晶体硅电池的工艺技术

1、晶体硅电池的工艺技术晶体硅太阳电池是光伏行业的主导产品，占市场份额的90%，尤其是多晶硅太阳电池的市场份额已远超过单晶硅电池的市场份额，自从六十年代太阳能电池作为能源应用于宇航技术以来，太阳能电池的技术得到非常迅速的发展，单晶硅太阳能电池的转换效率已接近25%，多晶硅太阳能电池的转换效率已接近20%。下图显示了单晶硅太阳能电池转换效率的发展过程，1980年以后的转换效率的世界纪录主要由澳大利亚新南威尔斯大学保持。  单晶硅太阳能电池转换效率的发展过程   太阳能电池是一种少数载流子工作器件，当光照射到一个P型半导体的表面上，光在材料内的吸收产生电子与空穴对。在这种情况下，电

2、子是少数载流子，它的寿命定义为从其产生到其与空穴复合之间所生存的时间。少数载流子在电池内的寿命决定了电池的转换效率。因此要提高电池的转换效率，就必须设法减少少数载流子在电池内的复合，从而增加少数载流子的寿命。影响少数载流子寿命的因素有:  1）体内复合。减少晶体硅体内的复合，首先要选用适当的掺杂浓度的衬底材料。一般太阳能电池制造所用的硅片的电阻率在0.5到1.0cm 左右。提高晶体的质量，减少缺陷和杂质，是提高少数载流子寿命的重要手段。吸杂(gettering)工艺能有效的提高材料的质量。钝化(passivation)工艺能有效地减少晶体缺陷对少数载流子寿命的影响。  2）

3、表面复合。减少表面复合通常采用在硅表面生成一层介质膜如二氧化硅(SiO2)和氮化硅(SiN)。这种介质膜完善了晶体表面的悬挂键，从而达到表面钝化的目的。如果这种介质膜生成在n型硅的表面，由于在这些介质膜内固有的存在作一些正离子，这些正离子排斥了少数载流子空穴向表面移动。另外一种表面钝化的方法是在电池表面形成高低结(high-low junction)。这种结在表面产生一个电场,从而排斥了少数载流子空穴向表面移动。  3）电极区复合。减少电极区的复合可采用将电极区的掺杂浓度提高，从而降低少数载流子在电极区的浓度。减少载流子在此区域的复合。  基于以上提高电池转换效率的途径，派

4、生了多种高效晶体硅太阳能电池的设计和制造工艺。其中包括PESC电池（发射结钝化太阳电池）和表面刻槽绒面PESC电池；背面点接触电池（前后表面钝化电池）；PERL电池（发射结钝化和背面点接触电池）。由这些电池设计和工艺制造出的电池的转换效率均高于20%，其中保持世界记录（24.7%）的单晶硅和多晶硅电池（19.8%）的转换效率均是由PERL电池实现的。高效太阳能电池的工艺流程Solar168  日期:06-12-25 21:03:26   作者:光伏一生  责任编辑:xzj  点击: 34   高效单晶硅太阳电池工艺流程如下： 

5、; 1)去除损伤层  2)表面绒面化  3)发射区扩散                 4)边缘结刻蚀  5)PECDV沉积SiN  6)丝网印刷正背面电极浆料  7)共烧形成金属接触  8)电池片测试。  下面我们着重来看一下一个工艺，  1.首先是绒面制备：    硅片采用0.52.cm，P型晶向为（100）的单晶硅片。利用氢氧化钠溶液对单晶硅

6、片进行各向异性腐蚀的特点来制备绒面。当各向异性因子=10时（所谓各向异性因子就是（100）面与（111）面单晶硅腐蚀速率之比），可以得到整齐均匀的金字塔形的角锥体组成的绒面。绒面具有受光面积大，反射率低的特点。可提高单晶硅太阳电池的短路电流，从而提高太阳电池的光电转换效率。  金字塔形角锥体的表面积S0等于四个边长为a正三角形S之和  S0 = 4S = 4×a×a = a2  由此可见有绒面的受光面积比光面提高了倍即1.732倍。  当一束强度为E0的光投射到图中的A点，产生反射光1和进入硅中的折射光2。反射光1可以继续投射到另一方

