（材料物理与化学专业论文）太阳能电池用αsicx：h薄膜的制备与性能研究.pdf

浙江理工大学学位论文版权使用授权书 j i f | i | | i i | | i | i f f | i i i | | i i 川 y 17 4 7 5 2 6 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，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 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 保密口，在 不保密d 。 学位论文作者签名：另长饬翻 日期：刃d 年乡月7 日 年解密后使用本版权书。 指导教师签名：涛彩吨 日期：2 。l 。年丐月7 日 浙江理工大学硕士学位论文 太阳能电池用伍s i c x ：h 薄膜的制备与性能研究 摘要 高效率低成本的晶体硅太阳能电池的制备对于大规模利用太阳能发电有着十分重要 的意义。制备性能优良的减反射钝化薄膜是生产高效率低成本晶体硅太阳电池的重要工序 之一。采用p e c v d ( 等离子体增强化学气相沉积) 设备制备的硅太阳能电池减反射钝化膜， 除了能够减少电池对太阳光的反射，还能起到钝化硅片的作用，进而提高电池的转换效率。 本文研究了一种新型的太阳能电池减反射钝化膜刊s i c x ：h 薄膜。采用p e c v d 设 备，以硅烷( s i h 4 ) 和甲烷( c h 4 ) 为气源制备了具有减反射和钝化作用的a s i c x ：h 薄膜。首先， 系统地研究不同衬底温度、射频功率、气源流量比对仅s i c x ：h 薄膜表面形貌、化学结构、 光学带隙等性能的影响，并对薄膜的成膜机理和结构模型进行了探讨；其次，对a s i c x ：h 薄膜应用于晶体硅太阳能电池的减反射性能进行了研究；最后，探讨了a s i c x ：h 薄膜对单 晶硅片和多晶硅片的钝化作用。主要实验结果如下： 1 衬底温度、s i h 4 c h 4 流量比及射频功率对p e c v d 沉积a s i c x ：h 薄膜的形貌、化 学结构以及光学性能有很大影响。随着衬底温度的升高，薄膜致密度增加，s i c 键含量增 大，生长速率降低，折射率增大，光学带隙变窄；随着s i h 4 c h 4 流量比的增大，薄膜生长 速率降低，光学带隙变宽，粗糙度先降低后升高，并且，当s i h 4 c h 4 流量比为1 ：2 时，薄 膜致密度最高；随着射频功率增大，薄膜致密度增加，s i c 键含量增大，折射率增大，光 学带隙变宽，薄膜生长速率先增后稳。 2 对q s i c 。：h 薄膜的减反射性能进行了研究和讨论。正交优化实验结果表明，制备减 反射性能优良的仅s i c x ：h 薄膜的最佳条件为：衬底温度2 5 0o c ，s i h 4 c h 4 流量比为1 ：3 ， 射频功率3 5w 。在优化实验结果的指导下，研究了最优条件下制备的n s i c x ：h 薄膜的减 反射性能，发现此薄膜有很低的反射率和良好的透过率。比较a s i n x ：h 薄膜和a - s i c x ：h 薄 膜的光学性能后，发现s i c x ：h 薄膜和a s i n x ：h 薄膜一样，具有良好的减反射性能。 3 仅s i c x ：h 薄膜能提高单晶硅和多晶硅的少子寿命，具有表面钝化和体钝化的双重作 用。随着衬底温度的升高，衬底材料的少子寿命明显增大，a - s i c x ：h 薄膜的钝化效果增强。 在3 0 0o c 时达到最优，随后有所降低。随着s i h 4 与c h 4 流量比的增大，仅s i c x ：h 薄膜钝 化效果而增强。射频功率的变化对a - s i c x ：h 薄膜钝化效果的影响不明显，单晶硅片和多晶 硅片的少子寿命略有升高。 关键词：太阳能电池；非晶碳化硅薄膜：p e c v d ；减反射；钝化 浙江理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h ep r e p a r a t i o na n dp r o p e r t i e so f a m o r p h o u ss i l i c o n c ar b i d ef i l m sf o rs o l a rc e l l s a b s t r a c t h i g he f f i c i e n c ya n dl o wc o s tc r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l sa r ev e r yi m p o r t a n tf o rt h e l a r g e - s c a l ea p p l i c a t i o no fs o l a re n e r g y p r e p a r a t i o no ft h ea n t i r e f l e c t i o np a s s i v a t i o nf i l mw i t h e x c e l l e n tp e r f o r m a n c ei so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tp r o c e s s e si n t h e p r o d u c t i o n o f h i 曲。