《太阳能电池基础与应用》无机硅太阳能电池+第一讲

1、Band Gaps in 凶Shockley极限： 单晶Si电池的理论极限约30%。为什么是Si ?Si材料：储量丰富（地球上储量第二多的元素），取 之不尽，用之不竭；无毒、稳定性好、力学性能好（易加工）；带隙112eV, Si电池具有较高的理论效率;通过简单的扩散工艺即可形成Pn结（p-n 结是太阳电池的核心）；研究最充分,人们对具认识最深入； Si微电子学的深厚积淀,晶体生长一器件 制备各技术环节工艺发达成熟，可资借鉴。为什么是Si ? Si基电池是目前性价比最优的可实用 电池类型；占据太阳电池市场的93%;c-S p-type Mono Advanced 10%All othersCdT

2、e (First Solar) 4%Si p-type Multic-Si p-type Multi Advaneed 27%c-Si p-type Mono Standard 14%a-Si Glass/Glass 2%CIS/CIGS Sputter 2%在可以预见的未来，仍将是市场主流。为什么是Si ?Cumulative production GigaWp0,1101001,000$5.00Installed Cost of Electricity S/kWh$0.50 1978 Single crystal, evaporated contacts Screen printed me

3、tal Wire saws Textured monoK Aluminum B5F Cast multi Point contact mono7% Global Generation from PV$0.20$0.05Retail Natural Gas Electricity*2015Wholesale Coal Electricityi Passivating SN* Iso-texture multiSource: IVcfesvar Ema nuel Sachs, Massa-chusetts lisittute of Technology. Assumes anniral |yodu

4、tion growth a$ed on 18% capacity ftor and 7% discouftt rate.目前处于市电同价临界点，未来发展前景极为看好!什么是Si?晶体结构什么是Si?晶体结构I A011 H 盘.K1IAAUX*13Q Zn-j-号i. hbi丹z|锌1 *I -2 c 琨ini7 N 氮 4.018 0 n16009 F % wooio N 城 ms3II Na22-9Mg24311IIBIVBVBVIBvhbkl1 BIIB13 Al铝2b v.-. 1彎2&O95 P 用0 9716 S 賊KMnci 氯3MSis Ar 氮39.95419 K 仰W.IO

5、20 C 傅40.0821 Sc 伉44.9622 Ti 仕47 tt23 V 饥SOM2- Cr51.99*2JMnS4.9426 Fc 铁SS-AS27 Co 估5K.932Ni 像2?Cu50 ZnkSJtrnr?7*59即3 As 殆 u.nHSc 确W-9*3? Br 涣T9.90?Kr 氮B.M)$if RbR5.4?33 Sr 住976239 Y 亿M.9*Zr*1.04iNb 呢92.91Mot5.-MTc r w：WRu钉101.145 Rh 捲I0I9I46 Pd i巴106.4Ag 银 low48Cd 禍111.4149 In 锢IN 8250 Sn 甥 ns.r$i S

6、b 轸1218Te121653 I 磺Mxe fix131.36孙Cs 絶32削5* Ba tt!Lt-Lu 删系Hr 餡I7S4VTa 密 w,w74 W 钩I834JH Re 镣IMJI% Os 债77 lr 饨i-njx就Pt 的iw,lM AU 金BOH* 汞 w*TI 佗MM .42 Pb wT2幻Bi 祕Bp。 针 WJ85 At磧*Rn7Fr 紡 I22J)88 Rq 儒2260)891O3 Ac-Lr心Rf 护(l)LO5D1 f4f106Sg 护120)107 811 缺1262Jw&HsiWMt系571 JI 侧丨朋158 Cc 铀I4AI；59Pr 错 1409；wNd

7、枚144461?m (M?)62 Sm形190.4化u m l|M64 Gd 礼I5?56STb 就IU.9% 篇162367 Ho 铁IM93Er 鸥 t*1369Tm!ftR9J70 Ybnr本征载流子浓度为l.lxlOio/cm f本征电阻 血N-TypeExtra Electron -ve chargeP-TypeMissingElectron +ve charge率为1.5xlOloQ cm f电子迁移率为1350cm2/ (Vs),空穴迁移率为480cm2/(Vs) e p型掺杂：皿族元素(B ) ; n型掺杂：V族元素 (P)o-4OJJILIO*3,16JS . ln19 .

