多晶硅薄膜太阳能电池的衬底材料和制备工艺.doc

多晶硅薄膜太阳能电池的衬底材料和制备工艺.txt明骚易躲，暗贱难防。佛祖曰：你俩就是大傻B！当白天又一次把黑夜按翻在床上的时候，太阳就出生了 本文由materialsyang贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第 3 4卷 20 0 5年 增刊 I 6月 稀 有 金属 材 料 与工 程 RARE ET LM A M A . TE ALS ND NGI RI A E NEE NG RI Vl4Spl o. , p. 3 u l Jn 0 5 2 0 u e 多晶硅薄膜太阳能 电池的衬底材料和制备工艺 张立明 ,李海峰2 ,黄 勇,张厚兴 ,万之坚 , 2 , 2 ,许 颖3 ,王文静 ( 1 .清华人学 材料科学与工程系, 北京 1 0 ) 08 04 (.清华大学 深圳研究生 院,广东 深圳 585) 2 107 (.北京 市太 阳能研究所,北京 108) 3 003 摘 要 :研究 了太阳能电池的发展历程,详细介绍了多晶硅薄膜 太阳能电池 的各种工 艺,阐述 了在实际研究过程中沉 积大晶粒多晶硅薄膜的技术路线和艺,并对多晶硅薄膜 太阳能电池 的研 究趋势做 了展望 _ 关键词:陶瓷衬底:多n硅薄膜 :太 阳能电池 i p 中图法分类号:T 141 G . 7 文献标识码:A 文章编号 :10-8X 20 )106-3 0215(058-440 1 引 言 须要大幅度地 降低成本 .薄膜太 阳能电池在降低成本 方面 比品体太 阳能电池具有 更大的优 势:一是实现薄 膜化后 ,可极大地节省 昂贵 的半导体材 料;一是薄膜 电池的材料制备和 电池 同时形成,因此节省了许多工 照射在地球上的太阳能非常 巨大 ,每 3 阳向 d 太 地球辐射 的能量 ,就相当 于地球所有矿物燃料能量 的 总和 ;大约 4 mi照射在地球上 的太阳能 , 0 n 便足 以供 全球 人类 l 能量的消费, a 是真 正取之 不尽, 用之不竭 的能源.太阳能电池可将太阳能直接转化成 电能供人 类使 用,是利用太阳能资源 的有效方式 ,在使用 中不 会产 生任 何有害物质 ,是一种 无污染的产 品.另外太 阳能电池 还具有系统运行可靠 ,长寿命 ,安装使用方 便 等优 点,所以,太 阳能 电池在解 决能源与环境 问题 方面倍 受青睐,是 尸种有着极好市场前景 的产 品,被 誉 为是理想 的能源 20 年 诺 贝尔革新奖获得者, 02 澳大利亚新 南威尔 十大学 的马 格林教授把人 阳能电池划分为 三代 : 一 第 一 代是传 统的晶体硅材料太阳能 电池 :第 一代是方兴 未艾 的薄膜太 阳能电池;第 三代则是处 于设想 中的新 型 高效太 阳能 电池 , 包括叠层 电池 , 热载流子电池等 到 1前为止晶体硅 ( 1 包括单 品硅及多 晶硅 )太阳 能 电池 始终占有太 阳能电池市场份额的 8%以 卜 其 5 , 优异 的特 性己为众 多成功的应用所证实 .常规 品体硅 序; 三是薄膜太阳 能电 池采用廉价衬底( 陶瓷, 不锈钢 等) 可 以获得 大面积 的电池组件 ,减少组件间串并联 , 带来的效率损耗 . 目前研 究比较深入 的薄膜太阳能电池主要有硅 基 太阳能 电池和铜锢锡 ,硫化福 等化 合物 半 导体薄膜电 池. 非晶硅薄膜太阳能 电池虽在成本上具有一定优势 , 但光衰退效应严 重制约 了其 发展空间,一些理论问题 也有待进一步探 索 而铜锢 锡.蹄 化锅 等化合物薄膜 电池,也因为锢 兀素含量稀少, 锅元 素有剧毒等 问题 , 影响其应用化进程 .所 以,效率稳 定,原材料丰富的 多晶硅薄膜太阳能 电池成为最有希望取得 成功的第二 代太阳能电池. 清华大学新 型陶 瓷与精细 工艺国家重 点实验 室在 国 内首次将 ZR ( M 区熔再结 品)方法应用 到陶瓷衬底 多晶硅薄膜太 阳能 电池 的土艺 中,可 以得 到厘米 量级 的晶粒,并且在一定 的技术 处理和工 艺条件 的配合 下 可 以得 到 比 较 一 致 的 晶粒 取 向 . 