（凝聚态物理专业论文）商业化czsi太阳能电池扩散工艺的研究.pdf

i n v e s t i g a t i o no nd i f f u s i o no fc o m m e r c i a lc z s is o l a rc e l l b y w uq i n b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e c o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c s i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw a nq i n g d e c e m b e r , 2 0 1 0 帆32眦7 60m 9iii_m y 湖南大学 学位论文原创性l 声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：罢够 日期：矽p 年厂月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密酿 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：2 d 7 0 年月彤日 日期：沙f 矿年i1 月7 1 7 日 硕f ：学位论文 摘要 目前，能源和环保是世界两大热点。随着经济的发展、社会的进步，人们对 能源提出越来越高的要求，寻找、开发新能源成为当前人类面临的迫切课题。太 阳能是一种清洁的可再生能源，以光伏效应为基础的太阳能电池有着美好的应用 前景。 商业化c z s i 太阳能电池的转换效率最高，技术也最成熟，但生产成本较高。 降低c z s i 太阳能电池的生产成本和提高c z s i 太阳能电池的光电转换效率始终 是研究者和生产商的主要挑战，除了产业化运用新技术外，商业化c z s i 太阳能 电池制作中的工艺优化也是非常重要的，其中扩散工艺在高效、低成本商业化 c z s i 太阳能电池的研究和生产中占据着重要的地位。 本论文首先介绍了太阳能电池的基本原理和商业化c z s i 太阳能电池的生产 工艺；然后从五方面来优化商业化c z s i 太阳能电池的扩散工艺，主要包括扩散 均匀性的研究；单面扩散和双面扩散的对比研究；正电极副栅与方块电阻关系的 研究；3 0 6 0 f l o 的烧结工艺与良品率关系的研究以及商业化高效浅结c z s i 太阳 能电池的研究。利用现有的国产电池片生产线，在不提高生产成本的基础上，能 将c z s i 太阳能电池的转换效率提高0 6 0 8 个百分点，普通电池的转换效率为 1 7 2 ，通过优化最高达到1 8 ，能使商业化c z s i 太阳能电池的经济效益最大化。 此论文的实验都是在商业化c z s i 电池片生产线上实施的，对以后进一步开 展实验及实际生产提供了重要的参考。 关键词：c z s i ；太阳能电池：商业化；扩散工艺 i l 商业化c z s i 太阳能电池扩散t 艺的研究 a bs t r a c t c u r r e n t l y , e n e r g ya n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nb e c o m et h ew o r l d st w oh o ts p o t s w i t he c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n ds o c i a lp r o g r e s s ，p e o p l eh a v er a i s e dh i g h e ra n dh i g h e r e n e r g yr e q u i r e m e n t s ，s os e a r c h i n gf o ra n dd e v e l o p i n gp o l l u t i o n - f r e er e s o u r c e sb e c o m e m o r ea n dm o r eu r g e n t s o l a re n e r g yi st h em o s tp r o m i s i n ge n e r g yr