e f f i c i e n c yc r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l s b e s i d e st h er e d u c t i o no ft h es u n l i g h tr e f l e c t i o n ，t h e a n t i 。r e f l e c t i o np a s s i v a t i o nf i l m sa l s op l a ya ni m p o r t a n tr o l e i n t h es u r f a c e p a s s i v a t i o na n d e f f e c t i v ei m p r o v e m e n to ft h ec e l lc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y t h i sw o r ks t u d i e san e wa n t i r e f l e c t i o na n dp a s s i v a t i o nf i l m h y d r o g e n a t e da m o r p h o u s s i l i c o nc a r b i d et h i nf i l m b yu s i n gp e c v dm e t h o da n dt h ep r e c u r s o r so fs i l a n ea n dm e t h a n e ， h y d r o g e n a t e da m o r p h o u ss i l i c o nc a r b i d et h i nf i l mw i t he x c e l l e n ta n t i - r e f l e c t i v ea n dp a s s i v a t i o n e f f e c t sw a sp r e p a r e d f i r s t ，t h ee f f e c t so fd e p o s i t i o nt e m p e r a t u r e ，t h ef l o wr a t i oo fs i l a n et o m e t h a n ea n dt h er f p o w e ro nt h es u r f a c em o r p h o l o g y , c h e m i c a ls t r u c t u r ea n do p t i c a lp r o p e r t i e s o fh y d r o g e n a t e da m o r p h o u ss i l i c o nc a r b i d et h i nf i l m sw e r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d t h e n ，t h ef i l m f o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dm o d e l sw e r ed i s c u s s e d s e c o n d l y ，t h ea n t i r e f l e c t i o ne f f e c t so f h y d r o g e n a t e da m o r p h o u ss i l i c o nc a r b i d et h i nf i l m su s e di ns o l a rc e l l sw e r es t u d i e d f i n a l l y , w e s t u d i e dt h ep a s s i v a t i o no fh y d r o g e n a t e da m o r p h o u ss i l i c o nc a r b i d et h i nf i l m sp r e p a r e do n d i f f e r e n ts u b s t r a t e s a c c o r d i n gt oo u r s t u d i e s ，t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 