高效低成本选择性发射极太阳能电池的研究与制备开题报告表

电 子 科 技 大 学（ 硕 ） 士 学 位 论 文 开 题 报 告 表班 学 号： 200720301036 姓 名： 赵赞良论文题目： 高效低成本选择性发射极太阳能电池的研究与制备指导教师： 赵建明学科专业： 微电子学与固体电子学所在学院： 微电子与固体电子学院电子科技大学研究生院制表2008 年 12月 15日填填 表 说 明1. 研究生须认真填写本表相关内容。2. 凡所列栏目填写不下的，可以另加附页。3. 本表采取 双面 复制（复印） ，且保持原格式不变，纸张限用 A4（页边距为上、下： 2.5cm, 左为 2 .6cm, 右为 2 .1cm ；字体为宋体小四，行间距为 18磅。 ） ，装订要整齐。4. 开题报告完成，此表经相关人员签字后，须交学院研究生教务秘书保存。一、学位论文研究内容班学号： 200720301036 姓名： 赵赞良 入学时间： 2007 年 9 月学位论文题目 高效低成本选择性发射极太阳能电池的研究与制备学位论文的课题来源： 1. 纵向 √ 2. 横向 3. 自拟学位论文类型： 1. 基础研究 √ 2. 应用基础研究 3. 应用研究学位论文研究内容提高转换效率、降低成本始终是光伏科学研究的主要方向，当前，随着新技术的不断革新，太阳能电池的光电转换效率也在不断提高。目前，硅太阳能电池转换效率产业化水平为，单晶 16%～ 17％、多晶 14%～ 16％，通过简单的工艺改进已很难将转换效率进一步提高。因此，该论文选题应运而生。本论文将做一下研究：1、 研究当前硅太阳能电池的基本理论和工艺，在现有理论和科研成果的基础上，提出新的结构或工艺；2、 研究当前选择性发射极太阳能电池的基本原理与工艺，为实现所提新结构或工艺提供理论和实践基础及经验；3、 在实验中，研究各道工艺对所提新结构或工艺的选择性发射极太阳能电池的影响及相互关系，找到适合所提新结构或工艺的选择性发射极太阳能电池的各道工艺的最佳工艺点，以及各工艺之间的最佳匹配点；4、 着重研究扩散、 PECVD、丝网印刷等工艺，在实现选择性发射极太阳能电池过程中对电池片的影响及其程度；5、 在实现高效选择性发射极太阳能电池的基础上，研究工艺的改进方案，以降低其生产制造成本。6、 研究本论文提出的新结构或工艺的改进方向，在时间和实验条件允许的情况下，可进一步做工艺改进和完善；由此可见，该论文主要从两个方面着手进行研究。一是研究能够实现选择性发射极太阳能电池的相关工艺，以提高常规工艺制造的太阳能电池片的短路电流、开路电压、转换效率等电性能参数；二是研究、实现并改进选择性发射极太阳能电池的工艺方案，以降低其生产制造成本。1 二、学位论文研究依据学位论文的选题依据和研究意义， 以及国内外研究现状和发展态势 （应有 2000— 3000 字） ，主要参考文献一、 选题依据目前，世界能源结构中，人类主要利用的是化石能源，其中，石油、天然气、煤炭的消费构成分别为 41%、 23%和 27%。而根据目前所探明的储量和消费量计算，这些能源仅可供全世界大约消费 170年。随着近年来石油价格飙升，各国都在竭力寻找可替代新能源。太阳能是永不枯竭的清洁能源， 是 21世纪以后人类可期待的最有希望的能源之一， 世界各国政府无不对太阳能利用予以相当的重视。 太阳能是目前可再生能源， 最具潜力和现实意义的产业，是未来我国常规能源替代的主力军。除提供能源外， 太阳能光伏产业还有许多特殊优势， 尤其是它可以为边远地区、 特殊场合供电。考虑到太阳能光伏的附加价值，光伏发电的综合经济效益大大提升，因此，不能单纯与传统发电模式比较单位发电成本。 太阳能光伏可产业以降低温室气体和污染物排放、创造就业机会、保障能源安全和促进农村尤其是边远农村的发展。