e s o u r c ef o ri t i s c l e a na n dr e n e w a b l e s o l a rc e l l sb a s e do np h o t o e l e c t r i ce f f e c th a v eb e e nw i d e l yu s e d s i n c et h e yw e r ei n v e n t e da n di ti sb e l i e v e dab r i g h tf u t u r ew i t hi n c r e a s i n ge f f i c i e n c y a n dd e c r e a s i n gc o s t t h ep h o t o v o l t a i cc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo fc z s is o l a rc e l l si st h eh i g h e s t ，a n dt h e t e c h n o l o g yi sa l s ot h em o s tm a t u r e ，b u tt h ec o s ti sh i g h r e d u c i n gt h e c o s ta n d i n c r e a s i n gt h ep h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo ft h es o l a r c e l l si sam a j o r c h a l l e n g et or e s e a r c h e r sa n dm a n u f a c t u r e r s i na d d i t i o nt oa p p l y i n gn e wt e c h n o l o g yi n m a n u f a c t u r e ，i m p r o v i n ga n do p t i m i z i n gp r o d u c t i o np r o c e s si sa l s ov e r yi m p o r t a n tt o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fs o l a rc e l l s ，a n dt h ed i f f u s i o nt e c h n i q u ei sm o r ei m p o r t a n t i nr e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r eo fh i g h e f f i c i e n c ya n dl o w - c o s ts o l a rs e l l s t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo fs o l a rc e l la n dt h ec o m m e r c i a lc z - s i s o l a rc e l l p r o d u c t i o n ；t h e ni n t r o d u c e d t h eo p t i m i z a t i o nm e t h o d so fd i f f u s i o n t e c h n o l o g yw h i c hi n c l u d et h er e s e a r c ho fd i f f u s i o nu n i f o r m i t y ；t h ec o m p a r a t i v es t u d y o fo n e s i d e dd i f f u s i o na n dt w o - s i d e dd i f f u s i o n ；t h er e s e a r c ho nt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ef r o n te l e c t r o d eg r i da n ds h e e tr e s i s t a n c e ；t h er