太阳能体硅电池原理及工艺流程介绍

1、东莞南玻光伏科技有限公司 技术部：林顺勇 2007.12.27,太阳能体硅电池原理及工艺介绍,主要内容,一 光伏产业概述 二 太阳能电池物理初步介绍 三 体硅电池一般制造工艺流程 四 体硅电池的设计理念 五 总结,太阳电池发明人: （1954, Bell Lab) Daryl M. Chapin, Calvin S. Fuller, Gerald L. Pearson,1.1，概述太阳能电池历史,1.2，概述体硅电池产业产业链,2，太阳能电池物理初步介绍,半导体与晶体硅的基本特性 PN结介绍 体硅电池一般结构和发电原理,2.1 半导体与晶体硅的基本特性,固体按导电性能的高低可以分为：,它们的导

2、电性能不同， 是因为它们的能带结构不同。,导体,导体,导体,半导体,绝缘体,Eg,Eg,Eg,2.1.1 导电类型与能带的关系图,在晶体硅中，原子按四面体系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,2.1.2 Si的晶体结构,2.1.3 半导体的光吸收,光子能量小于带隙,光子不被吸收,导带,价带,光子能量等于带隙,2.1.3 半导体的光吸收,光子被吸收，同时产生自由电子-空穴对,导带,价带,2.1.3 半导体的光吸收,光子能量大于带隙,光子被吸收，同时产生自由电子-空穴对。 之后载流子振荡回到导带底和价

3、带顶。 剩余能量转换为热能。,导带,价带,2.1.4 Si晶体和GaAs在300K下的吸收系数和能量关系图,2.1.5 晶体Si是间接带半导体，带隙Eg=1.12 eV,2.1.4 吸收深度,SI基体,不同能量的光子吸收深度不同！,2.1.5 复合 recombination,带隙,导带,价带,复合类型：体复合、表面复合,2.2 半导体PN结介绍,半导体的类型： 本征半导体、P型半导体、N型半导体 PN结的形成 PN结的电特性 PN结的应用,2.2.1 半导体的类型,1. 本征半导体：没有掺入任何杂质,. P型半导体,四价的本征半导体Si，掺入少量三价的杂质元素（如、Ga、n等）形成空穴型半导

4、体，称 P 型半导体。,量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在禁带中紧靠满带处，ED10-2eV，极易产生空穴导电。,该能级称受主（acceptor）能级。,P型半导体,2.2.1 半导体的类型,3. N型半导体,四价的本征半导体 Si，掺入少量五价的杂质元素（如P、As等）形成电子型半导体,称 n 型半导体。,量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处, ED10-2eV，极易形成电子导电。,该能级称为施主（donor）能级。,3. N型半导体,2.2.3 PN结的形成,在一块 P型半导体基片的一侧通过扩散或离子注入掺入较高浓度的施主杂质，由于杂质的补偿作用，该区就成为N

5、型半导体。 此时这块半导体有一端是P型，一端是N型，PN型的交界面称为PN结，N型的厚度也称为结深。,耗尽区,N型区,P型区,空穴,电子,PN结内电场形成过程,内电场！,2.3，体硅电池的一般结构和发电原理,2.3.1，体硅电池的一般结构,2.3.2，太阳能电池发电原理,V,N层,P层,背电场,减反射层,输出,3，太阳能电池工艺流程,3.1，一次清洗,清洗设备,去除硅片表面的机械损伤层。 对硅片的表面进行凹凸面(金字塔绒面）处理,增加光在太阳电池片表面的折射次数,利于太阳电池片对光的吸收,以达到电池片对太阳能价值的最大利用率。（NaOH制绒） 清除表面硅酸钠、氧化物、油污以及金属离子杂质 （H

6、F) (HCL),3.1.1 一次清洗的目的,3.1.2 单晶硅清洗后的表面形貌,3.1.3 绒面结构可降低反射率,平坦的硅表面,通常反射率为30%,反射率可降至12%,插片,一次清洗机,甩干机,扩散,传递窗,3.1.4 清洗工艺操作流程,测试,货架,3.1.5 工艺辅材,去损伤层：NaOH溶液 制绒：NaOH溶液、异丙醇和硅酸钠 酸洗：HF酸、盐酸HCl、DI水,3.1.5 检验,外观检验： 目视：不能有碎片、裂纹、崩边等外观不良，颜色暗且均匀。 显微镜：微观绒面覆盖率85%以上，不能有花斑和水痕。 尺寸检验： 螺旋测微器：工序前后硅片厚度减少10m以上，单硅片厚度不能低于165m。 电子天

7、平：前后重量差，判断腐蚀厚度（重量/28.8=厚度） 电性能： 少子寿命测试仪：少子寿命（酸洗后少子寿命2us)。 光学性能（可能的话）： 分光光度计：反射率光谱,3.2 扩散,扩散的目的：在p型晶体硅上进行N型扩散，形成PN结，它是半导体器件工作的“心脏”； 扩散方法：POCl3液体扩散源。,3.2.1 扩散的目的,P型衬底,通常的，掺杂浓度更大的区域称为发射极，掺杂浓度较小的区域成为基体。基体区域通常是吸收区域，因为发射极非常薄，大部分的光吸收发生在基体。,3.2.2 pn结形成,3.2.3 扩散间操作流程,刻蚀,传递窗,测试,净化存储柜,传递窗,装/卸片,装/卸片,TCA,工作台,外观检

