（光学工程专业论文）铝背场钝化工艺的研究.pdf

上海交通大学工学硕士学位论文 铝背场钝化工艺的研究 i 铝背场钝化工艺的研究铝背场钝化工艺的研究 摘摘 要要 据国际能源机构预测，全世界煤炭只能用 220 年，石油开采峰值 位于 2012 年，并将在 3060 年后消耗尽。而太阳辐射能预计在 100 亿年里可保持近似恒定的辐射输出，据预测，2050 年太阳能将在整 个能源结构中占据 20%的比例，而到 2100 年这个比例将达到 70%。 显然，人类能源结构将在本世纪发生根本的改变，太阳能将成为最重 要的能源。 为了降低太阳能电池成本，硅片的厚度逐渐减薄。而当少数在流 子的扩散长度大于硅片厚度时， 电池片上下表面的复合速率对效率的 影响显得更加重要。改善表面钝化的质量、降低表面复合速率已经成 为提高电池效率的主要手段之一。 铝背场能够有效降低电池背表面复 合速率，提高转换效率，是商品化晶体硅太阳电池普遍采用的主要背 表面钝化结构。 针对这一点， 本文主要对铝背场钝化质量进行了研究。 本文的主要工作和创新之处在于： 第一：根据表面复合速率与硅材料有效少子寿命的关系，依据理 论公式， 通过 wt2000 对有效少子寿命的测量， 计算了表面复合速率， 进而研究铝背场的钝化效果。 在实验中， 我们独立设计了一特殊结构， 即在硅片的上下表面分别制备铝背场，用于计算表面复合速率。并将 实验结果与传统的 iqe 拟合法作比较，得到理论值与实验值在长波 上海交通大学工学硕士学位论文 铝背场钝化工艺的研究 ii 段匹配良好，验证了本论文提出的计算表面复合速率的方法的可靠 性。 第二：在本实验过程中，还做了一些其他的辅助实验工作，以确 保最终结果的正确。例如：首先进行了少子寿命仪 wt2000 的测试稳 定性实验， 得到其测试误差小于 2； 接着做了浆料和烧结条件实验， 通过对比有效少子寿命以及电池的电学特性，得出使用浆料 b 在烧 结峰值温度为 865时，测量的有效少子寿命值最大，说明铝背场的 钝化效果最好。 本文提出的计算表面复合速率的方法相对于传统的 iqe 拟合法 来说，简单可行，且针对性强，具有一定的优势，且可同 iqe 拟合 分析方法联合使用、互为补充。 关键词关键词：表面钝化，有效少子寿命，铝背场，表面复合速率，iqe 上海交通大学工学硕士学位论文 铝背场钝化工艺的研究 iii the investagation of al-bsf passivation quality abstract in the forecast of international energy framework, coal all over the world will be exhausted in 220 year and oil will be exhausted in 3060 year with the exploitation peak in 2012. solar energy is invariable in 10 billion years. according to the forecast, solar energy will take a 20% share in the whole energy consumption in 2050 and increase to 70% share in 2100. apparently, the energy framework will be changed at all in this century and solar energy will become the primary source of energy. in order to increase the cost-effective, there is a strong trend to reduce the wafer thickness. so the back surface recombination velocity b s begins to strongly influence solar cell performance when the ratio of minority carrier diffusion length to device thickness approached or exceeds unity. to improve the surface passivation quality and decrease b s have become more important. the screen-printed al-back surface field (al-bsf) is widely used now to reduce the back surface recombination velocity ( b s) and improve the efficiency of silicon solar cells. this paper is to investigate the al-bsf passivation quality. primary work and innovations of this thesis include: 上海交通大学工学硕士学位论文 铝背场钝化工艺的研究 iv 1. according to the relationship between b s and the effective lifetime e , we calculated the b s by e which was measured by wt2000. the lower of b s, the better of al-bsf. for the calculating, we designed a special structure to investigate al-bsf passivation quality. it was to prepare al-bsf on both front and back surface, respectively. we also compared our result with the result of iqe measurement. both the two results were match quite well in lone-wave length, which validates the feasibility of the new method. 2. we also did some other experiments as assistance. for example: we investigated the stability of wt2000 with error 2. and, we tried different al pastes and firing conditions. the result was that b paste could get the best efficiency at a peak firing temperature of 865, it indicated the best electronic performance and best passivation qulity of bsf. the method we introduced to calculate the surface recombination velocity is more direct and efficitive, comparing with iqe. and it can be used together with iqe method, as a reference each other. key words: the surface passivation, the effective minority carry lifetime, al-bsf, the surface recombination velocity, iqe 上海交通大学工学硕士学位论文 铝背场钝化工艺的研究 ii 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 上海交通大学工学硕士学位论文 铝背场钝化工艺的研究 iii 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 上海交通大学工学硕士学位论文 铝背场钝化工艺的研究 - 1 - 第一章第一章 背景背景 1.1 常规能源的危机常规能源的危机 新能源的出现新能源的出现 据国际能源机构预测，全世界煤炭只能用 220 年，而石油大规模开采和利用的峰值位 于 2012 年，并将在 3060 年后消耗尽。图 1-1 是（预测）未来能源供应结构图，据这份预 测，到 2050 年太阳能将在人类整个能源供应结构中占据 20%的比例，而到 2100 年这个比 例将达到 70%。显然，人类赖以生存和发展的能源供应结构将在本世纪发生根本的改变， 太阳能将成为最重要的能源。我国是一个能耗大国，因此，及早研究我国未来能源的供应， 准确把准方向，调整能源供应结构已经是非常紧迫的任务。 图 1-1 能源结构和发展供应图1 fig.1-1 forecast of the development of energy supply components 同有限的化石燃料能源相比，太阳辐射能预计在 100 亿年里可保持近似恒定的辐射输 出，堪称无限的能源。