新能源材料第9讲

9章晶体硅太阳电池材料9.1

晶体硅太阳电池的发展情况晶体硅太阳电池分为单晶硅太阳电池与多晶硅太阳电池。晶体硅太阳电池是目前市场上的主导产品，1997年占国际市场的份额在80%以上。目前其生产用的设备及原料都与半导体工业密切相关。这类电他稳定性高、资源丰富、无毒性，在适当时期内可利用半导体工业的次品硅料作原料，电池的效率可达到一定水平。9.2晶体硅太阳电池结构晶体硅太阳电池按材料形态主要分为单晶硅、多晶硅、带状硅、多晶硅薄膜等，其结构示意见图9－1能显著影响太阳电池效率的杂质有Ta，Mo，Nb，W，Zr，Ti，V，Cr，Co，Mn，Fe等。它们对材料性能参数的主要影响是能降低少数载流子的寿命。要提高硅太阳电池的转化效率，首先必需考虑硅基片的质量，主要在晶体硅材料成本允许下使少子寿命或少子扩散长度越长越好。为此，要求在晶体生长时使晶体的缺陷密度及杂质含量尽可能的少。此外，在电池器件工艺中采用吸杂工艺，以提高基片特别是pn结附近的质量，也能提高电池的性能。选择硅基体掺杂最佳的浓度要考虑如下因数：对ISC和VOC的影响。而且可知ISC和VOC对于掺杂浓度有相反的依赖关系。为了得到最大的转换效率，应该选择一个最佳的基体掺杂浓度。在电池上制作背电场也是提高电池效率的有效途径。减反射膜对太阳电池的电性能有明显的增益作用，要使太阳电池光对光反射引起的损失减至最少必须使反射系数ρ最小。为实现减反射的功能，单层减反射膜必须满足如下关系：n1t＝λ/4n1＝（n0n2）1/2式中

n1为单层反射膜的折射率；

n0为进入减反射膜前的介质的折射率；

n2为硅的折射率；

t为减反射膜的厚度。双层减反射膜必须满足如下关系：n1t1＝n2t2＝λ/4，n22/n12＝n2/n1（n3>n2>n1>n0）式中：n1和n2为双层减反射膜的折射率；n3为硅折射率；n0为光进入减反射膜前的介质的折射率。另一种减反射的方法是在硅表面制作绒面。如图所示9.3晶体硅太阳电池材料与技术9.3.1单晶硅太阳电池及材料9.3.1.1单晶硅生长技术

生长单晶硅的两种最常用方法为丘克拉斯基法及区熔法。1）丘克拉斯基法这是制备单晶的一种方法，又称直拉法。是将硅料在石英坩埚中加热融化，用籽晶与硅液面进行接触，然后开始向上提升以长出柱状的晶棒。2）区熔法生长硅单晶区熔法主要用于材料的提纯，也可用于生长单晶。9.3.1.2单晶硅材料性能的改进近年来太阳电池效率明显提高，一部分原因是硅片材质的提高。高质量的太阳电池用单晶硅片是无错位单晶，少子寿命在2μs以上，一般6μs左右。9.3.1.3常规太阳电池工艺

目前工业界大部分晶体硅太阳电池的制作工艺如下：清洗腐蚀及绒面处理→用输送带炉或扩散炉进行pn结制作→等离子法刻蚀硅片周边→丝网印刷铝浆（或铝银汞）→（输送带烧结）→丝网印刷银浆→输送带烧结→（喷涂二氧化钛减反射膜）→电池片测试分档→电池片焊结串联→太阳电池层压封装→太阳电池组装→太阳电池组件测试。9.3.1.4高效太阳电池工艺