m o r p h o l o g y , c h e m i c a ls t r u c t u r ea n do p t i c a lp r o p e r t i e sa r eg r e a t l ya f f e c t e db ys u b s t r a t e t e m p e r a t u r e ，t h ef l o wr a t i oo fs i h 4 c h 4a n dr fp o w e ro fp e c v d i tw a sf o u n dt h a t ，t h ed e n s i t y o fa s d e p o s i t e df i l m si n c r e a s e d ，c o n t e n to fs i - cb o n di n c r e a s e d ，t h ed e p o s i t i o nr a t ed e c r e a s e d ， t h er e f r a c t i v ei n d e xi n c r e a s e da n dt h eo p t i c a lb a n dg a pd e c r e a s e dw i t l lt h ei n c r e a s eo fs u b s t r a t e t e m p e r a t u r e a st h ef l o wr a t i oo fs i h 4 c i - 1 4i n c r e a s e d ，t h ed e p o s i t i o nr a t ed e c r e a s e d ，t h eo p t i c a l b a n dg a pw a sw i d e r , a n dt h er o u g h n e s sf i r s td e c r e a s e da n dt h e ni n c r e a s e d w h e nf l o wr a t i oo f s i h 4 c h 4w a s1 ：2 ，t h ed e n s e s tf i l mw a so b t a i n e d w i t ht h ei n c r e a s eo fr fp o w e r , t h ed e n s i t yo f a s - d e p o s i t e df i l m si n c r e a s e d ，c o n t e n to fs i - cb o n di n c r e a s e d ，t h er e f r a c t i v ei n d e xi n c r e a s e d ，t h e o p t i c a lb a n dg a pw a sw i d e r ，a n dt h ed e p o s i t i o nr a t ef i r s ti n c r e a s e da n dt h e ns t a b i l i z e d 2 t h ea n t i - r e f l e c t i v ep r o p e r t i e so fh y d r o g e n a t e da m o r p h o u ss i l i c o nc a r b i d et h i nf i l m sw e r e 1 1 浙江理工大学硕士学位论文 s t u d i e da n dd i s c u s s e d o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e o p t i m a le x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n so fp r e p a r e do p t i m i z a t i o na n t i r e f l e c t i v et h i nf i l m sw e r e ：s u b s t r a t et e m p e r a t u r ei s2 5 0 o c ，f l o wr a t er a t i oi s1 ：3 ，a n dr fp o w e ri s3 5w u n d e rt h eg u i d a n c eo fo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，w es t u d i e dt h ea n t i r e f l e c t i v ep r o p e r t i e so ft h et h i nf i l m sp r e p a r e du n d e ro p t i m a l c o n d i t i o n s w ef o u n