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多晶硅太阳能电池制作工艺概述

来源:
时间:2012-08-08 22:07:12
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多晶硅太阳能电池制作工艺概述众所周知,利用太阳能有许多优点,光伏发电将为人类提供主要的能源,但目前来讲,要使太阳能发电具有较大的市场,被广大的消费者接受,提高太阳电池的光电转换效率

众所周知,利用太阳能有许多优点,光伏发电将为人类提供主要的能源,但目前来讲,要使太阳能发电具有较大的市场,被广大的消费者接受,提高太阳电池的光电转换效率,降低生产成本应该是我们追求的最大目标,从目前国际太阳电池的发展过程可以看出其发展趋势为单晶硅、多晶硅、带状硅、薄膜材料(包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜)。

从工业化发展来看,重心已由单晶向多晶方向发展,主要原因为;[1]可供应太阳电池的头尾料愈来愈少;[2] 对太阳电池来讲,方形基片更合算,通过浇铸法和直接凝固法所获得的多晶硅可直接获得方形材料;[3]多晶硅的生产工艺不断取得进展,全自动浇铸炉每生产周期(50小时)可生产200公斤以上的硅锭,晶粒的尺寸达到厘米级;[4]由于近十年单晶硅工艺的研究与发展很快,其中工艺也被应用于多晶硅电池的生产,例如选择腐蚀发射结、背表面场、腐蚀绒面、表面和体钝化、细金属栅电极,采用丝网印刷技术可使栅电极的宽度降低到50微米,高度达到15微米以上,快速热退火技术用于多晶硅的生产可大大缩短工艺时间,单片热工序时间可在一分钟之内完成,采用该工艺在100平方厘米的多晶硅片上作出的电池转换效率超过14%。

据报道,目前在50~60微米多晶硅衬底上制作的电池效率超过16%。利用机械刻槽、丝网印刷技术在100平方厘米多晶上效率超过17%,无机械刻槽在同样面积上效率达到16%,采用埋栅结构,机械刻槽在130平方厘米的多晶上电池效率达到15.8%。 下面从两个方面对多晶硅电池的工艺技术进行讨论。 2. 实验室高效电池工艺 实验室技术通常不考虑电池制作的成本和是否可以大规模化生产,仅仅研究达到最高效率的方法和途径,提供特定材料和工艺所能够达到的极限。 2.1关于光的吸收 对于光吸收主要是: (1)降低表面反射; (2)改变光在电池体内的路径; (3)采用背面反射。 对于单晶硅,应用各向异性化学腐蚀的方法可在(100)表面制作金字塔状的绒面结构,降低表面光反射。但多晶硅晶向偏离(100)面,采用上面的方法无法作出均匀的绒面,目前采用下列方法: [1]激光刻槽 用激光刻槽的方法可在多晶硅表面制作倒金字塔结构,在500~900nm光谱范围内,反射率为4~6%,与表面制作双层减反射膜相当。

而在(100)面单晶硅化学制作绒面的反射率为11%。用激光制作绒面比在光滑面镀双层减反射膜层(ZnS/MgF2)电池的短路电流要提高4%左右,这主要是长波光(波长大于800nm)斜射进入电池的原因。激光制作绒面存在的问题是在刻蚀中,表面造成损伤同时引入一些杂质,要通过化学处理去除表面损伤层。该方法所作的太阳电池通常短路电流较高,但开路电压不太高,主要原因是电池表面积增加,引起复合电流提高。 [2]化学刻槽 应用掩膜(Si3N4或SiO2)各向同性腐蚀,腐蚀液可为酸性腐蚀液,也可为浓度较高的氢氧化钠或氢氧化钾溶液,该方法无法形成各向异性腐蚀所形成的那种尖锥状结构。据报道,该方法所形成的绒面对700~1030微米光谱范围有明显的减反射作用。

但掩膜层一般要在较高的温度下形成,引起多晶硅材料性能下降,特别对质量较低的多晶材料,少子寿命缩短。应用该工艺在225cm2的多晶硅上所作电池的转换效率达到16.4%。掩膜层也可用丝网印刷的方法形成。 [3]反应离子腐蚀(RIE) 该方法为一种无掩膜腐蚀工艺,所形成的绒面反射率特别低,在450~1000微米光谱范围的反射率可小于2%。仅从光学的角度来看,是一种理想的方法,但存在的问题是硅表面损伤严重,电池的开路电压和填充因子出现下降。 [4]制作减反射膜层 对于高效太阳电池,最常用和最有效的方法是蒸镀ZnS/MgF2双层减反射膜,其最佳厚度取决于下面氧化层的厚度和电池表面的特征,例如,表面是光滑面还是绒面,减反射工艺也有蒸镀Ta2O5, PECVD沉积 Si3N3等。ZnO导电膜也可作为减反材料。 2.2金属化技术 在高效电池的制作中,金属化电极必须与电池的设计参数,如表面掺杂浓度、PN结深,金属材料相匹配。