e s e a r c ho nt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ey i e l da n ds i n t e r i n go f3 0 6 0 f v d ；a n dc o m m e r c i a ls h a l l o we m i t t e r sc z - s i s o l a rc e l lw i t hh i g he f f i c i e n c y t h ep h o t o v o l t a i cc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo fc z s is o l a r c e l l sh a v eb e e ni m p r o v e db y0 6 - 0 8 f r o m17 2 t o17 8 一18 b yi m p r o v i n g d i f f u s i o nt e c h n o l o g ya n dn o ti n c r e a s i n gt h ec o s tt om a x i m i z et h ee c o n o m i cb e n e f i t s ， e s p e c i a l l yt h ec z s i s o l a rc e l l sa r ef a b r i c a t e di nt h ed o m e s t i cp r o d u c t i o n - l i n ew i t h r e g u l a rp r o c e s s m o s to ft h ee x p e r i m e n t so nt h i sp a p e ra r ei m p l e m e n t e di nc o m m e r c i a lc z - s i s o l a rc e l lp r o d u c t i o nl i n e ，s ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dd a t aw i l lp r o v i d ei m p o r t a n t r e f e r e n c et op r o d u c t i o na n df u r t h e re x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：c z - s i ；s o l a rc e l l ；c o m m e r c i a l ；d i f f u s i o nt e c h n o l o g y i i i 硕l ：学位论文 目录 学位论文原创性声明一i 摘要i i a b s t r a c t i i i 插图索引v i 附表索引v i i i 第l 章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 国内外发展趋势2 1 3 本论文的研究内容及研究意义6 第2 章c z s i 太阳能电池的基本原理。8 2 1 光生伏特效应8 2 2 太阳电池的结构9 2 3 太阳电池的电流电压特性1 0 2 4 描述太阳能电池的参数1 l 2 4 1 短路电流i 。1 l 2 4 2 开路电压v o c 1 l 2 4 3 填充因子f f 1 2 2 4 4 太阳能电池的能量转换效率，7 1 3 2 5 太阳电池的等效电路1 3 2 6 太阳能电池的影响因素及效率提升的方式1 5 第3 章c z s i 太阳能电池的生产工艺1 7 3 1 硅片检测1 7 3 2 表面制绒1 7 3 3 扩散制结1 9 3 4 等离子刻蚀2 2 3 5 去磷硅玻璃2 3 3 6p e c v d 镀减反射膜一2 4 3 7 丝网印刷2 6 3 8 快速烧结2 7 3 9 测试分选2 8 第4 章扩散均匀性的研究2 9 商业化c z s i 太阳能电池扩散丁艺的研究 4 1 扩散均匀性的影响因素2 9 4 2 方块电阻的准确测量3l 4 3 实验3 3 4 4 结论3 6 第5 章单面扩散与双面扩散的研究3 7 5 1 实验3 7 5 2 数据分析及讨论4 0 5 3 结论一：4 2 