8、In3310(wo wqo) Eagaoi140Dap ant density (yccn什么是Si?三种形态什么是Si?三种形态MonocrystallinePolycrystallineAmorphousSi电池分类：体电池晶硅太阳电池:单晶硅电池+多晶硅电池；非晶硅太阳电池（包括微晶硅电池）。概念:什么是单晶、多晶恳訂転膜电池I 思考：实验上如何确定单晶硅、多晶硅和非晶硅？非晶硅电池Si材料的制备多晶硅太阳能级多晶硅（纯度高于金属级，小于电子+级）定向凝固提纯Si材料的制备多晶硅Si材料的制备多晶硅/金属/冶金级多晶硅（纯度：9599% ）化学提纯:如西门子法制备电子级高纯多晶硅（8N-

9、9N ）按纯度太阳电池用单晶硅/多晶硅材料：利 用电子级硅的头尾料.废料.质量较 低的电子级硅。电子级硅/半导体级多晶硅（纯度：8N9N ）electronic grade silic on/semic on ductor grade silic onSi材料的制备太阳能级多晶硅杂质分凝杂质在硅中的分凝系数表B0.9Au3x10A1M0.004Sn0.02Ga0.01TalxlO7Tn5x1(/FeSxlOr4P0.35SlxlO5As0.3ColxlO4Sb0.04PtlxlO8Bi8X10-4CdlxlO8Cu4x10PdlxlO8AglxlO-8MnlxlO5LilxlO-2ZnlxlO

10、5O1.25C0.07对于固相-液相的界面,由于杂质在不 同相中的溶解度不一样,杂质在界面两 边材料中分布的浓度不同，称为杂质分 凝现象。分凝系数分凝系数二（杂质在固相中的溶解度）/（杂质在液相中的溶解度）。定向凝固法思考：定向凝固法对Si中B和P杂质提纯 效果如何？Si材料的制备咼纯多晶硅冶金级硅咼纯多晶硅材料化学提纯:通过化学反应 将硅转化为中间 化合物,利用精懾提纯等技术提纯中间化合 物,使之达到较高的纯度，然后再将中间化 合物还原为硅。Si材料的制备咼纯多晶硅Si材料的制备咼纯多晶硅2000CSiO2+2C=Si+2CO提纯技术三氯氢硅还原法硅烷热分解法L四氯化硅氢还原法西门子法Si材

11、料的制备咼纯多晶硅Si材料的制备咼纯多晶硅提纯后三氯氢硅的杂质含量 可以降到10-1010-7数量级三氯氢硅提纯由合成炉中得到的三氯氢硅往往混 有SiCb、SiH2CI2 , FeCI3 , BC. PCI3等杂质”并且它们是有害杂质, 对晶硅质量影响极大,必须设法除 去。目前工业上主要用精懾法（粗憎 和精憎）进行提纯,原理:利用三氯 氢硅与杂质氯化物的沸点不同而分 离提纯。Si材料的制备咼纯多晶硅三氯氢硅还原SiHCl3+H2=Si+3HCl将置于反应室的原始高纯多晶硅细棒 （直径约5mm ）通电加热到:UOOC 以上，通入中间化合物三氯氢硅和高 纯氢气，发生还原反应，通过化学气 相沉积，生

12、成的新的高纯硅沉积在硅 棒上/使硅棒不断长大，一直到硅棒 的直径达到150-200mm ,制成半导 体级高纯多晶硅。Si材料的制备多晶硅锭Si材料的制备多晶硅锭浇铸法直熔法铸造法 Si材料的制备多晶硅锭方向性 的参島戒6在一个坦锅内将硅原料熔化，然后浇 铸在另一个经过预热的坦锅内冷却， 通过控制冷却速率，采用定向凝固技 术制备大晶粒的铸造多晶硅。在JH锅内直接将多晶硅熔化,然后 通过坦锅地步的热交换等方式，使 熔体冷却f采用定向凝固技术制造Si材料的制备单晶硅Si材料的制备单晶硅直拉法浮区法Si材料的制备单晶硅Si材料的制备单晶硅浮区法单晶硅(FZ silicon)无接触feed rod ho

13、lderfeed rod holder20世纪50年代提出f主要是利用区shoulderneck see(fsingle crystal sit/ccn一 seetf ho(derRF beatinq coil jnolen zoneSeed crystalmelting interface團puig0.2_le.l.Bl9aE-euR域熔炼的原理。浮区法单晶硅纯度 很高(无接触生长),电学性能均匀; 但是,直径小,机械加工性差。利 用浮区法单晶硅制备的太阳电池的 光电转换效率高，但是生产成本高, 价格昂贵。_般情况下,浮区法单 晶硅不应用于太阳电池的大规模生 产上,只在某些需要高光电转换效

14、率的特殊情况下才被使用。Si材料的制备单晶硅3w46Cryptol Drivu Acnibly (Cable on solid sfaaR pUi:og syslcm付炉ir Deputy Furnace ChamberHculerOJilXAilvo观处传器N Opweal Sertor炉 0 Top Chamber烬化输Mtsil恃fl%体 巧口 Inert Ga*i性气怜 擂气LJ Inert Oao绍 CrucibleB Scxxi Cryptol炉审 Furnace CtiamU&r木冷stsHih Current Fccxithroughttt潇传初共3 Crucible Driv