太阳能电 池组件中硅片的 成本约占 50-0 1 硅 5 6%1 0 , 片的来源主要有: 直拉单 晶硅 , 浇铸/ 向凝固多晶硅, 定 2 多晶硅 薄膜 电池衬 底和 沉积工艺 在太 阳能 电池 中,吸 收太 阳光 能量所 需的半 导体 膜的厚度是很薄的.对硅 来说,在太 阳光谱峰值 附近 50 -0 n 0 n 60 ,吸收系数值为 10 m数量级,从 m m处 0c / 原理 L讲几微米厚度 的硅膜 ,就可 以吸收绝大部分 的 电磁浇铸多品硅. 硅片厚度目 前常见的是20 -0 0 p 30 m p ,由 m 于目 前制片及封装工艺 的限 要进 一 低 制, 步降 硅 片的厚度已经比较困难1a 2 1 要使光伏 发 电真 正 成 为 能 源 休 系 的 组 成 部 分 ,必 2 0-0 1 04 1-4 北京市白然科学华金重点项 12201 1 1 ) (0 0 张 妇归,男,16 98年生,博士研究,清华人学材料利学与 I 程系, 北京 108 , la: 0 2787 004 T / x 0 - 731 eF 16 Emal Am0 剑mal. ig u.d .n - i: 1 i l n h a uc ss e 增刊 1 张立明等 :多晶硅薄膜太 阳能电池 的衬底材料和制各工艺 . 5. 46 能量 .因此人 们研 制了多晶硅 薄膜材 料, 以降低硅太 阳能电池 的成本 3 在廉 价 衬底 上 制各 的 多 晶硅 薄膜 太 阳 能 电 池 能 实 低温沉积多晶硅薄膜太阳能 电池 ,由于生 长温渡 低于 60C 0,可以采用玻璃 为衬底 ,利用 P C D ( EV 等 离子增强化学气相沉积 )法生长多晶硅薄膜 阎, 日本 K nk aea公 司 制造 的太 阳能 电池 的转 换 效 率 已达 到 1.% 但 山于生长温度低 ,必须辅以某 些晶化技术 , 0 7 薄膜沉积 的生长速度 也较低,太阳能 电池的厚度 在 2 验室效率 已达 1%, 8 远高 于非 晶硅薄膜 太阳能电池的 效率 .最新研究表 明,多 品硅薄膜太 阳能电池的光电 转换效率可接近晶体硅太阳能 电池 ,并且 具有光电性 能稳定的特点 .月前,多晶硅薄膜太 阳能电池研究和 产业化开发_作主要沿 以下几个途径 . 21 在廉价衬底上高温沉积 . 目前所采用的衬底主要有 :多晶硅衬底或 冶金硅 衬底,石墨包 S i c衬底,陶瓷衬底 ,石英衬底 ,玻璃 衬底 ,甚至有人使用不锈钢衬底 . 目 所获得的较 好 前 P -0 , m 1P 必须采取陷光措施 m 澳大利亚太平洋光伏公司在大面积钢化玻璃上 的 多晶硅 薄膜太 阳能电池的效率达到 8 %,已经进入 了 商业化最后阶段 . 23 层转移技术 . 在 晶硅衬底上生 长 硅薄膜并制作电池, 然后将 电池 剥离并附在低成本衬底上 , 从而实现 晶硅衬底 的反复使 用.最先使用的层转移技术 是 V S E T工艺, 其表面层是 热氧化加上再品化的硅 晶种层 . 了多孔硅分离技术 利用 的有 P I oos S ( r S)工艺,S S ite Pru S P u I P ( ne d os S r o O 结果主要 有: 本三菱公司在 S 2 日 i 衬底上制作的多晶 0 硅薄膜太阳能电池, 其效 率达 1. 德国 Fanoe 6 %; 5 r hf u r 研究所在石 墨和 s i c陶瓷材料衬 底 h 的薄膜 太阳能电 池,效率分别为 1%和 93 1 .%.值得注意 的是,在这 些较好结果的 获得过程, I 采用了Z R技术 , 大都 M 4 1 根据所选用 的衬底材料的不 同,高温沉积 的多 晶 硅 薄膜太 阳能电池 大致可分为 2 大类 ,即低 品质硅材 料 和非硅材料 以低品质硅为衬底的最大优势在于:衬底与多 晶 硅 薄膜具有相同的热膨胀系数 ,如果直接在4. i 衬底 卜 沉 积 ,多 晶硅 薄膜将 体现 良好 的外延 性能 .S ee . br R 等人 以颗粒硅带 (S ) SP 为衬底 , 采用 P C D, P V EV A C D 技术外延生长活性层 ,制各 的多晶砍薄膜太 阳能电池 的最高效率为 1. 1 %.中科 院广州太 阳能研究所采用 2 S艺和 ETA (pai Lyr ne) LR N ix l e T sr 工艺.以 Et a a rf a Sn 公司的多 oy 孔硅分离技术为代表,制作的4 c 多 m 晶 硅 薄 膜 太 阳 能 电池 的 最 好 转换 效 率 达 到 1 .