第6 章正电极副栅与方块电阻的关系4 3 6 1 理论分析4 3 6 2 实验4 6 6 3结果与讨论4 7 6 4 结论5 0 第7 章3 0 6 0 q d 的烧结工艺与良品率的关系5 1 7 1 理论5 l 7 2 实验5 3 7 2 1 实验过程5 3 7 2 2 实验设计5 3 7 3 结论6 l 第8 章商业化高效、浅结c z s i 太阳能电池6 2 8 1 理论分析6 2 8 2 实验6 3 8 3 结果与讨论6 5 8 3 1 发射极结深对方块电阻均匀性的影响6 5 8 3 2 浅结轻掺扩散模式对p n 结性能的影响6 5 8 3 3 浅结电池与细栅技术的关系6 7 8 4 结论6 8 结 论6 9 参考文献7 1 致谢7 5 附录a ( 攻读学位期间所发表的学术论文目录) 7 6 v 硕 ：学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图1 7 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 插图索引 h i t 电池的结构示意图3 h i t 电池实物图3 背面接触电池的结构示意图4 背面接触电池的实物图4 刻槽埋栅电池的结构示意图4 p l u t o 电池的结构示意图5 p a n d a 电池结构示意图5 p n 结光照前后的能带示意图9 太阳能电池的结构示意图1 0 太阳能电池的i v 特性和工作点1 2 光照时太阳能电池的等效电路图1 4 太阳能电池的电流电压关系曲线1 4 光照下太阳能电池电流电压特性曲线1 5 陷光原理1 8 捷佳创的清洗制绒设备1 8 单晶硅制绒扫描电镜图像1 9 三氯氧磷液态源扩散示意图2 0 扩散薄层示意图2 l 四探针测试仪2 1 四探针测量原理2 2 扩散工序的具体步骤2 2 等离子刻蚀和去磷硅玻璃的产业化步骤2 4 p e c v d 工序的具体操作步骤2 5 印刷的原理示意图2 6 印刷电极的三个步骤2 7 操作人员收集烧结后的电池片2 8 软着陆扩散炉设备2 9 软着陆扩散炉的结构示意图3 0 石英吸笔插片方法3 1 抽测位置示意图3 2 测试方式3 2 v i 商业化c z s i 太阳能电池扩散t 艺的研究 图4 6测量点示意图3 2 图5 1双面扩散电池片效率分布图4 l 图5 2 单面扩散电池片效率分布图4 l 图6 1 太阳能电池两细栅电极间的结构示意图一4 6 图6 2 副栅之间的距离随方块电阻升高的变化4 6 图6 3金属电极变窄变高示意图4 7 图6 4 方块电阻与短路电流的关系图4 9 图6 5 方块电阻与开路电压的关系图4 9 图6 6 方块电阻与填充因子的关系图5 0 图6 7 方块电阻与转换效率的关系图5 0 图7 1烧结炉的结构示意图5 4 图7 2实验1 的光电转换效率分布图5 6 图7 3 实验2 的光电转换效率分布图5 8 图7 4实验3 的光电转换效率分布图5 9 图7 5实验4 的光电转换效率分布图6 l 图7 6 实验5 的光电转换效率分布图6 2 图7 7 实验6 的光电转换效率分布图6 3 图8 1c z s i 制绒后的扫描电镜图像6 3 图8 2 裸硅、制绒后以及沉积氮化硅后的反射率对比图6 8 图8 3 8 0 f 2 oc z s i 密栅电池的图片7 0 图8 4 c e l ln o 1 的i v 曲线图7 l v i i 硕 学位论文 附表索引 表3 1氮化硅颜色和厚度对照表2 5 表4 1最初工艺的数据3 3 表4 2 小氮流量变化后的数据3 4 表4 3大氮流量变化后的数据3 5 表4 4 大氮和小氮流量同时变化后的数据3 5 表4 5 大氮流量再次变化的数据3 6 表5 1双面扩散抽测的方块电阻值3 8 表5 2 单面扩散抽测的方块电阻值3 9 表6 1标准测试条件下测得的电性能数据4 8 表7 1实验l 的电性能数据5 6 表7 2 实验2 的电性能数据5 8 表7 3实验3 的电性能数据5 9 表7 4 实验4 的电性能数据6 0 表7 5 实验5 的电性能数据6 2 表7 6 实验6 的电性能数据6 3 表8 16 0 d i n 的方块电阻数据6 6 表8 28 0 q 口的方块电阻数据6 6 表8 34 0 d i n ，6 0 f 2 m ，8 0 q t a 电池片的电性能数据6 8 v i i i 硕十学位论文 第1 章绪论 太阳能是人类取之不尽、用之不竭的可再生能源，也是清洁能源，不产生任 何的环境污染。