太阳光辐射经过日地平均距离 1.5 108km 传到地球大气层外的辐射强 度为 1.376kw/m2（称为大气质量为零时的太阳辐射，简称：am0） ；阳光垂直入射到地表， 经空气、水汽吸收和微尘散射后，衰减大约 30%，辐射强度为 1kw/m2（称为大气质量为一 上海交通大学工学硕士学位论文 铝背场钝化工艺的研究 - 2 - 时的太阳辐射，am1） ；再考虑斜入射到地表的情况，即入射距离为 1.5 倍大气层厚度的情 况，辐射强度为 0.87kw/m2（称为大气质量为 1.5 时的太阳辐射 am1.5） 。 光子能量完全可以转换成各种人类所需要的能源， 其中， 光能转换为电能是最为重要的 一种转化过程。 这是因为电能是一种高级的能源形式， 电能可以方便地转换成热能， 动力能， 化学能等各种形式的能源，从而满足人类生活、生产的不同需要。从本质上来上，地球上除 核能之外的所有能源均来自太阳能，因此，直接将太阳光转为电能是最直接，对环境影响最 小的利用方式，同时也是自然界中最丰富的电能来源。 为摆脱能源危机这一困境， 西方发达国家率先开始了开发新能源的研究。 历经多年发展， 光伏发电技术以其无可比拟的先天优势，越来越受到全世界的重视。以 1997 年美国总统克 林顿的“百万太阳能光伏屋顶计划”为标志，日本，还有欧洲的德国、丹麦、意大利、英国、 西班牙等国也纷纷开始制订本国的可再生能源法案，极大地刺激了光伏产业的发展。而在 2004 年，德国完成了对本国可再生能源法的修订，新的补贴法案促成了德国光伏市场随后 的爆发，德国迅速成为全球最大的光伏市场，占据了 50%以上的市场份额。紧随德国之后， 西方发达国家之间也掀起了新一轮的光伏发展热潮， 全球光伏产业的飞速膨胀， 已连续数年 增长率超过 40%，成为全球发展速度最快的产业之一。而多晶硅，作为现阶段太阳电池的 主要原材料，其需求量也随之水涨船高，到了供不应求的程度。 进入 21 世纪，人类越来越深刻的认识到：化石燃料终将枯竭，寻找新的能源势在必行。 在各种已知的新能源中，太阳能光伏发电由于其先天优势，引起了全世界的注视，并在全球 掀起了一股应用光伏发电系统的热潮。光伏产业的前景无限美好。 1.2 全球光伏市场的全球光伏市场的蓬勃发展蓬勃发展 从1990年到2000年期间全球光伏组件的年销售量以平均20的速度增长， 特别是1999 年以来，年平均增长速度上升到 40，自 2004 年以来，世界光伏电池产量已连续 3 年增长 率超过 40%，光伏产业已成为全球发展最快的产业之一。图 1-2 反映了全球太阳电池产量增 长及预测情况，图 1-3 是 2006 年全球 10 大电池厂商的产量。 上海交通大学工学硕士学位论文 铝背场钝化工艺的研究 - 3 - 图 1-2 1999-2010 年全球太阳电池产量发展及预测（mw）2 fig.1-2 statistics and forecast, the annual output of solar cells, 1999-2010 图 1-3 2006 年全球 10 大电池厂商产量统计（mw）3 fig.1-3 the top ten solar cell manufactures of the world, 2006 1.3 中中国国光伏产业的发展光伏产业的发展 目前，我国的能源结构是以煤、石油、天然气为主的供给结构，火力发电在我国的电网 结构中占据超过 70%的比例。然而，能耗高、污染严重的火力发电已经很难满足快速发展 上海交通大学工学硕士学位论文 铝背场钝化工艺的研究 - 4 - 的经济对能源和环保的要求， 调整我国的能源供求结构势在必行。 可再生能源由于其可持续 发展的特点，日益受到国家领导人的重视，2006 年 1 月 1 日起，我国正式开始实施可再 生能源法 ，该法案的实施标志着我国可再生能源地位的确认，也预示着我国将开始调整能 源结构。表 1-1 给出了我国可再生能源发电发展规划和预测。 表 1-1 中国可再生能源发电发展规划和预测4 table 1-1 development plan(up to 2020)and forecasts (up to 2050) for renewable energy generation in china 规划年份规划年份 2004 2010 2020 2030 2050 小水电小水电 装机/万 kw 3 400 5 000 7 500 10 000 20 000 年发电量/亿 kw.h 1 000 1 545 2 300 3 200 6 400 风 力 发风 力 发 电电 装机/万 kw 76 500 3 000 10 000 40 000 年发电量/亿 kw.h 11.4 105 690 2 300 9 200 生 物 质生 物 质 能能 装机/万 kw 200 550 2 000 5 000 10 000 年发电量/亿 kw.h 51.8 212 835 2 250 5 000 光 伏 发光 伏 发 电电 装机/万 kw 6.5 30 180 1 000 10 000 年发电量/亿 kw.h 0.78 4.2 21.6 140 1 500 可再生能源比例可再生能源比例 6.5(3) 10(4.2) 16(8) 20(14.6) 30(22.5) 注：按照 1kw.h=350g 标准煤折算，括号内不包括大水电 在国际市场特别是德国市场需求的刺激下，中国光伏企业的增长异常迅猛。