总之，发展太阳能光伏产业有许多经济、社会和环境保护的积极意义。目前，单晶 Si 、多晶 Si 、非晶 Si 、 GaAs和 InP等薄膜电池池效率在逐年提高，而且还有更多新型材料的太阳能电池不断地面世。 但是， 目前真正能都产业化、 大规模生产的太阳能电池， 主要还是依靠硅材料， 现在的主要产品是单晶硅和多晶硅太阳能电池片。 在目前的太阳能电池生产中， 电池片的效率普遍较低， 急需通过改进工艺来提高电池片的效率。以硅片为载体的光伏电池制造技术， 其理论极限效率为 29％。 近年来由于一系列新技术的突破，硅太阳能电池转换效率产业化水平单晶达到了 16%～ 17％，多晶达到了 14%～16％，按目前的晶体硅电池技术，提升效率的难度已经非常大。太阳能电池技术面临的问题主要是提高转换效率和降低成本， 这一直是光伏科学研究的主要方向。 而要提高光电转换效率， 就必须同时获得较高的短路电流 Isc 、 开路电压 Voc和填充因子 FF。 太阳电池理论计算结果表明， 对于常规生产用的太阳电池材料而言， 要想获得较高的短路电流密度 Isc ，则需要得到轻掺杂浓度和较浅的结深；而要获得较高的开路电压 Voc，则需要较高的表面掺杂浓度。较高的表面浓度能够制备较好的欧姆接触，也能够减小电池的串联电阻，因而提高太阳电池的填充因子 FF。由此可见， 掺杂浓度和结深对 Isc 和 Voc的影响是对立的。 用常规工艺制备的太阳电池难于解决这一矛盾， 只能选取一个折中的掺杂浓度， 既要兼顾短路电流又要兼顾开路电压，同时还要考虑减小串联电阻 Rs。要想兼顾以上几点， 可以采取特殊的结构和工艺。 即在电极区域， 需要良好欧姆接触的地方，扩散结深扩的深一些，表面浓度尽可能高一些；而在无电极覆盖的区域，掺杂浓度低一些， 扩散结深浅一些。 这样的电池结构在非电极区域由于表面掺杂浓度较低， 表面钝化可以做得较好， 大大地减小表面复合电流使太阳电池的短路电流和开路电压都得到提高。 在电极下面， 由于是重掺杂而具有较高的掺杂浓度和相对较深的结深， 电极的欧姆接触能做得较好，减小了串联电阻 Rs，提高了填充因子 FF；同时，由于该区域的结深较深，就能大大放宽电极烧结工艺条件。 这些优点对晶体硅太阳能电他的整体性能都会有很好的改善和提高。PN结特性决定了太阳能电池的性能。 传统工艺对太阳能电池表面均匀掺杂， 且为了减少接触电阻、 提高电池带负载能力表面掺杂浓度较高。 但研究发现表面杂质浓度过高导致扩散区能带收缩、晶格畸变、缺陷增加、“死层”明显、电池短波响应差。PN结技术是国际一流电池制造企业与国内电池企业的主要技术差距。 为了在提高电池的填充因子的同时避免表面“死层”， 选择性扩散发射极电池技术是最有望获得产业化生产的高效低成本电池技术， 其技术原理简单， 且通过现有设备已经在实验室实现， 但如何降低制造成本，是该技术产业化过程中所面临的主要挑战。目前，国内某些大公司对外宣传的超过 17.6 ％以上的高效电池其技术核心均来源于此，相信随着配套装备与辅助材料的及时解决近二年内将会迅速普及与推广。二、 研究意义提高转换效率和降低成本， 是太阳能电池所要面临的两大主要问题。 本论文通过研究高效太阳能电池片的结构和特点， 通过改进现有太阳能电池的结构和制造工艺， 采用选择性发射极的太阳能电池结构， 并在工艺生产线上实现其制备， 最终达到提高电池片的转换效和降低生产成本的双重目的。通过本论文的研究， 将提出新的解决方案， 打破不能同时提高短路电流 Isc 和开路电压 Voc的束缚，并达到提高光电转换效率的最终目标。提高太阳能电池片的转换效率后， 可以使太阳光得到更有效的利用， 而且， 如果在要求一定功率，可以减少组件的数量，节约占地面积；若在场地一定的情况下，还可以提高该场地的功率输出。