在太阳能的有效利用当中，太阳能光电利用是近些年来发展最快， 最具活力的研究领域。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理 是利用光电材料吸收光能后发生光电转换。 1 1 研究背景 能源危机是人类发展所面临的最严峻的挑战之一，一方面是国际原油价格节 节攀升，在短短的十年之内上升了近十倍，达到了目前的8 0 美元桶。另一方面， 全球化石燃料面临枯竭，中国的情况更是远低于全球平均储量。 现在人类大规模利用的能源主要分为三大类，即火电、水电和核电【。 火电需要燃烧煤、石油等化石燃料。一方面化石燃料蕴藏量有限、越用越少， 正面临着枯竭的危险，可持续发展前景暗淡。据估计，全世界石油资源再有3 0 年便将枯竭。另一方面火力发电污染很大，燃烧这些化石燃料都将排出c 0 2 和硫 的化合物等，因此会导致温室效应和酸雨，恶化地球环境。我国的情况尤为突出， 其s 0 2 排放全球第一、c 0 2 排放全球第二的现状与经济高速发展3 0 年的巨大成 就同样引起了世界的瞩目，在享受经济高速发展成果的同时，承受的环保压力则 越来越大，迫切需要改变能源结构形式。 水力发电干净无污染，发电成本最低，属于可再生能源。但是，水力发电有“看 天吃饭”的说法，一个国家的水力资源也是有限的，而且还要受季节的影响。多数 水力发电皆须投资兴建水库等设施来达成发电效益，兴建开发过程亦可能对环境 产生冲击，有可能导致生态环境破坏，并且中国可利用的水力资源也越来越少。 核电用的核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的 燃料体积小，运输与储存都很方便，核电在正常情况下固然是干净的。但核能电 厂投资成本太大，且核电厂的反应器内有大量的放射性物质，如果在事故中释放 到外界环境，会对生态及民众造成伤害，一旦发生核泄漏，后果非常严重。另外， 核燃料的储存量也是非常有限的，其自然存量仅能开采1 3 年。 这些都迫使人类去寻找、开发新能源。新能源要同时符合两个条件：一是蕴 藏丰富不会枯竭；二是安全、干净，不会威胁人类和破坏环境。目前大规模开发 利用的新能源主要有两种，一是太阳能，二是风能。其中，最理想的新能源是大 阳能。照射在地球上的太阳能非常巨大，大约4 0 分钟照射在地球上的太阳能，便 c z s i 太阳能i 乜池扩散t 艺的研究 足以供全球人类一年能量的消耗。可以说，太阳能是真正取之不尽、用之不竭的 能源。而且太阳能发电绝对干净，不产生公害。所以太阳能发电被誉为是最理想 的清洁能源。 哥本哈根会议的召开正式宣告了低碳经济时代的到来，中国承诺，到2 0 2 0 年单位g d p 的二氧化碳排放，将比2 0 0 5 年下降4 0 4 5 。据了解，正在制订的 新兴能源产业发展规划提出到2 0 2 0 年，可再生能源消费占一次能源消费比重 的比例要达到1 5 ，太阳能发电要达到2 0 g w 。而截至2 0 0 8 年，我国太阳能发电 仅为o 1 4 5 g w ，据此简单测算，未来十年间，太阳能发电将增长一百倍以上。 事实上，政府对太阳能发电业也寄予了厚望【2 训。2 0 1 0 年3 月，财政部、住 建部印发通知，确定对光电建筑2 0 0 9 年的补助标准为2 0 元瓦。2 0 0 9 年7 月， 财政部、科技部、国家能源局发出关于实施金太阳示范工程的通知，提出对 光伏并网项目和无电地区离网光伏发电项目分别给予5 0 及7 0 的财政补贴。 目前晶体硅太阳能电池的应用最广泛，技术也最成熟，但要使太阳能发电具 有更大的市场，被广大的消费者接受，提高晶体硅太阳电池的光电转换效率，降 低生产成本仍是我们追求的最大目标。 1 2 国内外发展趋势 太阳能光伏发电推广的最大制约因素仍然是发电成本。一般认为，太阳能电 池要想获得大面积应用，价格需要降低到现在的三分之- - n 五分之一。组件价格 要降低到每瓦1 美元以下，发电成本一般要降到每度电l o 美分以下。巨大的价格 压力，向太阳能电池及其上游硅材料制造企业提出了挑战。 晶体硅太阳能电池是目前和未来十年内市场的主力，提高晶体硅太阳能电池 的转换效率，意味着同样面积的太阳能电池可以发出更多的电力，相应地也就降 低了成本。