多晶硅薄膜太阳能电池的衬底材料和制备工艺

1、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 I6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 RIVl4Spl o. , p. 3 u lJn 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 ,

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

3、 G . 7 文献 标识码 :A 文章编号 :10-8X 20 106-3 0215(058-4401 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

4、. 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 ;

5、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

6、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

7、.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 ,

8、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 16Emal 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 ,

9、 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

10、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

11、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

12、%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

13、 1. 1 %.中科 院 广州太 阳能研究所采用 2S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 .% 253 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

14、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 ,

15、 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

16、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

17、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

18、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 14 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

19、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

20、.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

21、 r g o o o i1 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 aBreo : 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 ento a

22、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 P

23、eaa 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 lTh n- l S a C el i Fim ol r lZa L i ' i e 2 u g iZa Hun'Wn 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 Fn

24、Poes , 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 lEeg 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 0AbtatTe 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-y