三、 国内外研究现状1、目前国内产业化情况目前， 由晶体硅制作的太阳能电池已在太阳能光生伏打产品市场上占据统治地位， 单晶硅太阳能电池的平均转换效率约为 16.5%， 多晶硅是 15.5%。 高端单晶硅太阳能电池的转换效率可超过 17%，而高端多晶硅太阳能电池的转换效率号称高于 16%。硅基太阳能电池分为单晶硅、 多晶硅两种。 单晶硅技术工艺成熟， 转换效率实验室最高可达 25%，商业化在 16%～ 17%之间。多晶硅技术原料成本低，但转换效率不及单晶硅，实验室最高为 21%，商业化为 14%～ 16%。目前， 大多数厂家在晶体硅太阳电池的制作上， 一般都是采用一步扩散工艺和两步扩散工艺。一步扩散工艺有利于结深的控制，在制作浅结方面比较方便。但是，这样很容易导致表面杂质浓度过高而形成“死层” ，其中存在的大量填隙原子、位错和缺陷，会使少子寿命远低于 1ns。而且光在“死层”中发出的光生载流子都无谓地复合掉，导致效率下降。降低表面杂质浓度，减少缺陷，是提高效率的有效途径。2、云南师范大学研究情况用印刷磷浆快速扩散获得高的表面浓度，最高达到 4× 1020/cm3，磷浆的粉末粒度和纯度均达到制备太阳电池要求。课题制备的单晶硅太阳电池 103mm× 103mm(测试面积为85.56 cm2)，效率达到 15%；多晶硅太阳电池 100mm× 100mm(测试面积 90.25cm2)效率达到13%，与同等工艺、设备条件下常规结构电池相比转换效率增加 0.5至 1个百分点。丝网印刷磷浆制备的专有技术： ph值达到 2.8，对丝网的腐蚀小；具有较好的稳定性及良好的印刷特性； 印刷时粘度有较宽的适宜范围， 磷浆热分解较完全； 可配制不同浓度磷浆，最高杂质浓度达 2× 1021/cm3；能满足太阳电池印刷用磷浆要求，制备的电池有良好的结特性。太阳电池快速扩散工艺技术及实验室规模的快速扩散系统的制备技术：快速扩散炉，加热速度快， 可在 10秒内从室温升高到 1000℃， 4秒内从 600℃升温到 1000℃， 有较好的温度稳定性和热工性能， 可为多种快速热处理试验提供研究手段， 设备结构设计与规模化生产模式有较好的兼容性。 通过试验获得了在 850℃～ 925℃下， 结深取决于扩散时间， 与扩散温度无关的结果。通过对选择性发射极这一新结构晶体硅太阳电池的研发，制备选择性发射极太阳电池，有利于提高太阳电池效率，达到降低成本的目的。从工艺流程对比来看，新工艺在总体设备投入上与原有工艺相近， 易形成大规模自动化生产线。 晶体硅太阳能电池转换效率可提高 1个百分点，可直接带来生产成本下降，具有良好的经济效益。课题获得大多数研究成果与常规生产工艺有良好的通用性， 可在规模生产中直接应用。 其中部分单项成果已应用于生产。3、中电电气（南京）光伏有限公司从该公司申请的专利 “选择性发射结晶体硅太阳电池的制备方法” 中了解到， 该公司的发明所要解决的技术问题在于， 克服现有技术存在的缺陷， 提供选择性发射结晶体硅太阳电池的制备方法。采用丝网印刷工艺印刷腐蚀剂，在二氧化硅层上腐蚀形成电极窗口，再进行高浓度扩散。 可以有效克服现有技术存在的缺陷， 大大降低制备成本， 满足工业化生产目的。该发明选择性发射极晶体硅太阳电池的制备方法， 包括高浓度掺杂扩散， 其特征在于：在晶体硅片的二氧化硅层上采用印刷工艺印刷腐蚀剂， 腐蚀形成电极窗口， 然后， 在电极窗口区域在 POCl3气氛中进行高浓度掺杂扩散。