目前，单晶硅太阳电池理论极限效率值为3 1 ，单晶硅太阳电池的最 高实验室效率可达2 4 1 5 j 以上，规模化生产的单晶硅太阳电池已达1 7 - 1 8 ， 离实验室最高效率2 4 7 ，仍有6 - 7 个百分点的上升空间。探索影响太阳能电池 转换效率的因素和相关的工艺，将成熟的实验高效晶体硅电池技术应用到太阳电 池的产业化中是目前国内外大型太阳能电池企业的主要研发任务。高效晶体硅太 阳电池产业化关键技术的研究主要包括陷光，钝化，多层减反射膜、电极金属化、 背电极等几个方面，这些都需要进一步研究和开发新工艺，新设备。 目前产业化较好的高效晶体硅太阳能电池，主要有日本三洋的h i t 电池，美 国s u n p o w e r 的全背接触电池，正面刻槽埋栅电池，无锡尚德的p l u t o 电池，保定英 利的p a n d a 电池等。 硕 ：学位论文 h i t ( h e t e r o - j u n c t i o nw i t hi n t r i n s i ct h i nl a y e r ) 电池【6 q i j 技术主要为日本三洋公 司所有，图1 1 是h i t 电池的结构示意图，h i t 非晶硅异质结电池采用非晶硅薄 膜来钝化电池的正、背面，在异质结中加入一本征非晶硅层可进一步提高表面钝 化的性能，从而进一步提高开路电压。2 0 0 9 年5 月，三洋公司通过充分利用非晶 硅钝化技术和n 型衬底的优越性，其h i t 电池效率已经做到2 3 ，图1 2 是h i t 电池的实物图，商业平均转换效率可以达到1 9 5 。这种电池具有结构性优秀、 温度系数低、生产成本低廉、转换效率高等优点，所以在光伏市场受到青睐。 扣s 潞l ? a , - s i ：h 熹 t c o 图1 1 h it 电池的结构示意图 图1 2h i t 电池买物图 美国s u n p o w e r 公司利用全背电极提高电池正面太阳光的利用率，其位于菲 律宾的生产线商业化电池转换效率已达到1 9 9 。该电池完全采用背电极接触方 式，正负极交叉排列在背面，正面没有任何遮挡，p n 结位于背面，其结构示意图 如图1 3 所示。为降低生产成本，s u n p o w e r 将其聚光电池加以简化，开发出一种 采用丝网印刷工艺的低成本背面接触电池，其实物图如图1 4 所示，从图中可看出， 电极都在背面，正面没有任何电极遮挡。 c z s i 太阳能电池扩散t 艺的研究 图1 3 背面接触电池的结构示意图 图1 4 背面接触电池的实物图 刻槽埋栅电池也是为了增加吸收光的表面积而设计，其结构示意图如图1 5 所示，这种电池结构的主要特点是表面电极通过化学镀埋在硅衬底的沟槽里，电 极与沟槽接触部位采用重掺杂，表面的其它地方进行淡磷扩散，在此方面新南威 尔士大学和北京太阳能研究所的转换效率分别为1 9 8 和1 8 6 。 图1 5 刻槽埋栅电池的结构示意图 无锡尚德的p l u t o 技术是由澳大利亚新南威尔士大学研发的p e r l 技术，这 种技术在实验室中已达n t i , j 纪录的2 5 效率。图1 6 是p l u t o 电池的结构示意图， p l u t o 技术与传统的丝网印刷技术相比能提高电池的功率输出近1 2 。独特的湿法 织构化技术具有更低的反射率，即便在太阳光不是直射情况下能确保吸收更多的 硕l j 学位论文 太阳光线，另外表面更窄的金属引线能减少阴影的损失。据公司公开资料显示， 单晶硅太阳电池平均转化率为1 8 以上，多晶硅太阳电池产业平均转化率为 1 6 5 以上。尚德电力还预计在两年内将这两个数据改写为2 0 和1 8 ，分别领 先世界2 1 和1 6 。 图1 6p i u t o 电池的结构示意图 保定英利的p a n d a 电池是和e c n 荷兰能源研究中心合作开展的，该p a n d a 电池采用n 型硅片；其核心技术是e c n 的n 型电池结构设计，t e m p r e s s 的扩散 工艺和d r yp s gr e m o v a l ( 干法去磷硅玻璃) 专利技术。图1 7 是其结构示意图， 2 0 1 0 年3 月，据新闻报道称熊猫n 型高效电池平均转换效率达到1 8 5 ，宣称 即将通过3 0 0 兆瓦“熊猫”单晶完整产业链生产线，实现规模化生产。 