7、锥的B点，产生二次反射光3和进入半导体的折射光4；而对光面电池就不产生这第二次的入射。经计算可知还有11%的二次反射光可能进行第三次反射和折射，由此可算得绒面的反射率为9.04%。  2.绒面制备：  采用三氯氧磷气体携带源方式，这个工艺的特点是生产高，有利于降低成本。新购的8吋硅片扩散炉、石英管口径达270mm，可以扩散156×156（mm）的硅片。  由于石英管口径大，恒温区长，提高了扩散薄层电阻均匀性，有利于降低太阳电池的串联电阻Rs，从而提高太阳电池填充因子FF。   3.SiN钝化与APCVD淀积TiO2：  &#

8、160; 先期的地面用高效单晶硅太阳电池一般采用钝化发射区太阳电池(PESC)工艺。在扩散过去除磷硅玻的硅片上,热氧化生长一层10nm25nm厚SiO2为,使表面层非晶化,改变了表面层硅原子价键失配情况,使表面趋于稳定,这样减少了发射区表面复合,提高了太阳电池对蓝光的响应,同时也增加了短路电流密度Jsc,由于减少了发射区表面复合,这样也就减少了反向饱和电流密度,从而提高了太阳电池开路电压Voc。还有如果没有这层SiN,直接淀积TiO2薄膜,硅表面上会出现陷阱型的滞后现象导致太阳电池短路电流衰减,一般会衰减8%左右,从而降低光电转换效率。故要先生长SiN钝化再生长TiO2减反射膜。 &

9、#160;  TiO2减反射膜是用APCVD设备生长的,它通过钛酸异丙脂与纯水产生水解反应来生长TiO2薄膜。     4.PECVD淀积SiN   多晶硅太阳电池广泛使用PECVD淀积SiN ,由于PECVD淀积SiN时,不光是生长SiN作为减反射膜,同时生成了大量的原子氢,这些氢原子能对多晶硅片具有表面钝化和体钝化的双重作用,可用于大批量生产高效多晶硅太阳电池,为上世纪末多晶硅太阳电池的产量超过单晶硅太阳电池立下汗马功劳。随着PECVD在多晶硅太阳电池成功,引起人们将PECVD用于单晶硅太阳电池作表面钝化的愿望。  由于生成的氮化

10、硅薄膜含有大量的氢,可以很好的钝化硅中的位错、表面悬挂键，从而提高了硅片中载流子迁移率，一般要提高20%左右，同时由于SiN薄膜对单晶硅表面有非常明显钝化作用。尚德公司的经验显示，用PECVD SiN作为减反膜的单晶硅太阳电池效率较高于传统的由APCVD TiO2作为减反膜单晶硅太阳电池。  5.共烧形成金属接触   晶体硅太阳电池要通过三次印刷金属浆料，传统工艺要用二次烧结才能形成良好的带有金属电极欧姆接触，共烧工艺只需一次烧结，同时形成上下电极的欧姆接触，是高效晶体硅太阳能电池的一项重要关键工艺，国外著名的金属浆料厂商非常卖力推广共烧工艺。这个工艺基础理论来自较古老的合

11、金法制P-N结工艺。就是电极金属材料和半导体单晶硅在温度达到共晶温度时，单晶硅原子按相图以一定的比例量溶入到熔融的合金电极材料中去。单晶硅原子溶入到电极金属中的整个过程是相当快的，一般只需几秒钟时间。溶入的单晶硅原子数目决定于合金温度和电极材料的体积，烧结合金温度愈高，电极金属材料体积愈大，则溶入的硅原子数目也愈多，这时状态被称为晶体电极金属的合金系统。如果此时温度降低，系统开始冷却，这时原先溶入到电极金属材料中的硅原子重新以固态形式结晶出来，也就是在金属和晶体接触界面上生长出一层外延层。如果外延层内含有足够量的与原先晶体材料导电类型相同杂质成份，这就获得了用合金法工艺形成欧姆接触；如果再结晶层内含有足够量的与原先晶体材料导电类型异型的杂质成份，这就获得了用合金法工艺形成P-N结。  银桨、银铝桨、铝桨印刷过的硅片，通过烘干有机溶剂完全挥发，膜层收缩成为固状物紧密粘附在硅片上，这时，可视为金属电极材