该发明实现发明目的的另一技术方案， 选择性发射极晶体硅太阳电池的制备方法， 包括高浓度掺杂扩散步骤和低浓度掺杂扩散，其特征在于：将晶体硅片在 POCl3气氛中进行低浓度扩散， 然后在扩散后的晶体硅片表面热氧化生长二氧化硅层， 再在二氧化硅层上采用印刷工艺印刷腐蚀剂，腐蚀形成电极窗口，在电极窗口区域在 POCl3气氛中进行高浓度掺杂扩散。该发明实现发明目的的第三个技术方案，选择性发射极晶体硅太阳电池的制备方法，包括高浓度掺杂扩散步骤和低浓度掺杂扩散， 其特征在于： 在晶体硅片表面热氧化生长二氧化硅层，二氧化硅层的厚度为 3nm～ 10nm；在晶体硅片的二氧化硅层上采用印刷工艺印刷腐蚀剂，腐蚀形成电极窗口，然后，对晶体硅片在 POCl3气氛中进行掺杂扩散，在电极窗口区域形成高浓度掺杂扩散， 在晶体硅片的其它区域形成的低浓度掺杂扩散。 当氧化层厚度不同时对不同浓度扩散的调节，可通过对扩散温度、时间和扩散源流量的调节达到。4、江苏爱德太阳能科技有限公司在该公司申请的专利 “实现晶体硅太阳电池选择性发射区的方法” 中提到， 该公司目前采用的工艺为， 先在硅片上均匀沉积含磷物质作为磷源， 然后通过激光选择性加热在硅片表面局部形成重掺杂区域， 最后将硅片进行整体热处理形成轻扩散区域。 也可以现在硅片上均匀沉积含磷物质作为磷源， 同时将硅片进行整体热处理形成轻掺杂区域， 最后通过激光选择性加热硅片表面局部形成重掺杂区域。其所述硅片为 P型，电阻率为 0.2～ 30Ω · cm，在沉积含磷物质前，表面经过常规清洗和常规表面织构化处理。沉积含磷物质的方法包括： 表面喷涂或印刷含磷的浆料， 在硅片表面预淀积含磷的扩散源层。用激光选择性加热硅片表面可形成重掺杂区域。 由于激光的加热作用， 该区域内表面预淀积的含磷物质中磷向硅片内扩散。控制激光的功率、密度、焦距、束斑大小、波长、移动速度等参数，可以是硅片表面被激光照射温度达到 900～ 1400℃，在激光照射后形成薄层电阻为 5～ 30Ω / □的中扩散区域。 没有激光照射的部分， 温度仍然保持在 20～ 800℃，没有磷的扩散或扩散量很少。将硅片进行整体热处理的方法为常规的炉管加热或链式炉加热，加热温度为 700～950℃，加热时间为 2～ 100分钟。加热后，硅片表面形成薄层电阻为 80～ 300Ω / □的轻掺杂区域。5、德国 ISFH研究所采用新的激光加工技术能提高太阳能电池的光电转换效率。 德国 ISFH研究所的研究人员已经研制出一种制造太阳能电池的加工工艺，即背交叉单次蒸发 ( RISE ) 工艺。辅以激光加工技术，用该工艺制造的背接触式硅太阳能电池的光电转换效率达到 22%。6、 BP Solar 公司BP Solar 公司采用激光刻槽埋栅极技术，也就是说利用激光技术在硅表面上刻槽，然后填入金属， 以起到前表面电接触栅极的作用。 与标准前表面镀敷金属层相比， 这种技术的优点是能减少屏蔽损耗。7、 Advent Solar 公司Advent Solar 公司则采用另外一种被称之为发射区围壁导通 (emitter wrapthrough)技术。 用激光在硅晶片上钻通孔， 高掺杂壁将发射区前表面的电流传导到背表面的金属接触层，因而能进一步降低屏蔽损耗，提高光电转换效率。8、 Spectrolab 有限公司波音公司子公司 Spectrolab 有限公司科学家在最近发表的太阳能电池制造研究论文中称， 他们研制出的太阳能电池超越了具有里程碑意义的 40%效率限制， 40%效率是所有光电设备所能获得的最高效率。Spectrolab 有限公司研究小组对聚光多结太阳能电池（ concentrator multi- junc- tion solar cells ） 进行了实验， 使用透镜对太阳光进行聚焦， 从而获得高强度的太阳光。很显然，多结太阳能电池还可利用波长范围更广的日光，比单结太阳能电池更加有效率。