r b t y p q 栩i 秘8 女 细p a s s h t z c d o nl a y e r 图1 7p a n d a 电池的结构示意图 如果保持生产成本不变而将转换效率从1 8 提高到2 4 ，则每瓦成本降低 2 5 。在研究如何提高太阳电池效率的过程中，一个很重要的问题就是，实验室 工艺和产业化的生产工艺差距很大，实验室工艺虽然可以获得非常好的效率，但 工艺复杂，设备和生产成本高，对操作人员素质及工作环境要求也相应提高，成 本上升带来的负面影响抵消甚至超过了效率提高的j 下面效果。产业化的生产工艺 c z - s i 太阳能电池扩散t 艺的研究 是为实现低成本大规模生产设计的，虽然可以满足工业化生产的要求，但却容易 造成效率下降。因此，在实验室工艺和产业化生产工艺之间如何寻找平衡点，是 一个关键问题。 s a n y o 的低温h i t 电池，s u n p o w e r 的丝网印刷背接触电池，尚德的p l u t o 电 池，英利的p a n d a 电池通过简化实验室工艺，实现了商业化量产，并且将光电转 换效率提高了2 3 个百分点，但整体工艺较复杂，成本较高，背接触电池还需要 专门的封装技术，整体来看，目前并没有真正实现低成本高效的目标。 1 3 本论文的研究内容及研究意义 提高太阳能电池的效率始终是研究者和生产商的主要挑战，除了产业化运用 新技术外，太阳能电池制作中的工艺优化也是非常重要的，虽然产业化出现了一 些高效c z s i ( 直拉法得到的单晶硅) 太阳能电池的生产线，但其主流方向仍然 是常规c z s i 太阳能电池生产线，目前国内9 0 以上的c z s i 太阳能电池生产线 都是常规生产线，虽然常规生产线的采用普通的设备，但太阳能电池制造过程中 采取不同的工艺，其转换效率有很大的不同，所以通过优化晶硅太阳电池的制造 工艺来改进电池片的效率，这甚至是在不提高生产成本的基础上利用现有资源提 高电池效率的最佳方法之一。 常规c z s i 太阳能电池制备工艺中最为关键的步骤是通过扩散制备n 型发射 极与硅衬底构成p n 结，p n 结是太阳能电池的心脏，发射极制结的好坏很大程度 上决定了太阳电池的性能。 基于这一关键工艺，本学位论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 扩散均匀性的研究 ( 2 ) 单面扩散和双面扩散的对比研究 ( 3 ) 正电极栅线与方块电阻关系的研究 ( 4 ) 3 0 6 0 f 2 o 的良品率与烧结关系的研究 ( 5 ) 商业化高效浅结太阳能电池的研究 对于扩散工序而言，太阳能电池产业化所面临的重要问题之一是如何保障扩 散的均匀性，扩散均匀性好的电池，其后续工艺参数可控性高，可以较好地保证 电池电性能和参数的稳定性。本论文的第一个研究内容是扩散方块电阻均匀性的 研究，通过实验探索，得出一种适用于类似扩散设备的调试方块电阻均匀性的方 法。 太阳能电池产业化所面临的另一重要问题是如何在保证高转换效率前提下提 高产能，扩散的方式有两种，单面扩散和双面扩散，而单面扩散就是提高产能很 好的方式，但相对于双面扩散它的效率却稍微偏低，本论文的第二个研究内容是 硕j ：学位论文 通过实验对比，进一步分析单面扩散和双面扩散的利弊，得出最适合产业化的扩 散模式。 要尽可能的使太阳电池转换效率最高，必须要对正面栅电极进行优化设计， 不仅使其遮光面积最小，而且要与发射区形成良好的欧姆接触，使其充分收集电 流。这其中最重要的一部分是匹配好方块电阻与正电极副栅条数的关系。现在国 内产业化的方块电阻一般为4 0 4 5 q o ，大多数太阳能电池工厂都使用5 4 条副栅 的网版，而5 4 线网版的最佳方块电阻是否为4 0 4 5 f 2 n ，值得研究，本论文的第 三个研究内容是通过实验来寻找最适合正电极副栅为5 4 线网版的方块电阻值，从 而得出方块电阻大小与正电极副栅的内在关系。 在c z s i 太阳能电池的大规模生产中，电池片的良品率是评价产业化模式是 否为最佳的重要依据之一，烧结工艺是最终确定良品率的重要因素，而烧结工艺 又是依据方块电阻的大小来定，本论文第四个研究内容是找到适合3 0 6 0 f 2 m 的产 业化烧结工艺，使c z s i 太阳能电池的经济效益最佳。 现在的太阳能电池不能被广泛应用的主要原因是成本太高，将太阳能电池的 成本降到与普通电力相当是太阳能电池生产商的主要目标。