dt h a th y d r o g e n a t e da m o r p h o u ss i l i c o nc a r b i d et h i nf i l mh a sv e r yl o w r e f l e c t i v i t ya n dg o o dt r a n s m i s s i o n i nc o m p a r i s o no ft h es i na n ds i ct h i nf i l m s ，w ef o u n dt h a t s i ct h i nf i l m sh a v et h es a m ea n t i r e f l e c t i v en a t u r ea ss i nt h i nf i l m s 3 h y d r o g e n a t e da m o r p h o u ss i l i c o nc a r b i d et h i nf i l mc a ne n h a n c et h em i n o r i t yc a r t i e r l i f e t i m ea sw e l la st h ed u a lr o l eo fs u r f a c ep a s s i v a t i o na n db u l kp a s s i v a t i o n a st h es u b s t r a t e t e m p e r a t u r ei n c r e a s e d ，t h em i n o r i t yc a r r i e rl i f e t i m eo fs u b s t r a t ei n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l ya n dt h e p a s s i v a t i o ne f f e c to ft h i nf i l mw a ss t r e n g t h e n e d w h e nt h es u b s t r a t et e m p e r a t ew a s3 0 0o c ，t h e b e s tp a s s i v a t i o ne f f e c tw a so b t a i n e d ，a n dt h e nd e c r e a s e d t h e p a s s i v a t i o ne f f e c ti n c r e a s e dw i t h t h ei n c r e a s eo ft h ef l o wr a t i oo fs i h 4 c h 4 w i t ht h ei n c r e a s eo fr f p o w e r , t h ep a s s i v a t i o ne f f e c t d i d n t c h a n g er e g u l a r l y m i n o r i t yc a r r i e rl i f e t i m eo f b o t h m o n o c r y s t a l l i n es i l i c o na n d p o l y c r y s t a l l i n es i l i c o ns a m p l e si n c r e a s e dal i t t l e k e y w o r d s ：s o l a rc e l l ；a m o r p h o u ss i l i c o nc a r b i d ef i l m ；p e c v d ；a n t i r e f l e c t i o n ；p a s s i v a t i o n 浙江理工大学硕士学位论文 目录 摘，荽一i a b s t r a c t j i i 目j 畏1 1 0 r 第l 章绪论l 1 1 引言1 1 2太阳能电池的发展、原理和工艺3 1 2 1太阳能电池的发展现状与趋势3 1 2 2 太阳能电池的发电原理5 1 2 3 太阳能电池的制造工艺7 1 3 太阳能电池减反射钝化薄膜原理10 1 3 1 减反射原理l o 1 3 2 钝化原理1 2 1 4 晶体硅太阳能电池减反射钝化薄膜的研究进展及存在问题一1 3 1 4 1 减反射钝化薄膜的种类及发展历史1 3 1 4 2 减反射钝化薄膜的存在问题1 4 1 5 a s i c x ：h 薄膜的研究进展15 1 5 1 a s i c x ：h 的性质1 5 1 5 2 伍s i c x ：h 的研究进展15 1 6课题研究的意义、目的与内容1 5 1 6 1 课题研究意义与目的15 1 6 2 课题研究内容16 1 7本章小结1 6 第2 章实验方法、过程与测试方法一17 2 1p e c v d 沉积设备l7 2 1 1 p e c v d 设备的结构1 