根据图 1-4 的统计， 2006 年中国的光伏电池产量达到 450mw， 比 2005 年的 150mw， 增长率高达 200%， 仅无锡尚德一家，产量就高达 160mw，超过去年全国的产量，高居全球第四大光伏电池生 产企业。如图 1-5 所示，目前，中国已经是全球第三大光伏电池生产国，中国的光伏产业正 在以前所未有的速度向前发展。 上海交通大学工学硕士学位论文 铝背场钝化工艺的研究 - 5 - 图 1-4 中国光伏产量的历年变化（mw）5 fig.1-4 annual output of solar cells in china (1990-2006) 图 1-5 2006 年太阳电池生产份额 fig. 1-5 solar cell production percentages over the world in year 2006 上海交通大学工学硕士学位论文 铝背场钝化工艺的研究 - 6 - 第二章第二章 太阳电池的结构和工作原理太阳电池的结构和工作原理 2.1 太阳电池的太阳电池的基本基本结构和工作原理结构和工作原理 一般说来，凡是能将太阳光能转换为电能，并有电压，电流输出的装置，就可以定义为 太阳电池，其结构如图 2-1 所示。太阳能电池的工作原理是：能量大于半导体禁带宽度的光 子被半导体吸收后，可以产生光生载流子，当所产生的光生电子空穴对由半导体 pn 结所 形成的内建电场分开到两极时，在电池的两极分别堆积正负电荷，形成电池的端电压，当接 有外电路时便有电流产生。pn 结的正面有减反射膜和金属负电极，背面有金属正电极。这 种现象物理上称为光生伏打效应（photovaltic effect） ，简称为“光伏效应”1。 光子与半导体的相互作用，产生的光生载流子的多少，光生载流子的迁移率的大小，光 生载流子的复合状况，均与材料的性质和光伏电池的结构有密切的关系。 上电极 减反射膜 pn结 基体 下电极 光生空穴光生电子 小 灯 泡 - 图 2-1 太阳电池结构和工作原理图 fig.2-1 the structure and principle of solar cells 当太阳电池的正负电极间接有负载时， 就有直流电输出。 太阳电池光电特性可采用等效 上海交通大学工学硕士学位论文 铝背场钝化工艺的研究 - 7 - 电路来表示，如图 2-2 所示。 图 2-2 太阳电池的等效电路 a.开路；b.短路；c.有负载时的太阳电池 fig. 2-2 the equivalent circuit of solar cell a.open circuit; b.short circuit; c. solar cell with load 其中 l i (a)光生电流， d i (a)二极管电流，s r 串联电阻，sh r 分流电阻， 对于具有 pn 结结构的太阳电池，其 iv 伏安特性可表示如下： () 0exp( ) 1 ss sh q virvir ldlaktr iiiii (2.1) 式中， 0 i (a)反向饱和电流，a 为二极管因子， q 电子电荷，k 玻尔兹曼常数， t k太 阳电池 pn 结温度。 (1) 无光照条件下： 太阳电池就是一个二极管，它既不产生电压，也不产生电流。如果与外部电源相 联接，其电流电压相关性由二极管肖克莱方程表示： 1) akt rsi)q(v exp( i i 0d (2.2) (2) 有光照的条件下： 有光照的条件下，有电压和电流输出，就像干电池或蓄电池那样。如果 n 个单电 池串联，其电压值为单电池电压值的 n 倍，如果 m 个单电池并联，其电流值为单电池 电流值的 m 倍。 上海交通大学工学硕士学位论文 铝背场钝化工艺的研究 - 8 - 当负载为零时，太阳电池处于短路状态，则：v = 0, 电池的短路电流值 sc i 为： 0 exp1 s scs sc sh qr ir i sclaktr iii (2.3) 在普通光照条件下，串联电阻s r 很小，于是 lsc ii (2.4) 当负载为无穷大时，太阳电池处于开路状态，则：i=0，电池的开路电压 oc v为： )ln( 0 0 i ii q akt v l oc (2.5) 当负载从零变到无穷大时，即可得到电池的负载特性曲线，如图 2-3 所示： 图 2-3 太阳电池的负载特性曲线 fig.2-3 i-v curve of solar cells 调节负载电阻使之达到某一值时，在曲线上得到一点 m，对应的工作电流 m i和工作电 压 m v的乘积最大，则最大输出功率 mmm vip ，m 点称为该太阳电池的最佳工作点， m i为 最佳工作电流， m v为最佳工作电压。