该公司期望这项突破能够应用于地面商业化太阳能发电上。 Spectrolab 公司科学家同时还预测，使用三个以上的 PN结、并改善材料与设计，将能够达到 58%的理论效率值，这表示，聚光太阳能电池的效率可以超过 45%，甚至于在未来超越 50%。四、 发展态势太阳能电池的短路电流、 开路电压和填充因子都达到最大值时， 可以得到最高的转换效率。 但由于它们相互影响和制约， 并受到材料内在质量的影响， 同时提高三者是很困难的，一般情况下只能单独改善其中的某一项。当前的目标，是不但要研发新的工艺、新的技术和新的器件结构， 而且也要研发向工业生产的转移问题、 降低电池和组件的成本问题。目前，晶体硅太阳能电池的发展方向大概有以下几个：1、发射极钝化及背面局部扩散太阳能电池电池正反两面部进行氧钝化，并采用光刻技术将电池表面的氧化硅层制作成倒金宇塔。 两面的金属接触面都进行缩小， 其接触点进行了硼与磷的重掺杂。 用此法制备的单晶硅电池效率已达 24.7%，多晶硅电池效率已达 19.8%。2、埋栅太阳能电池采用激光刻槽或机械刻槽。 激光在硅片表面刻出宽度为 20um左右的槽， 然后化学镀铜，以形成电电极。它的主要特征是：①随机绒面，降低了表面反射率；②选择性发射极，获得了最佳的光谱响应及最小的接触电阻。 ③激光刻槽埋栅电极， 达到了最小的遮光率， 高电导率的铜电极。这种电池的批量生产效率已达 17%，因此，已具有工业化生产的意义。目前我国这种电池的实验室效率为 19.55%。3、高效背表面反射器太阳能电池在这类电池中， 太阳能电池的背面和背面接触之间用真空蒸镀的方法沉积一层高反射率的金属表面，一般为铝。对硅电池来说，能被电池吸收并转换为电能的光的波长，约为1150nm， 比它更长的任何辐射波都容易透过半导体材料进入背表面反射器。 电池的厚度越薄，背反射器的作用越明显。所谓背反射器，就是将电池背面做成反射面，它能反射透过电池基体到达背表面的光，从而增加光的利用率。这样，可增加电池对长波光的吸收，使短路电流增加。并且它还能把到达背面的波长大于电池光谱响应截止波长的红光反射出去，从而降低电池的吸收系数。这就减轻了其有害影响，因为，这部分光不仅不能产生光生载流子，而且产生热效应，使电池温度升高，导致效率下降。4、高效背表面场和背表面反射器大阳能电池它也称为漂移场太阳能电池。此电池是在 BSR电池结构的基础上再做一层 P+层。这种场有助于光生电子——空穴对的分离和少数载流子的收集。 但这种 P+场容易受空间高能粒子辐射的影响而发生衰减，比 BSR电池抗高能粒子损伤的能力差。其目前的最高效率为14.8%。5、高效低阻硅太阳能电池它是一种用电阻率为 0.2 Ω · cm和 0.3 Ω · cm的 P型区熔硅制成的电池。其特点是在电池的发射区制备一层钝化层。这种结构的电池，减少了表面密度，抑制了表面复合速度。其扩散结较深，约为 0.7um，在保持较高短路电流密度 39.2mA/cm2的同时，具有相当高的开路电压 670mV和较高的填充因子（ 82.1%） 。该电池在 AM1.5、 100mW/cm2、 25℃± 2℃的条件下测试，其转换效率可达 21.6%。五、 主要参考文献[1] 马丁· 格林 . 太阳电池——工作原理、 工艺和系统的应用 [M]. 北京 : 电子工业出版社，1987. 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Self-Doping Contacts and Associated Silicon Solar Cell Structures [J].Proceedings of the 2nd WCPSEC, Vienna, 1998. 2 三、学位论文研究计划及预期目标1. 