7 2 1 2p e c v d 设备的工作原理18 2 2实验内容18 2 2 1 实验材料准备18 i v 浙江理工大学硕士学位论文 2 2 2 衬底的清洗1 9 2 2 3薄膜制备步骤2 0 2 2 4 沉积条件对薄膜性质影响实验2 1 2 2 5 减反射性能研究实验2 2 2 2 5 1 优化实验2 2 2 2 5 2 减反射性能研究实验2 4 2 2 5 3 与氮化硅减反射性能对比实验2 4 2 2 6 钝化实验2 4 2 3 性能测试设备2 4 2 3 1 扫描电子显微镜( s e m ) 2 5 2 3 2 电子能谱仪( e d s ) 2 5 2 3 3原子力显微镜( a f m ) 2 5 2 3 4 傅立叶转换红外光谱仪( f t i r ) 2 5 2 3 5x 光电子能谱仪( x p s ) 2 5 2 3 6 紫外可见近红外分光光谱仪2 6 2 3 7 光学膜厚测试仪2 6 2 3 8 微波光电子衰减仪( 斗p c d ) 2 7 2 3 9x 射线衍射仪( x 】妞i ) 2 7 2 4本章小结2 7 第3 章p e c v d 沉积条件对a s i c x ：h 薄膜性质影响研究2 8 3 1 衬底温度对0 【一s i c x ：h 薄膜结构和性能的影响2 8 3 1 1 不同衬底温度下a s i q ：h 的表面形貌一2 8 3 1 2 不同衬底温度下a s i c x ：h 薄膜的化学结构2 9 3 1 3 衬底温度对a - s i c 。：h 薄膜生长速率的影响一3 2 3 1 4 不同衬底温度下a s i c x ：h 薄膜的折射率3 2 3 1 5 不同衬底温度下q - s i c x ：h 的光学带隙( e g ) 3 3 3 2 s i h 4 与c h 4 流量比对a - s i c x ：h 薄膜结构和性能的影响3 4 3 2 1 不同流量比下a s i c x ：h 薄膜的表面形貌3 4 3 2 2 不同流量比下a s i c x ：h 薄膜的化学结构3 5 3 2 3 流量比对a s i c x ：h 薄膜生长速率的影响一3 7 3 2 4 不同流量比下a s i c x ：h 薄膜的折射率3 7 v 浙江理工大学硕士学位论文 3 2 5 不同流量比下q s i c x ：h 薄膜的光学带隙( e g ) 3 8 3 3 射频功率对q s i c x ：h 薄膜结构和性能的影响3 9 3 3 1 不同射频功率下a s i c x ：h 薄膜的表面形貌3 9 3 3 2 不同射频功率下q s i c x ：h 薄膜的化学结构4 0 3 3 3 射频功率对a s i c x ：h 薄膜生长速率的影响4 1 3 3 4 不同射频功率下a s i c x ：h 薄膜的折射率4 1 3 3 5 不同射频功率下a s i c x ：h 薄膜的光学带隙( e g ) 4 2 3 4 仅s i c x ：h 薄膜沉积机理讨论4 3 3 5本章小结4 7 第4 章a s i c x ：h 薄膜减反射性能研究4 8 4 1优化实验结果分析4 8 4 2 减反射性能研究4 9 4 3 与氮化硅减反射膜的对比5 1 4 4本章小结5 2 第5 章q s i c x ：h 薄膜对不同衬底的钝化效果研究5 3 5 1 不同衬底温度下制备的0 【s i c x ：h 薄膜的钝化效果5 5 5 2 不同气体流量比下制各的0 【s i c x ：h 薄膜的钝化效果5 5 5 3 不同射频功率下制备的0 【s i c x ：h 薄膜的钝化效果5 6 5 4 本章小结5 7 第6 章结论与展望5 8 参考文献6 0 j l 定谢6 7 攻读硕士学位期间发表的论文及申请的专利情况6 8 浙江理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 随着人类社会和文明的发展，能源消耗量在不断的上升。不可再生能源( 煤炭、石油、 天然气等) 日渐枯竭，传统能源濒临危机( 如图1 1 所示) 【l 】。1 9 7 3 年发生的石油危机使人 类意识到不可再生能源的有限性。此外，传统的能源消耗过程中释放有害气体，对环境造 成的危害日益严重。新能源的开发和利用势在必行。 图1 1 世界和中国各种能源储量比较 要使人类可持续稳定发展，必须优化现有的资源和能源结构，解决环境与能源之间的 突出问题。这时候，可再生能源得到了全世界的广泛关注。在众多新能源和可再生能源中， 太阳能以其独有的优势受到世界各国的青睐。被称之为“绿色能源 的太阳能，具有一系 列独特的优点。首先，它清洁、干净，不污染环境，并且没有地域和资源的限制，分布广 泛。其次，太阳能资源无限，取之不尽、用之不竭。因此，太阳能必将在能源结构转换中 起到举足轻重的作用，是人类解决能源和环境问题的一把利刃。 太阳能的能量转换方式分为光化学转换、光热转换、光电转换三种。太阳能电池是利 用光生伏特效应将太阳能转换成电能的。