最大输出功率与() ocsc vi之比称为填充因子(ff)，这 是用以衡量太阳电池输出特性的重要指标之一。对晶体硅太阳电池而言，其典型值在 0.7 0.85 之间。 mm m oc scoc sc pv i v iv i ff (2.6) 光电转换效率 为在太阳电池单位面积上输出电功率和入射光功率之比 上海交通大学工学硕士学位论文 铝背场钝化工艺的研究 - 9 - in scoc in mm in m sp iv sp iv sp p ff (2.7) 式中，s 为太阳电池的总面积， in p为单位面积入射光功率。 由于用来制造太阳电池的材料特性所致，温度变化对于太阳电池的性能有一定的影响， 晶体硅太阳电池的温度性能关系如图 2-4 所示： 图 2-4 温度变化对硅太阳电池性能的影响 fig.2-4 temperature effect of solar cells 地面用太阳电池的标准称功率是在 am1.5光谱条件，辐射强度为 100mw/cm2, 25的标 准测试条件下的太阳电池的最大功率输出值，这一条件和电池的实际工作条件有较大的差 异。电池实际工作时的温度可能远高于或低于 25，太阳电池的短路电流随着工作温度的 升高而略有增加， 开路电压随着工作温度的升高而降低， 电池的输出功率随温度升高而下降。 对于晶体硅太阳电池，其温度系数的参考数值为：电压温度系数：-3.2mv/；电流温度系 数：0.065ma/cm2；转换效率温度系数：6.7 10-3/。 在同一温度下， 太阳电池的短路电流与入射光强度变化成正比， 太阳电池的开路电压与 入射光强成对数关系2。 2.2 太阳电池分类太阳电池分类 迄今为止，人们已经研究了 100 多种不同材料、不同结构、不同用途和不同型式的太阳 电池。常见的有结构分类法、材料分类法和用途分类法等，其中按基体材料分类的方法最为 上海交通大学工学硕士学位论文 铝背场钝化工艺的研究 - 10 - 常见。太阳电池与光伏组件按基体材料分类如图 2-5 所示2： 单晶硅太阳电池 多晶硅太阳电池 带状硅太阳电池 晶体硅太阳电池 硒光电池 硫化镉太阳电池 硒铟铜太阳电池 碲化镉太阳电池 砷化镓太阳电池 化合物太阳电池 染料敏化太阳电池 有机薄膜太阳电池 按基体材料分类 图 2-5 太阳电池按基体材料分类 fig.2-5 the class of solar cell base on material 表 2-1，表 2-2 列出了世界各种太阳电池效率的最高水平及我国各种太阳电池实验室研 究的最高效率。 从表中的数据可以可知， 我国在太阳电池效率方面与国外相比还有很大的差 距。提高我国太阳电池技术水平任重而道远。 上海交通大学工学硕士学位论文 铝背场钝化工艺的研究 - 11 - 表 2-1 世界各种太阳电池效率的最高水平(stc:am1.5,1000w/m2,25）4 table 2-1 world record of different types solar cells efficiency 电池种类 转换效率（） 研制单位 备注备注 单晶硅电池 24.7 0.5 澳大利亚新南威尔士大学 4cm2面积 背接触聚光 单晶硅电池 26.8 0.8 美国 sunpower 公司 96 倍聚光 gaas 多结电池 40.7 1.7 spectrolab 聚光电池 多晶硅太阳电池 20.3 0.5 德国弗朗霍夫研究所 1.002cm2面积 ingap/gaas 30.28 1.2 日本能源公司 4cm2面积 非晶硅太阳电池 14.5(初始) 0.7 12.8(稳定) 0.7 美国 ussc 公司 0.27cm2面积 含镓的硒铟铜电池 19.5 0.6 美国国家 可再生能源实验室 0.410cm2面积 碲化镉电池 16.5 0.5 美国国家 可再生能源实验室 1.032 cm2面积 多晶硅薄膜电池 16.6 0.4 德国斯图加特大学 4.017cm2面积 纳米硅太阳电池 10.1 0.2 日本钟渊公司 2 微米厚膜 二氧化钛纳米电池 11.0 0.5 epfl 0.25 cm2面积 表 2-2 我国各种太阳电池实验室研究的最高效率（stc:am1.5,1000w/m2,25）3 上海交通大学工学硕士学位论文 铝背场钝化工艺的研究 - 12 - table 2-2 chinese record of different types solar cells efficiency 太阳电池类型 最高效率（） 面积(cm2) 研究单位 单晶硅电池 20.4 18 2 2 12.5 12.5 天津电源研究所 无锡尚德 多晶硅太阳电池 16.5 12.5 12.5 无锡尚德 gaas 多结电池 29.25 1 1 天津电源研究所 硒铟铜电池 14.3 0.87 南开大学 碲化镉电池 13.38 0.502 四川大学 燃料敏化电池 7.4 10.2 中科院等离子所 非晶硅电池 9.1 20 20 南开大学 非晶硅/微晶硅 11.8 10 10 南开大学 hit 电池 17.27 1.2 中科院物理所 纳米硅薄膜电池 8.87 1.0 上海交通大学 2.3 商品化商品化太阳电池现状及发展预测太阳电池现状及发展预测 目前，已经商品化大规模生产的太阳电池主要是晶体硅电池和各种薄膜电池。 