15、e Installation提拉法单晶硅(CZ silicon)装料一熔化一种晶一缩颈一放肩一等径生长 缺点:与FZ硅相比,CZ单晶硅属于接触式生长， 因此杂质含量更高;沿轴向杂质浓度及电学性能 不均匀；优点:直径大、更易加工、产量高,完全可满足 太阳电池大规模生产的需要。电池芯片制备Si片制备多晶硅单晶硅电池芯片制备Si片制备晶硅片如何制成太阳能电池？电池芯片制备电池芯片制备流程电池芯片制备电池芯片制备流程电池芯片制备流程工艺步骤主要包括:绒面制备.pn结制备、减反射膜的沉积、 铝背场制备.正面和背面金属 接触制备等。Anti-reflection coating n+ Region 一 p

16、-Type siliconFront contactTextured surfaceAAA电池芯片制备电池芯片制备流程Back surface p4 fieldBack con tact装片制绒化学清洗扩散刻蚀去磷硅玻璃PECVD-丝网印刷烧结分类检测包装电池芯片制备电池芯片制备流程电池芯片制备电池芯片制备流程磷硅玻璃硅片表面形成PN结氮化硅膜减反.钝化PECVD栅线及背电极丝网印刷电池芯片制备制绒电池芯片制备制绒电池芯片制备制绒碱性蚀刻剂对单晶硅的腐蚀是各向异 性的，蚀刻速率依赖于晶体取向，(111) 面腐蚀率最低0多晶硅非完全的(100)取向，上述的碱 液刻蚀不适用。通常采用照相平版印刷

17、或激光机械雕刻来制备绒面。电池芯片制备扩散PSGDrive-Ramp kDown扩散法制备pn结 Wafers are heated to process temperature (820-850C), N2 atmosphere Growth of phosphorus silicate glass, (N2/02/POCL3) atmosphere Phosphorus Drive-in (N?) atmosphere Cooling of wafers (N2) atmosphere电池芯片制备扩散电池芯片制备扩散p-Sip-n junction电池芯片制备扩散插片上桨调参数进炉电池芯片

18、制备PECVD制减反膜PECVD制减反膜Si%是(silicon nitride)-种常用的晶体硅太阳电池减反射膜,具 有极好的光学性能。其制备方法通常采用等离子增强化学气相沉积 (PECVD),反应温度为300-400C,反应气体为硅烷和氨气。3SiH4+4NH3=Si3N4+12H2电池芯片制备PECVD制减反膜电池芯片制备PECVD制减反膜电池芯片制备PECVD制减反膜PECVD制减反膜流程电池芯片制备PECVD制减反膜电池芯片制备PECVD制减反膜取料 放入洁净柜石墨舟准备卸片 运行程序推入上料区电池芯片制备丝网印刷丝网印刷：把金属导体浆料按照设计的图形印刷在硅片正.背面。通过高 温熾

19、烧，使浆料中的溶剂挥发，金属颗粒与硅表面形成牢固的硅合金，从而 形成上下电极。电池芯片制备丝网印刷上料检查承载盒上料网版印刷背电极印刷背电场印刷电池芯片制备电池片照片电池芯片制备电池片照片多晶硅电池正面多晶硅电池背面单晶硅电池背面go恿lEm62.51:0.21230.2Si电池组件电池封装Si电池组件电池封装具有内部链接及封装的、能单独提供直流电输出的最小不可分割的太阳电池组合装置称为太阳电池组件。为什么封装？防止太阳电池:电池片薄而脆。防止太阳电池失效：灰尘、紫外线、冰雹、等影响因素。满足负载要求，串、并联成一个能够独立作为电源使用的最小单元：单 个电池电压太小，不能满足用电设备的需求。真

20、空层压封装工序电池片分选_单片焊接.串焊-层!中检层压固化装边框和接线盒-擦拭-按规测试终测-终检包装Si电池组件电池封装Si电池组件电池封装分片工序Si电池组件电池封装Si电池组件电池封装手工焊工序正面单片焊接反面串焊Si电池组件电池封装Si电池组件电池封装层叠工序EVA层叠好的组件Si电池组件电池封装Si电池组件电池封装层压上腔抽真空上腔抽真空 上腔充气（层压）加热加热板I I Iffffffffff 蟲空Si电池组件电池封装Si电池组件电池封装固 化装框工序擦拭装接线盒Si电池组件电池封装Si电池组件电池封装终测工序连接电源擦拭Si电池组件电池封装Si电池组件电池封装检查反面终检工序贴标签Si电池组件失配问题失配问题太阳能电池互联在一起时，由于这些单体电池工作