太阳能电池的研究历史可以追溯到1 9 世纪。早 在l8 7 6 年，英国科学家亚当斯等就发现了半导体材料硒的光生伏特效应。1 9 5 4 年，世界 上第一块真正意义上的硅太阳能电池在美国的贝尔实验室诞生，其转换效率达到6 左右， 并很快提高到1 0 。从此，太阳能光伏的研究、开发和利用正式拉开了序幕。1 9 5 8 年，太 阳电池首次在人造卫星上得以应用，从此开始了研究、利用太阳能光伏发电的新阶段。此 后，几乎所有的人造卫星和航天飞机等太空飞行器，都是利用太阳能电池作为主要的电源。 各国航天事业的发展大大促进了太阳能电池产业的发展。那时，太阳能电池是以抗辐射性 1 浙江理工大学硕士学位论文 能较好的p 型单晶硅作为基底，其基本的结构如图1 2 所示。 图1 2 早期太阳电池的基本结构 到了2 0 世纪8 0 年代，能源危机和环境问题日益突出。太阳能的开发和应用脚步在逐 渐加快，各国政府纷纷出台各种相关政策大力扶持本国的太阳能光伏工业，太阳能的应用 发展开始大幅加速。最近几年，太阳能电池的产量更是迅猛朝前发展 2 1 。2 0 0 2 年，太阳能 电池年增长率超过了3 0 。从2 0 0 3 年开始，太阳能电池的年增长率超过了4 0 。特别是 2 0 0 4 年，太阳能电池产量的增幅达到了6 7 。2 0 0 6 年，全球太阳能市场产值已超过了1 0 0 亿美元，全球太阳能电池安装规模已达1 7 4 4m w 。虽然受到美国金融危机的波及，2 0 0 8 年全球太阳能电池的生产量也几乎是倍数的成长，仍提升至6 8 5g w l 3 。2 0 0 9 年，美国 d i s p l a ys e a r c h 研究小组发表了一份报告表示，尽管当前面对的是可再生能源项目需求减 少，信贷市场紧缩和全球经济衰退，但是2 0 0 9 年太阳能电池产量将增长5 6 。报告预测， 太阳能电池制造能力今年将达到1 7 0 亿千瓦，到2 0 1 3 年将超过4 2 0 亿千瓦，增长率为4 9 。 未来，光伏产业将有更快的发展。据美国世界观察研究所的报告预测，2 1 世纪光伏产业将 与资讯、通信产业一起，成为全球发展最快的产业。到2 1 世纪中叶，光伏发电量将占世 界总发电量的2 0 ，从而使太阳能成为常规能源的重要替代者，而到2 1 0 0 年，光伏发电 总量将占世界发电总量的7 0 ，人类将真正进入光伏能源时代1 4 。这些数字足以显示出太 阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。由此可以看出，太阳能电池市 场前景广阔。 中国太阳能资源十分丰富，有很大的开发利用潜力。充分开发利用太阳能，对于节约 常规能源、保护自然环境、促进经济、社会和谐发展都有极为重要的现实意义和深远的历 史意义【5 】。中国光伏发电产业于2 0 世纪7 0 年代起步，9 0 年代中期进入稳步发展时期。太 阳电池及组件产量逐年稳步增加。经过3 0 多年的努力，已迎来了快速发展的新阶段。在 政策激励及政府补贴支助下，我国也在太阳电池发电方面取得了较大成就。一些发达省市 2 浙江理工大学硕士学位论文 陆续开展了城市建筑屋顶光伏发电的试点，如上海的“十万太阳能屋顶计划”，西藏阿里 地区的专项光伏工程，西部7 省无电乡通电工程。最令人瞩目的2 0 0 8 北京绿色奥运和2 0 1 2 上海世博会都使用了太阳能发电技术。 1 2太阳能电池的发展、原理和工艺 1 2 1 太阳能电池的发展现状与趋势 从太阳能电池的发展历史来看，太阳能光伏工业基本是建立在硅材料的基础之上，世 界上绝大部分的太阳能光电器件是用晶体硅制造的。晶体硅太阳能电池一直是光伏电池的 主流。其中单晶硅太阳电池是最早被研究和应用的，至今它仍是制备p n 同质结太阳电池 的主要材料之一。上世纪8 0 年代起，表面钝化技术被引入到硅太阳电池的制造工艺中以 后，电池的各种复合损失减少，开路电压等电学参数得以提高，电池效率也提高到2 0 6 1 。 利用高性能的热氧化层来钝化硅的双表面，形成了所谓的钝化发射极背电极电池( p e r c ) ， 从而使电池效率提高到2 4 【7 1 。而后发展了结构较复杂的双面钝化电池，如钝化发射极 背面点扩散电池( p e r l ) ( 如图1 3 所示【8 】) 以及钝化发射极背面全扩散电池( p e r t ) 。 澳大利亚新南威尔士大学小组制备的p e r l 电池得到2 4 7 的最高硅单晶电池效率记录。 这种电池结构运用正表面倒金字塔结构与背表面镜相结合的陷光结构设计，巧妙设计了发 射结和金属接触，以及接触区两次扩散钝化等工艺设计【9 ，1 0 1 。多晶硅的实验室最高转换效 率为2 0 3 ，是由德国f r a u n h o f e r 太阳能研究所制备获得。 金属棰 倒食字塔结构 图1 3 效率为2 4 7 的单晶硅p e r l 电池结构 目前，在各国政策的激励下，太阳能电池的市场不断扩大。各国大系统集成商不断涌 现，专业的附属设备制造商也越来越多。