图 2-6 为 1999-2006 年全球各种商品化太阳电池产量的比例，从该图可以清晰地看出： 1. 自 1999 年开始，晶体硅太阳电池（包括单晶硅、多晶硅、片硅、带硅等太阳电池） 始终是商品化太阳电池的主流产品。占据着超过 90%以上的市场份额； 2. 多晶硅太阳电池自 1999 年以来一直是晶体硅太阳电池的主流产品，但近年来单晶 硅的份额有所回升，我们认为这主要是由于中国厂商大量生产单晶硅太阳电池导致的。 3. 带硅及片状硅太阳电池可以节省硅材料的切片损失，但由于其生长技术未取得突 破，因而其产量增长不大，到 2006 年仅占全球总产量的 2.6%； 上海交通大学工学硕士学位论文 铝背场钝化工艺的研究 - 13 - 4. 各种薄膜太阳电池（包括非晶硅、碲化镉、硒铟铜等太阳电池）所占的比例近几年 一直在 6%左右徘徊。 图 2-6 1999-2006 年全球商品化太阳电池产量比例3 fig.2-6 solar cell type percentage from 1999 to 2006 针对光伏产业目前的市场状况，我们对未来一段时间内光伏电池的发展趋势作了预测。 电池技术发展预测： ： (1) 经过数年的发展，晶体硅电池的生产工艺趋向稳定，已经成功占据光伏电池的绝对 主导地位，在未来的 10-15 年内，仍将是无可挑战的主流产品。 (2) 带硅的概念虽然确实可以节约一定的硅材料，但由于存在一些难以解决的技术障碍 （生产率低、效率低、表面粗糙，需特殊工艺处理等）未能抓住硅材料短缺的机遇成为市场 主流，一旦材料短缺得到缓解，带硅的前景将更加黯淡。 (3) 多晶硅片相比于单晶硅片具有生产成本低，产率高，适合大规模生产等优点，一直 被认为是晶体硅的主要发展方向。然而，在硅材料价格飞涨的情况下，多晶硅片的生产成本 优势被极大地削弱了。另一方面，6 寸单晶炉已经完全国产化，技术成熟，设备价格低廉， 而多晶铸锭炉目前还主要依赖进口， 在这种情况下， 国内生产的单晶硅片价格已与多晶硅片 不相上下，加之单晶更容易获得高效率（一般会高出多晶 1 个百分点（绝对值）以上） ，国 内厂商大量生产单晶硅电池，造成了单晶硅的市场份额在近年持续回升。 上海交通大学工学硕士学位论文 铝背场钝化工艺的研究 - 14 - (4) 薄膜电池技术相比于晶体硅电池，有着自己独特的优势，然而，薄膜电池的生产技 术尚不成熟，产品转换效率低、稳定性也略逊于晶体硅电池。因为，在今后一段时间内，薄 膜电池仍将作为晶体硅电池的补充出现在市场上；但随着薄膜电池技术的不断改进和发展， 从长期来看，薄膜电池有望取代晶体硅电池成为主流。 综上所述， 晶体硅电池在未来相当长的一段时间仍然是市场的主流产品， 而晶体硅电池 的发展方向可以概括为：“大片、薄片、高效”，显然，持续研究如何提高晶体硅太阳电池的 效率仍然具有非常重大的意义。 晶体硅太阳电池生产技术与工艺发展预测： (1) 规模化生产：为降低成本，产能将持续扩大，gw 级生产规模即将出现。大规模生 产是降低成本，提高生产效率的有效途径，随着光伏产业的持续增长，提高生产规模成了众 多光伏企业的不二之选； (2) 大片、薄片、高效 大片、薄片：目前电池主流产品为 156*156*220（200） ，少数工艺领先的企业已经 实现了 180um 厚硅片的大规模生产，一两年内，180um 厚度必然将成为主流，而 210*210 的超大硅片和 160um 甚至更薄的硅片生产工艺也会同步开发。硅片减薄将有效降低原料和 生产成本，提高产率，但同时也面临着巨大的挑战，主要是碎片率，以及在大面积硅片上实 现均匀加工的技术；而厚度减薄也对电池的表面钝化工艺提出了更高的要求。 高效：目前各个厂家提高效率的主流思路可以概括为“浅结、密栅”，即大幅度提高 扩散后的方块电阻（从 40 欧姆提升到 80-120）以减少死层，提高上表面钝化工艺水平以获 得极高的短波响应，同时，增加栅极数量，降低由于方块电阻提高引起的串联电阻升高，维 持 ff 水平。为此可能采用的特殊工艺包括：喷涂源链式扩散、选择性发射极（即在电极印 刷处提高扩散浓度，以保证电极的欧姆接触，也可以通过选用含磷的银浆实现） 。另外，背 场和绒面也将进一步改进。 