实验室电池一般面积比较小(面积小于4cm2),所以需要细金属栅线(小于10微米),一般采用的方法为光刻、电子束蒸发、电子镀。工业化大生产中也使用电镀工艺,但蒸发和光刻结合使用时,不属于低成本工艺技术。 [1]电子束蒸发和电镀 通常,应用正胶剥离工艺,蒸镀Ti/Pa/Ag多层金属电极,要减小金属电极所引起的串联电阻,往往需要金属层比较厚(8~10微米)。缺点是电子束蒸发造成硅表面/钝化层介面损伤,使表面复合提高,因此,工艺中,采用短时蒸发Ti/Pa层,在蒸发银层的工艺。另一个问题是金属与硅接触面较大时,必将导致少子复合速度提高。工艺中,采用了隧道结接触的方法,在硅和金属成间形成一个较薄的氧化层(一般厚度为20微米左右)应用功函数较低的金属(如钛等)可在硅表面感应一个稳定的电子积累层(也可引入固定正电荷加深反型)。

另外一种方法是在钝化层上开出小窗口(小于2微米),再淀积较宽的金属栅线(通常为10微米),形成mushroom—like状电极,用该方法在4cm2 Mc-Si上电池的转换效率达到17.3%。目前,在机械刻槽表面也运用了Shallow angle (oblique)技术。上一页 1 2 下一页2.3 PN结的形成技术 [1]发射区形成和磷吸杂 对于高效太阳能电池,发射区的形成一般采用选择扩散,在金属电极下方形成重杂质区域而在电极间实现浅浓度扩散,发射区的浅浓度扩散即增强了电池对蓝光的响应,又使硅表面易于钝化。扩散的方法有两步扩散工艺、扩散加腐蚀工艺和掩埋扩散工艺。目前采用选择扩散,15×15cm2电池转换效率达到16.4%,n++、n+区域的表面方块电阻分别为20Ω和80Ω. 对于Mc—Si材料,扩磷吸杂对电池的影响得到广泛的研究,较长时间的磷吸杂过程(一般3~4小时),可使一些Mc—Si的少子扩散长度提高两个数量级。

在对衬底浓度对吸杂效应的研究中发现,即便对高浓度的衬第材料,经吸杂也能够获得较大的少子扩散长度(大于200微米),电池的开路电压大于638mv, 转换效率超过17%。 [2]背表面场的形成及铝吸杂技术 在Mc—Si电池中,背p+p结由均匀扩散铝或硼形成,硼源一般为BN、BBr、APCVD SiO2:B2O8等,铝扩散为蒸发或丝网印刷铝,800度下烧结所完成,对铝吸杂的作用也开展了大量的研究,与磷扩散吸杂不同,铝吸杂在相对较低的温度下进行。其中体缺陷也参与了杂质的溶解和沉积,而在较高温度下,沉积的杂质易于溶解进入硅中,对Mc—Si产生不利的影响。

到目前为至,区域背场已应用于单晶硅电池工艺中,但在多晶硅中,还是应用全铝背表面场结构。 [3]双面Mc—Si电池 Mc—Si双面电池其正面为常规结构,背面为N+和P+相互交叉的结构,这样,正面光照产生的但位于背面附近的光生少子可由背电极有效吸收。背电极作为对正面电极的有效补充,也作为一个独立的栽流子收集器对背面光照和散射光产生作用,据报道,在AM1.5条件下,转换效率超过19%。 2.4 表面和体钝化技术 对于Mc—Si,因存在较高的晶界、点缺陷(空位、填隙原子、金属杂质、氧、氮及他们的复合物)对材料表面和体内缺陷的钝化尤为重要,除前面提到的吸杂技术外,钝化工艺有多种方法,通过热氧化使硅悬挂键饱和是一种比较常用的方法,可使Si-SiO2界面的复合速度大大下降,其钝化效果取决于发射区的表面浓度、界面态密度和电子、空穴的浮获截面。

在氢气氛中退火可使钝化效果更加明显。采用PECVD淀积氮化硅近期正面十分有效,因为在成膜的过程中具有加氢的效果。该工艺也可应用于规模化生产中。应用Remote PECVD Si3N4可使表面复合速度小于20cm/s。 3 工业化电池工艺 太阳电池从研究室走向工厂,实验研究走向规模化生产是其发展的道路,所以能够达到工业化生产的特征应该是: [1]电池的制作工艺能够满足流水线作业; [2]能够大规模、现代化生产; [3]达到高效、低成本。 当然,其主要目标是降低太阳电池的生产成本。

目前多晶硅电池的主要发展方向朝着大面积、薄衬底。例如,市场上可见到125×125mm2、150×150mm2甚至更大规模的单片电池,厚度从原来的300微米减小到目前的250、200及200微米以下。效率得到大幅度的提高。日本京磁(Kyocera)公司150×150的电池小批量生产的光电转换效率达到17.1%,该公司1998年的生产量达到25.4MW。 (1)丝网印刷及其相关技术 多晶硅电池的规模化生产中广泛使用了丝网印刷工艺,该工艺可用于扩散源的印刷、正面金属电极、背接触电极,减反射膜层等,随着丝网材料的改善和工艺水平的提高,丝网印刷工艺在太阳电池的生产中将会得到更加普遍的应用。 a.发射区的形成 利用丝网印刷形成PN结,代替常规的管式炉扩散工艺。一般在多晶硅的正面印刷含磷的浆料、在反面印刷含铝的金属浆料。
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