% 25 3 多晶硅薄膜 晶粒长大技术 31 结晶初期控 制形核使 晶粒 长大 . 最终 的多晶硅 薄膜 的晶粒尺寸的大小与沉积初 期 衬底表面上 的晶核 密度密切相关,晶核密度越低所得 到的多 晶硅薄膜 的晶粒尺寸就越大.因此可 以通过控 制沉 积初 期的形 核过 程来控 制多 晶硅薄 膜的 组织 结 构 RC D技术直 TV 接在 SP衬底上外延生 长 S 得到转换效 率 为 60 %e 5 鉴于 卤基粒 子在 C D 沉积过程 中重要作用 ,也 V 有文献报道 H l C 气体 能够 抑制晶核的形成.因此在沉 积过程中 向反应室 中引入 一定量 的含 卤气体 ( C 或 H I H )来控制衬底表面 的晶核密度 ,可望获得大 晶粒 多 F 晶 硅 薄膜 非硅衬底 主要是指一些陶瓷材料 ,如氧化铝 ,莫 来石, i, S 氮化 (i 4, 2 这些材料因 c 硅 SN) S 等. 3 i 0 具 有优 良的力学性能,稳定的化学性质,优 良的耐高温 性能,且价格低廉而被大量研究 .氧化铝衬底 因其低 廉的价格和成熟的制备工艺而被广泛研究,CB acm . ua e e 等人利用热化 学气相沉积 ( em l D) t r aC h V 在氧化铝衬 底 上制备的多晶硅薄膜太阳能电池的最高转换效率为 5 %. . 5 J 氧化铝 衬底的一个缺点是:氧化铝 的热膨胀系数 约是硅的 2倍 ,因此这种不 匹配将不可避免地 导致多 晶硅薄膜内较人的应力 Sc 陶瓷与硅 的热膨胀匹配 i 性 良好,因此也被用作衬底材料 .Fanoe 1E 以 r hf S u r Si i c陶瓷为衬底, s 采用 R C D法得到 的太 阳能 电池 TV 的最高转换效率为 93 利用相似的工艺 , . %. 分别 以氮 化 硅 陶 瓷 , 莫 来 石 陶 瓷 及 石 墨 为 衬 底 ,得 到 的最 高 效 另一途径是直接在衬 底表面种 上一定密度的硅品 粒,这些硅晶粒作为气相外延生 长的籽晶.具体的做 法是 将粒度为1 -p 1- m的高 t 2 m 质量单晶硅粉做成悬浮 液,采用适 当的力法将悬 浮液铺 展于衬底上,高温下 使悬浮液蒸发而在衬底表 面形成具有一定密度 的硅粉 颗粒,这些颗粒便可 以作 为外延生长的籽晶 .只要调 整硅粉在悬浮液中 的浓度 ,便可以在衬底表面得到不 同的晶核密度 从而便可 以得到不同晶粒尺 寸的多 品 硅 薄膜 . 3 2 再结晶技术 . 无 论采 用低温还是高温沉积技术 ,所 获得 的多品 硅硅 薄膜 晶粒尺寸相对较小 ,晶界密度 大,薄膜 质量 不 高,通 常需要经过再结品技术来增大 晶粒尺 寸.再 率分别为:9 %, % 1. . 4 8 和 1% . 2 0 22 低温生长 . 4 6 . 6 稀 有金 属 材料 与 工 程 3 4卷 结晶技 术可以根据处理温度 的不同分为 低温再结晶技 术 高 再 技 . 温 技 要 括 相 和 温 结晶 术 低 1 结晶 术主 包 固 晶化 (P ) SC ,激光 诱导晶化和金属诱导 晶化等 , 主 最 要的高温再结晶技术 是区熔 再结晶技术 ( M o Z R) 区熔再结 晶技术 ( MR)是一种 非常有效的品粒 Z 增大技术 , 其工 艺较为成熟并被广泛采用 . MR后 的 Z 这种局面不会 改变 . 衬底材料 的选择 范围也很宽,最主要的衬底材料 包括低成本硅 ,玻璃及 陶瓷.至今还没有定论何种衬 底最佳 ,可 以预见在今后相 当长的一段时间内这 3种 衬底材料 的薄膜太阳能 电池将共存 . 参考文献 R f ecs ee ne r 晶粒尺寸 往往可以 达到 几个厘 米 6 1 4 多晶硅薄膜太阳能电池的研究趋势 效率低是 目前多晶硅薄膜太阳能 电池所 面临的 1 个主要问题 因此提高廉价衬底上多 晶硅薄膜 太阳能 电池 的效率将 是今后 一 个主要研发方向 . 实 际上 , 目前几乎所有的制各高效体硅太 阳能 电 池的 土 艺都用在 了薄膜太阳能电池的制备 卜 .山此看 来,多 晶硅薄膜太 阳能电池的效率的提高 卞要取决于 多晶硅薄膜 的质 量改进.因此,通过采取各种 工艺措 施在廉价衬底 卜 制备 大晶粒,高质量的多 晶硅薄膜将 依然是今后多晶硅薄膜太阳能 电池研发的核心课题. 