晶体硅太阳电池工艺技术

第1页，课件共20页，创作于2023年2月一、晶体硅太阳电池工艺原则高效化低成本大批量第2页，课件共20页，创作于2023年2月二、表现方式2.1大片化，薄片化，高效化大片化多晶硅片210*210（mm）面积441cm2单晶硅片156*156（mm）面积239.9cm2第3页，课件共20页，创作于2023年2月

2.2薄片化≥220μ

薄片化是把双刃剑，薄片化可以降低成本。但是，碎片率会增加。国际上晶片供应商都是朝220μ方向看齐，薄片化会对第三世界太阳电池生产商而言会形成一道强大技术壁垒。第4页，课件共20页，创作于2023年2月

中国有可能在未来156×156（mm）单晶硅片生产上，占有让国际光伏圈内不可小视的一席之地。中国有批量生产8吋单晶炉设备的厂家；各地已有不少厂家在上8吋单晶炉，150×150（mm）晶片已问世。高邮江苏顺大半导体发展有限公司拉的8吋单晶，镇江环太硅科技公司切片；无锡尚德太阳能电力有限公司刚之竣工一条年产25MW，生产单晶硅和多晶硅156×156（mm）、150×150（mm）太阳电池生产线。第5页，课件共20页，创作于2023年2月三、光伏技术的发展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%。图1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。第6页，课件共20页，创作于2023年2月图1单晶硅太阳能电池转换效率的发展过程

第7页，课件共20页，创作于2023年2月3.1实验室高效太阳能电池的研究

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；2）表面复合；3）电极区复合。第8页，课件共20页，创作于2023年2月

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1cm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。第9页，课件共20页，创作于2023年2月

2）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-lowjunction)。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。第10页，课件共20页，创作于2023年2月

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。第11页，课件共20页，创作于2023年2月

基于以上提高电池转换效率的途径，派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。第12页，课件共20页，创作于2023年2月图5显示了由澳大利亚新南威尔斯大学设计和制造的高效晶体硅太阳能电池（PERL）示意图。图5：实验室高效太阳能电池结构示意图第13页，课件共20页，创作于2023年2月实验室高效太阳能电池的结构具有以下特点：

1)表面采用了倒金字塔结构进一步减小光在前表面的反射并更有效地将进入硅片的光限制在电池之内；

2)硅表面磷掺杂的浓度较低以减少表面的复合和避免表面“死层”的存在；

5)前表面电极采用更匹配的金属如钛，钯，银金属组合以进一步减小电极与硅的接触电阻；

3)前后表面电极下面局部采用高浓度扩散以减小电极区复合并形成好的欧姆接触；4)前表面电极很窄（只有20微米宽)以及电极条之间的距离变窄使得前表面遮光面积降低到最小并减少n－型区横向导电电阻的损失；7)利用两层减反射膜将前表面反射降到最低。

6)电池的前后表面采用SiO2和点接触的方法以减少电池的表面复合；

第14页，课件共20页，创作于2023年2月目前这种电池技术是制造实验室高效太阳能电池的主要技术之一，25％的电池就是由此技术制造的。但是，这种电池的制造过程相当烦琐，其中涉及到好几道光刻工艺，所以不是一个低成本的生产工艺，很难将且应用于大规模工业生产。第15页，课件共20页，创作于2023年2月

八十年代中期，新南威尔斯大学发明了“激光埋沿式电池制造工艺”，图6描述了这种电池结构，这一电池技术采纳了高效太阳能电池的优点，简化了高效太阳能电池的制造工艺，使之成为可生产的技术。图6激光埋沿式电池结构示意图第16页，课件共20页，创作于2023年2月目前这一技术已转让给好几家世界上规模较大的太阳能电池生产厂家如英国的BPSOLAR和美国的SOLAREX等

8)背面金属铝烧结；2)表面淡磷扩散；1)表面金字塔的形成；7)背面金属铝蒸发；6)槽内浓磷扩散；4)激光刻槽；3)表面氧化物(SiO2)生长；9)化学镀前后面金属电极；10)边缘切割。5)槽内化学腐蚀；激光埋沿式电池制造的主要工艺流程是：

第17页，课件共20页，创作于2023年2月2000年，日本三洋公司（Sanyo）报道了一种新型的高效太阳能电池设计和制造的方法。图7显示了这种电池的结构示意图。此种电池基于一种n-型晶体硅材料，采用等离子体化学沉积（PECVD）方法在n-型硅片衬底上沉淀本征层i-和p-型非晶硅薄膜，从而形成n-型硅和非晶硅异质结结构（HIT）太阳电池，非晶硅（a-Si:H）材料的带宽在1.7eV左右，远大于晶体硅1.1eV的带宽，因此此种HIT电池结构对于电池表面有很好的钝化作用。同时，由于非晶硅几乎没有横向导电性能，因此必须在硅表面淀积一层大面积

的透明导电膜（TCO）以有效地收集电池的电流。这种电池的结构和工艺制造出了21%转换效率的单晶硅太阳电池，电池的开路电压（Voc）达到719mV，接近世界纪录，制造这种电池的工艺温度不超过300℃。如果温度高于400℃，氢原子很容易从非晶硅材料内逸出，从而降低非晶硅材料的质量，影响电池的转换效率，但由于制造工艺涉及到复杂的真空系统，因此制造工艺并非简单。图7

高效太阳能电池的结构示意图

第18页，课件共20页，创作于2023年2月3.2大规模工业生产太阳电池制造

目前国际上大多数晶体硅太阳能电池生产厂家都采用丝网印刷技术。这一技术是在七十年代形成的。因此已没有产权归哪一个生产厂家的说法。这一技术对单晶硅和多晶硅都适用。图8描述了这一电池的结构。图8丝网印刷工艺生产的电池结构示意图

第19页，课件共20页，创作于2023年2月丝网印刷工艺过程包括：

1、表面金字塔的形成（以减少表面反射）；

2、磷扩散（900oC的高温工艺）；

3、边缘切割；

4、丝网印刷前表面电极；

5、丝网印刷后表面电极；

6、电极烧结(800oC的高温工艺)；

7、前表面减反射膜喷涂。

由这一工艺生产的单晶硅太阳能电池的转换效率在13.5％－16％之间，多晶硅电池的转换效率在13％－15.5％之间。

丝网印刷技术具有以下特点：1、为了使电极和硅表面形成好的欧姆接触，由磷扩散所形成的表面n－型材料掺杂浓度偏高。正如上面所陈述的，高浓度掺杂降低材料内的少数载流子寿命,使得光生载流子不能得到有效地收集。而短波长的太阳光是被这一层材料吸收的，因此这些太阳光的能量不能得到很好的利用,形成所谓的“死层”。2、电池前表面的复合高，因为电池的