8、验： 1.色泽：表面颜色均匀，无偏磷酸滴落 目视，放大镜 2.物理： 对崩边缺口等机械缺陷的控制 目视，放大镜 3.弯曲度 塞尺 电性能： 1.方块电阻检验 四探针 2.少子寿命 少子寿命测试仪,3.2.4 扩散后检验,POCl3是目前磷扩散用得较多的一种杂质源，瓶装。 无色透明液体，具有刺激性气味。如果纯度不高则呈红黄色。 比重为1.67，熔点2，沸点107，在潮湿空气中发烟。 POCl3很容易发生水解，POCl3极易挥发。,3.2.5 扩散辅材,3.3 等离子周边刻蚀,去除硅片周边的n层，防止短路。 工艺方法有等离子刻蚀和激光划边 我们采用等离子刻蚀机把周边n层刻蚀掉。,3.3.1 周边刻

9、蚀的目的,3.3.2 等离子刻蚀过程,P型,N型,插片,二次清洗机,甩干机,传递窗,测试,货架,传递窗,去边,去边,夹片、测试,二次清洗机,石英管清洗机,3.3.3 刻蚀工艺操作流程,刻蚀工位,镀膜间,外观检验： 不能有碎片、裂纹、崩边等外观不良 目视、放大镜 电性能检验： 硅片周边PN型判定 导电类型测试仪（冷热探针）,3.3.4 刻蚀后检验,3.3.5 刻蚀工艺辅材 CF4+O2 特种气体,3.4，二次清洗（去磷硅玻璃）,扩散工艺会在在硅片表面形成一层含有磷元素的SiO2，称之为磷硅玻璃（PSG）。它会阻止光吸收，同时又是绝缘的。工艺上采用HF酸腐蚀，所以也称为去PSG。,3.4.1，二次

10、清洗（去磷硅玻璃）的目的,插片,二次清洗机,甩干机,传递窗,测试,货架,传递窗,去边,去边,夹片、测试,二次清洗机,石英管清洗机,二次清洗工位,镀膜间,3.4.2，二次清洗操作流程,3.4.3，二次清洗后检验,外观检验： 目视：不能有碎片、裂纹、崩边等外观不良，颜色暗且均匀；表面是否脱水。,3.4.4，二次清洗辅材 HF酸、DI水,氢氟酸是无色透明的液体，具有较弱的酸性、易挥发性和很强的腐蚀性。氢氟酸的一个很重要的特性是它能够溶解二氧化硅，因此不能装在玻璃瓶中。,3.5，PECVD镀减反射膜,3.5.1，设备结构示意图,3.5.2 光的基本理论,光的波动性、粒子性 光的传输：直线传输、反射、透

11、射、干涉、衍射 光程d、光程差n*d 光的叠加：相长干涉、相消干涉,3.5.3，减反射原理,一次反射R1,SiN,N-Si,n0,n1,ns,二次反射R2,目的： 通过调整薄膜厚度及折射率，使得两次反射产生相消干涉，即光程差为1/2波长，薄膜的厚度应该是1/4波长的光程。,装片,传递窗,测试,净化存储柜,传递窗,3.5.4，减反射工艺操作流程,载板柜,卸片,印刷,PECVD,3.5.5，镀膜后检验,外观检验： 不能有碎片、裂纹、崩边、颜色不均、色差等不良 目视、放大镜 减反层测试： 折射率、薄膜厚度80nm5% 椭偏仪 电性能测试： 少子寿命 少子寿命测试仪 光学测量（可能的话）： 反射率光谱

12、 分光光度计,3.5.6，镀膜工艺辅材,特种气体： 硅烷SiH4、氨气NH3、氮气N2,3.6，印刷烧结,3.6.1 印刷烧结的目的,金属接触，收集载流子。 背面场，经烧结后形成的铝硅合金，提高转换效率。 采用丝网印刷技术。,3.6.2 印刷烧结工艺流程,工作台,印刷,烘干,印刷,烘干,印刷,烘干,工作台,工作台,烧结,测试分选,传递窗,工作台,测试台,3.6.3 印刷烧结后的电池片,3.6.3 印刷工艺辅材,一次印刷：银浆（银铝浆），作为背面电极（正极）。 二次印刷：铝浆，形成背电场。 三次印刷：银浆，作为正面电极（负极）。,3.7 测试分选,成品测试 根据功率进行分档，可同时测量以下电参数： 功率、短路电流、开路电压、最佳工作电流、最佳工作电压、填充因子、串联电阻、并联电阻。,3.7.1 测试分选的目的,工作台,印刷,烘干,印刷,烘干,印刷,烘干,工作台,工作台,烧结,测试分选,传递窗,工作台,测试台,3.7.2 测试分选操作流程,3.7.3 成品检验,4 体硅电池的设计理念,光学特性 降低复合 电极设计 结构设计,如何