拟解决的关键问题和最终目标，以及拟采取的主要理论、技术路线和实施方案A、拟解决的关键问题通过改进太阳能电池的结构和制造工艺， 以同时提高短路电流 Isc 、 开路电压 Voc和转换效率，并实现高效低成本太阳能电池的产业化。通过与目前不同的工艺来实现掺杂浓度的选择性分布。B、最终目标将目前产业化太阳能电池的短路电流 Isc 和开路电压 Voc提高到一个新的台阶，同时，把光电转换效率提高到 17%以上，最终将这种工艺在产业化中得以实现。C、拟采取的主要理论本课题研究将主要运用到半导体物理、器件物理、半导体制造工艺等相关理论知识。如，能带理论、金属——半导体接触理论、复合理论、薄膜淀积理论、扩散理论、烧结理论和半导体器件物理中的相关理论等等。D、技术路线本论文将在晶体硅太阳能电池的基本理论基础上， 参考目前太阳能电池的主要技术及发展趋势， 特别是选择性发射极太阳能电池的相关研究， 进而提出新的高效太阳能电池的结构及实现方法；再在此基础上，通过工艺实验和改进，实现低成本的产业化生产，提高该类产品的市场竞争力。E、实施方案首先，学习相关理论知识，搜集国内外有关选择性发射极太阳能电池的文献、资料，了解目前的研究情况及发展方向。其次， 在现有理论的基础和前人研究结果的支持下， 提出新的结构， 或在现有结构下提出新的工艺解决方案， 以提高晶体硅太阳能电池的光电转换效率， 并降低产业化生产的成本，提高产品的竞争力。随后，将对工艺进行优化，进一步提高效率，降低成本，更加适合产业化。最后， 将研究成果写成文章发表， 在有条件的情况下可以申请专利， 最终形成毕业论文。2. 实验条件落实情况，可能存在的问题及解决办法目前， 所在实习公司以将此作为发展的一个方向， 将会在选择性发射极太阳能电池的研究制造方面提供良好的条件和环境，且目前已具备实验和生产条件。可能存在的问题是， 现在公司的测试手段和仪器并不十分先进， 最终制备出的太阳能电池的测试，需要到其他公司、院校或专业测试机构进行相关性能测试。3 3. 年度研究计划及预期研究成果年度计划起始时间 完 成 内 容2008.11-2009.2 国内外文献、书籍、信息的搜集和基础理论的学习。2009.3-2009.5 研究资料，针对课题确定合适的结构及工艺。2009.6-2009.9 通过实验选择并验证可实施性的方案。2009.10-2009.12 优化各类实验和各道工艺，得到较优的最终方案。2010.1-2010.4 完成论文的撰写。学位论文特色或创新目前，以硅片为载体的光伏电池制造技术，其理论极限效率为 29％。近年来由于一系列新技术的突破，硅太阳能电池转换效率产业化水平单晶 16%～ 17％、多晶 14%～ 16％， 其中高效的太阳能电池大多采用了选择性发射极的结构和工艺。按目前的晶体硅电池效率路线图与电池技术，提升效率的难度已经非常大，而且现有的选择性发射极太阳能电池结构和相应工艺复杂，成本较高，并不十分适合产业化生产。本论文通过研究，将采用选择性发射极的结构，通过工艺的优化和完善，实现适合于产业化生产的高效率、低成本的晶体硅太阳能电池。本研究的成功，将推动高效低成本太阳能电池产业化向前发展到一个新的更高的台阶。最终成果形式1、高效低成本选择性发射极太阳能电池成品；2、在中文核心期刊发表 1-2 篇论文；3、 毕业论文。4 四、开题报告审查意见1. 导师对学位论文选题和论文计划可行性意见，是否同意开题 ：签名： 年 月 日2. 评审专家意见开 题报告会时间： 年 月 日 地点：评审专家（至少 3 位） ：评审专家组对学位论文的选题 、 方案实施的可行性， 是否通过开题报告的具体意见和建议：组长签名： 年 月 日3. 学院意见 ：负责人签名： 年 月 日5