有利于降低成本。新购的 8 吋 硅片扩散炉、石英管口径达 270mm，可以扩散 156×156（mm ）的硅片。 由于石英管口径大，恒温区长，提高了扩散薄层电阻均匀性，有利于降低太阳电池 的串联电阻 Rs，从而提高太阳电池填充因子 FF。 4.3 SiN 钝化与 APCVD 淀积 TiO2  先期的地面用高效单晶硅太阳电池一般采用钝化发射区太阳电池(PESC)工艺。在 扩散过去除磷硅玻的硅片上,热氧化生长一层 10nm~25nm 厚 SiO2 为,使表面层非晶 化,改变了表面层硅原子价键失配情况,使表面趋于稳定,这样减少了发射区表面复合, 提高了太阳电池对蓝光的响应,同时也增加了短路电流密度 Jsc,由于减少了发射区表 面复合,这样也就减少了反向饱和电流密度,从而提高了太阳电池开路电压 Voc。还 有如果没有这层 SiN,直接淀积 TiO2 薄膜,硅表面上会出现陷阱型的滞后现象导致太 阳电池短路电流衰减,一般会衰减 8%左右,从而降低光电转换效率。故要先生长 SiN 钝化再生长 TiO2 减反射膜。  TiO2 减反射膜是用 APCVD 设备生长的,它通过钛酸异丙脂与纯水产生水 解反应来生长 TiO2 薄膜。 4.4 PECVD 淀积 SiN  多晶硅太阳电池广泛使用 PECVD 淀积 SiN ,由于 PECVD 淀积 SiN 时,不光是生长 SiN 作为减反射膜,同时生成了大量的原子氢,这些氢原子能对多晶硅片具有表面钝 化和体钝化的双重作用,可用于大批量生产高效多晶硅太阳电池,为上世纪末多晶硅 太阳电池的产量超过单晶硅太阳电池立下汗马功劳。随着 PECVD 在多晶硅太阳电 池成功,引起人们将 PECVD 用于单晶硅太阳电池作表面钝化的愿望。  由于生成的氮化硅薄膜含有大量的氢,可以很好的钝化硅中的位错、表面悬挂 键，从而提高了硅片中载流子迁移率，一般要提高 20%左右，同时由于 SiN 薄膜 对单晶硅表面有非常明显钝化作用。尚德公司的经验显示，用 PECVD SiN 作为减 反膜的单晶硅太阳电池效率较高于传统的由 APCVD TiO2 作为减反膜单晶硅太阳 电池。 4.5 共烧形成金属接触  晶体硅太阳电池要通过三次印刷金属浆料，传统工艺要用二次烧结才能形成良好的 带有金属电极欧姆接触，共烧工艺只需一次烧结，同时形成上下电极的欧姆接触， 是高效晶体硅太阳能电池的一项重要关键工艺，国外著名的金属浆料厂商非常卖力 推广共烧工艺。这个工艺基础理论来自较古老的合金法制 P-N 结工艺。就是电极 金属材料和半导体单晶硅在温度达到共晶温度时，单晶硅原子按相图以一定的比例 量溶入到熔融的合金电极材料中去。单晶硅原子溶入到电极金属中的整个过程是相 当快的，一般只需几秒钟时间。溶入的单晶硅原子数目决定于合金温度和电极材料 的体积，烧结合金温度愈高，电极金属材料体积愈大，则溶入的硅原子数目也愈多， 这时状态被称为晶体电极金属的合金系统。如果此时温度降低，系统开始冷却，这 时原先溶入到电极金属材料中的硅原子重新以固态形式结晶出来，也就是在金属和 晶体接触界面上生长出一层外延层。如果外延层内含有足够量的与原先晶体材料导 电类型相同杂质成份，这就获得了用合金法工艺形成欧姆接触；如果再结晶层内含 有足够量的与原先晶体材料导电类型异型的杂质成份，这就获得了用合金法工艺形 成 P-N 结。  银桨、银铝桨、铝桨印刷过的硅片，通过烘干有机溶剂完全挥发，膜层收缩成 为固状物紧密粘附在硅片上，这时，可视为金属电极材料层和硅片接触在一起。所 谓共烧工艺显然是采用银—硅的共晶温度，同时在几秒钟内单晶硅原子溶入到金属 电极材料里，之后又几乎同时冷却形成再结晶层，这个再结晶层是较完美单晶硅的 晶格点阵结构。只经过一次烧结钝化表面层的氢原子，逸失是有限的，共烧保障了 氢原子大量存在，填充因子较高，没有必要引入氮氢烘焙工艺（FGS） 。 3.2 大规模工业生产太阳电池制造大规模工业生产太阳电池制造 目前国际上大多数晶 体硅太阳能电池生产厂 家都采用丝网印刷技术。 这一技术是在七十年代 形成的。因此已没有产 权归哪一个生产厂家的 说法。这一技术对单晶 硅和多晶硅都适用。图8 描述了这一电池的结构。 n+p+ metal 20 m3 m 图图 8 丝网印刷工艺生产的电池结构示意图丝网印刷工艺生产的电池结构示意图 目前国际上大多数晶体硅太阳能电池生产厂家都采用丝网印刷技术。这一技术是在七十年 代形成的。因此已没有产权归哪一个生产厂家的说法。这一技术对单晶硅和多晶硅都适用。 图 8 描述了这一电池的结构 丝网印刷工艺过程包括： 1、表面金字塔的形成（以减少表面 反射） ； 2、磷扩散 （900oC 的高温工艺） ； 3、 边缘切割； 4、丝网印刷前表面电极； 5、丝网印刷后表面电极； 6、 电极烧结(800oC 的高温工艺) ； 7、前表面减反射膜喷涂。 由这一工艺生产的单晶硅太阳能电池的转换效率在 13.5％－16％之间，多晶硅电 池的转换效 率在 13％－15.5％之间。 丝网印刷技术具有以下特点： 1、为了使电极和硅表面形成好的欧姆接触，由磷扩散所形成的表面 n－ 型材料掺杂浓度偏高。 正如上面所陈述的，高浓度掺杂降低材料内的少数载流子寿命,使 得光生载流子不能得到有效地收集。而短波长的太阳光是被这一层材料吸收的，因此这些 太阳光的能量不能得到很好的利用,形成所谓的“死层”。 2 、电池前表面的复合高，因为电池的前表面没有采取有效的钝化措施。 3、受丝网技术的限制，前表面的金属电极不能做的很窄，从而遮挡了光 在硅片内的有效吸收。取决于硅片的电阻率，由丝网印刷技术生产的晶体硅电池的开路电 压在 580—620mV 之间，短路电流密度在 28—33mA/cm2 之间，以及填充因子在 70%—75%之 间。对于大面积的电池，电池表面 10%--15%面积被电池表面电极遮挡了。