硼背场有望取代铝背场， 由于硼的扩散浓度可以比铝高一个数量 级，可以增强背场强度，提高钝化水平；绒面结构改进，获取更低的反射率（如用于多晶的 rie 绒面技术） 。 上海交通大学工学硕士学位论文 铝背场钝化工艺的研究 - 15 - 第第三三章章 铝背场及钝化的研究铝背场及钝化的研究 为了降低太阳能电池成本， 硅片的厚度逐渐减薄。 而当少数载流子的扩散长度大于硅片 厚度时，电池片上下表面的复合速率对效率的影响就显得更加重要。改善表面钝化的质量、 降低表面复合速率已经成为提高电池效率的主要手段之一。 铝背场能够有效降低电池背表面 复合速率，提高转换效率，是商品化晶体硅太阳电池普遍采用的主要背表面钝化结构1。 3.1 硅片厚度对电池的影响硅片厚度对电池的影响 3.1.1 体复合和表面复合体复合和表面复合 少数载流子的复合，根据复合位置不同，可以分为体复合和表面复合。针对太阳电池生 产用硅片的生产工艺特点（铸锭和线切割工艺） ，太阳电池生产用硅片的体复合主要由铸锭 工艺决定，一般处于很低的水平，以满足太阳电池生产对少子寿命的要求；而表面复合主要 是机械切割过程造成的硅片表面存在一定厚度的损伤层， 因而表面复合速率非常高， 即太阳 电池生产用硅片的表面可以被视作一个巨大的复合中心。为了提高太阳电池收集少子的效 率，进一步提高其光电转换效率，采取某些必要的工艺，大幅度降低表面复合速率是非常重 要的，这样的工艺在太阳电池生产中称为表面钝化，而铝背场就是背表面钝化的核心工艺。 表面复合对硅片少子寿命的影响取决于两个主要因素， 一是表面复合速率， 二是硅片的 厚度。其中，厚度因素影响少子寿命的机理是：硅片越薄，在硅片体内产生的少数载流子通 过热运动达到硅片表面的几率就越高，而表面复合只有在少数载流子运动到表面后才会发 生，所以，硅片越薄，表面复合对少数载流子寿命的影响越大，相应的，厚度越薄，电池生 产时对表面钝化工艺的要求就越高。 3.1.2 硅片厚度对短路电流的影响硅片厚度对短路电流的影响 当硅片厚度减薄时，意味着光（特别是长波光）在硅片中运动的距离缩短，如我们定义 光在硅片中的运动距离为光程， 即硅片厚度降低意味着光程缩短， 相应的造成有更多的光子 未能被硅片吸收转化为光生电子-空穴对， 而是从硅片中逸出。 直接结果是短路电流密度 sc j 随着电池的减薄而降低。然而，在现代晶体硅太阳电池工艺中，各种陷光结构得到了广泛的 上海交通大学工学硕士学位论文 铝背场钝化工艺的研究 - 16 - 应用， 陷光结构的作用是通过多次折射或反射令光束在硅片体内经过尽可能长的距离， 提高 “有效光程”。应此，如何在硅片厚度减薄的同时不损失或者尽可能少损失“有效光程”，对陷 光结构及工艺提出了更高的要求2。 3.1.3 硅片厚度对开路电压硅片厚度对开路电压 oc v的影响的影响 计算开路电压 oc v的理论公式如（3.1）式所示3： 0 1 l oc jkt v qj （3.1） 其中t是温度， l j是光生电流（在理想情况下 l j= sc j） ， 0 j是暗电流。 2 0 i effa qdn j l n （3.2） 其中 a n是基体掺杂浓度， i n是本证载流子浓度，d是扩散系数， eff l是有效扩散长度。 tanh tanh rearb b effb rearb b w dsl l ll w dsl l （3.3） 其中 b l是扩散长度，w是硅片厚度， rear s是背表面复合速率。 在 （3.1） ，（3.2） ，（3.3） 中， 只有公式 （3.3)与硅片厚度w有关。 当tanh1 b b w wl l 或者是 rear b d s l 时， effb ll，开路电压 oc v将与硅片厚度w无关。 上海交通大学工学硕士学位论文 铝背场钝化工艺的研究 - 17 - 图 3-1 开路电压理论计算值与硅片厚度的关系 fig.3-1 the relationship between open circuit and wafer thickness 由图 3-1 可知， 当 rear s b d l 时，开路电压 oc v随着硅片厚度的减薄而降低。由此我们可以知道，当电池铝背场具有很好 的钝化效果时，随着硅片厚度的减薄，开路电压不会降低反而会有所提高，效率也不会随 厚度的减薄而降低。所以，做好背表面钝化尤其重要2 3。 对于晶体硅太阳电池而言，晶体硅吸收层厚仅需 25 m 左右，就足以吸收大部分的太阳 光，而其余厚度的硅材料主要起支撑电池的作用。这部分的材料的厚度如果太薄，很显然在 硅片加工和太阳电池制备过程中，硅片容易破碎，造成成本的增加4。这主要是因为硅和铝 的热膨胀系数不同，在烧结过程中硅片易弯曲。对于翘曲问题，也提出了一些解决方案。一 是可以通过降低铝浆的印刷质量；二是优化浆料的成分5 6；三是采用局部铝背场，通过减 少铝与硅的接触面积来降低硅片的翘曲度，其实也是减少铝浆的印刷质量7。