主要的高效化电池工艺如下：1）发射极钝化及背面局部扩散太阳能电池（PERL）

电池正反面及背面局部扩散太阳能电池，并采用光刻技术将电池表面的氧化硅层制成倒金字塔。如下图

2）埋栅太阳电池（BCSC）如图，采用激光刻槽或机械刻槽3）用双层减反射膜工艺进一步提高高效能太阳能电池的效率TiO2＋MgF2膜为常用的一种。主要在多晶硅太阳能电池上采用电池工艺来提高硅片材质，例如吸杂、钝化等。这些工艺对单晶电池也有效果，高效电池也可使用。9.3.2多晶硅太阳电池及材料多晶硅太阳电池的出现主要为了降低晶体硅太阳电池的成本。其优点是能直接制出方形硅锭，设备简单；材质及电能消耗少；缺点效率比单晶硅太阳电池低。9.3.2.1铸锭工艺铸锭工艺主要包括定向凝固化法及浇铸法。定向凝固：将硅料放到坩埚中熔融，然后将坩埚从热场逐渐下降或从热场逐渐下降或从坩埚底部通冷源，以造成温度梯度，固液界面则从坩埚底部向上移动而形成晶锭。浇铸法：将熔化后的硅液从坩埚中倒入另一模具中形成晶锭，铸出的方形硅锭被切成方形硅片做成太阳电池。9.3.2.2多晶硅结构及材料性能与少子寿命有关的参数测试的计算机图像仪能对硅片的缺陷及少子寿命或相近的参数进行面的扫描，以观察其性能。这对多晶硅的结构及材料的性能的系统分析有很大帮助，能较系统的地研究晶体生长条件及热场变化等对局部硅材料质量的影响。而测试缺陷、晶界、杂质对晶体硅电池产生局部影响的仪器，是在扫描电镜上加上EBIC（电子束感应电流法）功能部件，对样品进行扫描。

9.3.2.3晶体硅太阳电池工艺改进主要采用吸杂、钝化、表面处理等工艺。1）吸杂不同太阳电池的吸杂作用是不同的，认为吸杂速率受控于两个步骤：①金属杂质的释放/扩散决定了吸杂温度的下限；②分凝模型控制了吸杂的最佳温度。

2）钝化钝化是提高多晶硅质量的有效方法，可采用氢钝化硅体内的悬挂键的缺陷。缺陷越多，氢钝化效果越好。3）表面改性以增强减反射作用多晶体太阳电池的表面存在多种晶向，因而对其进行各种处理，已达到减反射的作用。4）硅片的加工技术使用多线切割机，可明显降低晶体硅片的成本。铸锭法中需要解决以下主要问题：1）对盛硅容器的材质要求。2）用调整热场等方法控制晶体结构，以生长出大小合适的具有单向性的晶粒，并尽量减少晶体中的缺陷，这样才有可能制成效率较高的电池。9.3.3其他多晶硅类太阳电池及材料9.3.3.1硅带另一种用于制作太阳电池的多晶硅材料是硅带（片装硅）。目前比较成熟的制晶带方法有：枝蔓蹼状晶（WEB）法和限边喂膜（EFG）法9.3.3.2小硅球太阳电池此类太阳电池是将平均直径1.2mm的约2万个小硅球镶在100cm2的铝箔上形成的。每个小球具有PN结，小球在铝箔上形成并联结构，100cm2的面积电池效率可达10％。9.3.3.3多晶硅膜太阳电池近年来，多晶硅膜太阳电池研究受到较多重视。膜生长的主要方法及特点对比于下表。

9.3.4晶体硅太阳电池用硅材料1）现用太阳电池硅材料目前世界上光伏工业晶体硅太阳电池所用的晶锭投炉料都是半导体工业的次品硅及其单晶硅的头尾料，约占半导体工业生产硅料的1/10，其量约1000t/a～1200t/a。目前半导体工业用的多晶硅料大部分采用三氯氢硅精镏法制成。2）太阳级硅对太阳级硅应达到的纯度并没有严格规定，但要求用此材料制作的太阳电池的效率应达到10％以上。当光伏工业的用量达到一定水平而半导体工业提供不了低价次品硅料时，太阳级硅就可能进行正式生产。9.3.5空间用硅太阳电池目前空间用的太阳电池中单晶硅电池占重要的地位。从成本及成熟性方面考虑，要求电池在空间有耐辐射的性能，电池片要薄，电池的面积朝大面积化的方向发展。9.4晶体硅太阳电池的发展晶体硅太阳电池在今后几十年内仍具有重要地位。晶体硅太阳电池研究的主要目标：对现有的商用晶体硅电池及