本论文的最后一个研墨 究内容是商业化高效浅结c z s i 太阳能电池，这种浅结电池制造工艺简单，可以 应用于国内的各条常规生产线，不额外增加设备成本，能将太阳能电池的转换效 率提高到l8 。 此论文的实验都是在产业化常规c z s i 电池片生产线上实施的，其得到的结 论较客观，对常规c z s i 太阳能电池生产线具有很大的参考价值。 c z s i 太阳能电池扩散1 = 艺的研究 第2 章c z s i 太阳能电池的基本原理 通常的发电系统如火力发电，就是燃烧石油或煤以其燃烧能来加热水，使之 变成蒸汽，推动发电机发电。原子能发电则是以核裂变放出的能量代替燃烧石油 或煤，而水力发电则是利用水的落差能使发电机旋转而发电。太阳能电池发电的 原理是全新的，与传统方法完全不同，既没有马达旋转部分，也不会排出气体， 是清洁无污染的发电方式。 2 1 光生伏特效应 太阳电池能量转换的基础是p n 结的光生伏特效应【l 引。当p 型半导体和a 型 半导体结合在一起形成p n 结时，由于多数载流子的扩散，形成了空间电荷区，从 而在结区形成一个由n 区指向p 区的内建电场。内建电场又使多数载流子反向漂 移，当扩散电流和漂移电流相等时，p n 结达到了平衡。只要光子的能量等于或大 于e g ( 禁带宽度，晶体硅的禁带宽度为1 1 2 e v ) ，光子照射入半导体内，把电 子从价带激发到导带，在价带中留下一个空穴，产生了一个电子空穴对。被激发 的电子有一种自发的倾向，重新跳回价带与空穴复合，把吸收的能量放掉，恢复 平衡位置。所以，必须在电子和空穴复合前把电子和空穴分开，使它们不会再复 合，实现光转换成电的目的；即我们通常所说的，提高电池的转换效率必须设法 减少少数载流子在太阳电池内的复合，从而增加少数载流子的寿命。这个分离作 用可通过p n 结的空间电荷区来实现。界面层附近的电子和空穴在复合之前，在空 间电荷的电场作用下相互分离。n 区的空穴向p 区运动，而p 区的电子向n 区运 动，最后造成在太阳电池受光面( 上表面) 有大量负电荷( 电子) 积累，而在电 池背光面( 下表面) 有大量正电荷( 空穴) 积累。如在电池上、下表面做上金属 电极，并用导线接上负载，在负载上就有电流通过。只要太阳光照不断，负载上 就一直有电流通过，这就是光生伏特效应。此时，如果将外电路短路，则外电路 中就有与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称作短路电流，另一方面， 若将p n 结两端开路，则由于电子和空穴分别流入n 区和p 区，使n 区的费米能级 比p 区的费米能级高，在这两个费米能级之间就产生了电位差v o c 。，可以测得这 个值，并称为开路电压。由于此时结处于正向偏置，因此，上述短路光电流和二 极管的正向电流相等，并由此可以决定v o c 的值。 图2 1 所示为p n 结光照前后的能带示意刚1 3 j 。图2 1 ( a ) 为p n 结光照前的能 带示意图，平衡时，由于内建电场，能带发生弯曲，空间电荷区两端的电势差为 硕上学位论文 q v d ( v d 是p n 结的接触电势差) ，当能量大于禁带宽度的光垂直照射在p n 结上时， 会产生电子一空穴对。图2 1 ( b ) 是p n 结有光照时的能带示意图，在内建电场的作 用下，p 型半导体中的光照产生的电子将流向n 型半导体，而n 型半导体中的空 穴将流向p 型半导体，形成了从n 型半导体到p 型半导体的光生电流i l ，同时导 致光生电势和光生电场的出现。而光生电场的方向是从p 型半导体指向n 型半导 体，与内建电场方向相反，类似于在p n 结上加上了正向的外加电场，使得内建电 场的强度降低，空间电荷区宽度变窄，导致载流子扩散产生的电流大于漂移产生 的电流，从而产生了净的正向电流。如果设内建电场强度为v d ，光生电势为v p ， 则空间电荷区的势垒高度降低q ( v d v p ) 。从以上的分析可以看出，形成光生电流 i l 只来自非平衡少数载流子的贡献，即p 区中的电子，n 区中的空穴；能带弯曲 部分对n 区和p 区的多子而言均为势垒，即起阻挡层作用。 、1 。t il ，一 g t 69 9ee姆晦 p 奄彤国0 e6q 妒9oe e伊9 n 区空阀幅p 区 ii 龟9 6 e 爸60 6 , 垦ob