多晶硅薄膜 的沉积技 术各种各样 ,至今还没有定 论哪种技术是最佳选择 .但也可 以看 出沉积技术 一 直 是沿着低温沉积和 高温沉积 2个方 向发展 .因这 2 条 技术路线各有利弊 ,所以在今后相当长 的一段时间 内 n i A 2d ol C ne ne P Slr e ) I V K t . W r ofr c o V a E r o ez n d e n o ng C nesoVen: S C 19: 9 nC. naWC E , 8 12 ovri i 9 8 emesr 2d ol C neec ad hbtn 2 B y s A n Wr r e . d ofrne E i i o n x io n P o vl i S a nr C vri Ven: E , ac l E e y nes nC . na WCSC ht ot o r g o o o i 1 9 9 8 Bl N 1 Er en t oa Sl Eey frc 3 ei 尹 upaPo vli o r r Cn e e . o d h o tc ng o en a Breo : S C 19 l aWC E , 7 C. c n a 9 lM Ban l EsnrSl Cl加 m iSlo 4Ne l E ru Aea. te o r l , l l , a es T n i n h ic Ly s. l MSpoo Tcnc Dgso h ne- r A2 . pr: hi l et t Itr ae O3 a e a i f e nto a VSE I, 9 P ain l C- 1 1 9 9 i m i S 2d r C n rne P Slr e y 5 She ee E n W l of ec o V a E r c r r . o d e n o ng C neso . n: S C 19: 3 nC inaWC E , 8 17 ovri Ve 9 6 L Hin 李海峰)Rr Mt M tis Eg e- 6 i fg( ae a el ea ad ie e a ar l n nn rg i( n 稀有金属材料与-程) 033(up 1 57 1 , , pl) 3 J20 2 S . : T e s ae ad e Peaa o f P lc s ln S i n h S bt ts T i rp rt n o r t l e c u r n h r i o r y y a i i o l Th n- l S a C el i Fim ol r l Za L i i e 2 u g iZa HunWn i u 3 a Wnn h g n , Hin , Y g , g xg, Zin Y gW n ei3 n i g L a g a o . h o i a h a , i , m f Hn n2 n 2 j X n g jg ( Sae y b N w a s FnPoes , ha v s , j g 04C ia f C r cad e csigTigu U i rt B in 108, n) L tK L o e e mi n i r t e a n s n n ei ei 0 y h (. da Sh oaSeze, g u U i ri Seze 5 85C ia n es , nhn 05, n) 2Gaut col hnhnTi ha v t h r e t s n y 1 h (. j g l Eeg Rsac Istt B in 10 8 C n , i ) 3B in S a nry er ntu , j g 03 h a ei o r e h i e ei 0 AbtatTe lin te aclwa smm re, vr u poess pl-i -l slr l e rdcd dtl src: eou o o h sl e h v t f o r l s ai dad os cs o o Sti fm aclw rit ue i e i u z n a i r e f y hn i o e e n o n a s Pl-ytle io fm l cla n a l