但是随着铝浆 印刷质量的降低，电池的电学特性也随之有所降低。所以，在硅片减薄降低成本的前提下， 如何能不影响电池效率以及产量，甚至进一步提高效率，已经成为研究的重点。 上海交通大学工学硕士学位论文 铝背场钝化工艺的研究 - 18 - 3.2 改善电池性能的工艺研究改善电池性能的工艺研究 3.2.1 表面钝化工艺原理表面钝化工艺原理 表面钝化就是降低半导体的表面活性， 使表面的复合速率降低， 其主要的方式是饱和半 导体表面处的悬挂键，降低表面活性，增加表面的清洁程序，避免由于杂质在表面层的引入 而形成复合中心， 以此来降低少数载流子的表面复合速率。 适用于太阳电池表面钝化的措施 一般有以下四个方面8： （1） 表面悬挂键饱和钝化 表面悬挂键饱和钝化的机理是采用氧化、氢化等方法饱和硅表面的悬挂键，减少表面 少子复合中心，从而实现表面钝化。 （2） 发射结钝化 发射结钝化的机理是在硅片表面进行杂质高浓度掺杂， 在很薄的表面层内， 因杂质浓度 梯度形成指向硅片内部的漂移电场， 使少数载流子很难到达表面， 从而达到钝化表面的效果。 高掺杂一般采用扩散的方法或离子注入的方法。 （3） 发射结氧化钝化 该钝化方法是在重掺杂表面再生长一层钝化膜， 使到达表面的少数载流子的复合进一步 减小。 （4）场钝化 场钝化是在表面形成一高低结，使少数载流子很难到达表面，组织少子在表面复合。铝 背场就属于场钝化。 3.2.2 吸杂吸杂 提高有效少子寿命的另一种方法就是吸杂。吸杂可分为外吸杂和内吸杂,内吸杂是利用 硅中氧沉积所产生的缺陷作为“陷阱”,以此捕获硅体内的杂质,从而在表面形成一层“洁净” 区域用于制备器件,一般用于 ic( integrated circuit) 行业。外吸杂是采用外部吸收的方式,使 金属杂质从活跃区域移动到不产生负面效果的区域,一般是采用磷、铝的单独吸杂或两者的 共同吸杂。磷吸杂比铝吸杂快,但铝吸杂的吸杂能力和稳定性高于磷吸杂。太阳电池作为体 器件,其吸杂只能使用外吸杂。 上海交通大学工学硕士学位论文 铝背场钝化工艺的研究 - 19 - 一般来讲,吸杂应分三步将有害杂质从硅中活跃区域带入缺陷密集区域或杂质溶解度较 大的区域,杂质必须经过以下过程: 从原始或非理想状态中释放在晶体中扩散被吸杂中心捕获 图3-2 吸杂过程 fig.3-2 the process of gettering 经过浓磷扩散吸杂、 铝吸杂以及磷铝联合吸杂,非平衡少数载流子提高程度不同,其原因 可以解释如下9: （1） 关于al吸杂,主要有两种机制可以解释,即分凝机制和沉积机制。杂质在al/ si合金 和硅之间分凝,而在合金中的固溶度高,所以虽然有很多氧及微缺陷参与沉淀的生成,但是被 al/si合金层有效吸除10 ,11 ,此即分凝机制。 沉积吸杂则是因为合金层中有大量缺陷,杂质与缺 陷结合能量更低,从而有效吸除硅中的重金属杂质。这样铝背场不仅起到表面钝化的作用， 降低了表面复合速率，还起到了体钝化的作用，提高了体寿命12 ,13 。 （2） 浓磷扩散吸杂主要是利用杂质原子与硅原子的结构差异,将其扩散到硅片背面引 起失配位错,因而形成应力吸杂中心。同时浓磷扩散层还可以提供其它吸杂方式:费米能级效 应和离子增加固溶度(分凝机制) 及硅自间隙原子的注入吸杂,因此浓磷扩散吸杂的效果较铝 吸杂优越。 （3） 磷铝联合吸杂结合了磷吸杂以及铝吸杂的优点,同时磷铝的互扩散还加强了对重 金属杂质的吸收作用,更有利于产生较深的发射结14 . 3.3 铝背场铝背场 随着生产技术的进步，晶体硅太阳电池的厚度不断减薄，从早期的 325m 到 270m， 再到 240-220m，而下一步的发展目标是 180-150 m。随着厚度的不断变薄，硅片少子体寿 命对电池效率的影响逐步降低，这主要是因为随着硅片厚度减薄，基区少子到达 pn 结所需 距离变短，这就意味着，即便材料的少子寿命较低，仍然有足够的扩散长度保证足够多的少 子被 pn 结收集。与之相对应的，电池片上下表面的复合速率对效率的影响逐步增长。改善 表面钝化的质量、 降低表面复合速率已经成为提高电池效率的主要手段之一。 目前工业上主 要采用铝背场进行表面钝化。 上海交通大学工学硕士学位论文 铝背场钝化工艺的研究 - 20 - 3.3.1 铝背场的制备和形成机理铝背场的制备和形成机理 铝背场（al-bsf）可以通过蒸镀、溅射和丝网印刷来完成。而丝网印刷由于其简便的 操作、低廉的成本，已经被广泛的应用于硅太阳电池的大规模生产中。其制备过程一般分成 四个步骤15： （1） 在硅的背表面丝网印刷铝浆 （2） 在高温条件下烧结 （3） 冷却并生长出一层富含铝的硅层（即 p+层，常称 bsf） （4） 最后在共晶温度（577）下凝固 铝浆中包含铝颗粒（直径为 1 到 10 微米） 、玻璃粉、有机粘合剂和溶剂。根据铝-硅二 相图 3-3 分析：