新技术、新设备、新辅料的应用在降低电池制造 成本的同时，电池效率也在节节攀升，屡创新高。比如德国f r a u n h o f e r 太阳能研究所开发 的激光打点接触钝化发射极与背电极( l f c ) 电池。电池生产速度快，无须光刻板，并且 3 浙江理工大学硕士学位论文 各种导电类型和电阻率的衬底都适用。更为突出的是，这种电池的效率达到了2 1 6 。美 国s u np o w e r 公司研发的高效背面点接触( b p c ) 电池，采用包括光刻工艺在内的常规半 导体生产方法制成，效率达到2 3 。最近，该公司又研发出低成本丝网印刷背面接触电池 工艺，在马尼拉建成了一个年产2 5m w 的高效背面接触电池厂，电池效率达到1 9 9 。日 本三洋公司开发的非晶硅异质结( h i t ) 电池，采用掺杂非晶硅与晶体硅衬底形成异质结， 并用于钝化电池的正面和背面。在异质结中加入纳米级厚度的本征非晶硅层，以提高表面 钝化效果，使开路电压提高到7 1 7m v 。该公司在n 型直拉单晶硅衬底上制造的h i t 电池 转换效率高达2 1 8 1 1 】。表1 1 列举了这几种高效率晶体硅太阳电池在a m1 5 光谱下的性 能参数。 表1 1 高效率晶体硅太阳电池的性能参数 随着硅片多线切工艺的改进，以及相应配套设备及技术的成熟，近年来，晶体硅太阳 能电池片越来越薄，单个硅片面积越来越大。目前，单个电池片的面积由几年前的l o 3c m x1 0 3c m 增加到1 5 6c m x1 5 6c m 。生产线上硅片厚度从已经从原来的2 8 0p m 降低到1 7 0 岬。由于单晶硅是间接禁带半导体，1 0 0l a i n 的材料厚度已足够吸收大部分太阳光，因而 硅片厚度还有很大的下降空间。表1 2 为不同时期硅片厚度的变化【1 2 】。硅片厚度的减小和 面积的增大，使得在不改进生产设备的前提下，就提高了电池的生产能力，大大节约了硅 材料的使用，对于降低太阳能电池的成本起到了重要的作用。 表1 2 不同时期硅片厚度的变化情况 4 浙江理工大学硕士学位论文 从太阳电池的发展趋势来看，未来，单晶硅和多晶硅电池将依然是世界太阳能电池市 场的主流。特别是多晶硅电池，尽管所占比例有所下降，但电池效率差距却在逐渐与单晶 硅缩小。当前，商业用多晶硅太阳能电池的转化效率达到1 5 0 左右。商业用硅太阳能电 池中单晶硅太阳能电池的转换效率约为1 6 5 。对于一些先进电池厂商，单晶硅太阳能电 池的转换效率可接近1 8 1 3 】。对于非晶硅而言，实际生产线上稳定的电池效率仅有8 。 图1 4 为不同的硅材料太阳能电池在实验室和产业中的效率。另外，全球多晶硅厂商纷纷 扩大建立了多个多晶硅锭生产基地。随着多晶硅产量的逐年提升，晶体硅原料短缺的问题 已经在逐步得到改善。此外，新型的硅料制备技术和提纯技术的发展也促使了晶体硅太阳 电池的成本大大降低。最近3 0 年来，太阳能光伏组件成本降低了2 个数量级【1 4 1 。据欧洲 光伏工业协会( e p i a ) 的预测，到2 0 2 0 年，世界太阳能光伏组件的成本将约合l 美元w p t ”】。 所以不难预计，晶体硅太阳能电池在1 0 1 5 年内仍占领着主导地位。 芝 督 获 爨 掣 2 4 ；- 工厂生产效率 z b， 暖暖 啊臻 2 0 3 彩 。 囫 l e 磐 i 犀嬲 ；， 扣 r孙 么 分 _ 兹； 荔 塾 岁 y # 二 浙江理工大学硕士学位论文 在扩散运动。n 区中靠近空间电荷区的空穴，可能被拉向p 区，p 区中靠近空间电荷区的 电子，可能被拉向n 区，产生漂移作用。总之，内建电场既起到阻碍扩散运动的作用，又 起到漂移运动的作用，这两个作用相互联系在一起，最后达到动态平衡。这就是p - n 结的 形成过程，如图1 5 所示。由于p - n 结对扩散运动起到阻挡层的作用，同时又起到漂移作 用，所以p - n 结具有单向导电的特性【1 刀。 守ee留留勿 皆弩弩。0eo留移留 000 0b b 岣 j b ! _ r 静r 7 子 ( p i t 结) 一 内建电场方向 扩散远动方向 图1 5 半导体p - n 结的形成 p n 结的工作原理是：当太阳光照射到半导体表面，半导体内部p 区和n 区的原子的价 电子受到太阳光子的冲击，产生了非平衡状态的电子一空穴对。这些电子和空穴都参加热 运动而向各个方向迁移，在p - n 结处激发的电子空穴对以及迁移到这附近的电子和空穴， 受到p 1 3 结内建电场的漂移作用影响，空穴被驱向p 区，电子被驱向n 区。结果，p 区产 生了过剩的的空穴，n 区产生了过剩的电子，它们在p n 结处形成与内建电场方向相反的 光生电场。光生电场除了部分抵消内建电场的作用外，还使p 区带正电，n 区带负电。光 生电场在两区之间的薄层产生电动势，称为光生电场。当外电路连通时，就能输出电流。 这就是太阳能电池将光能直接转换成电能的原理。 目前，对于晶体硅太阳能电池来说，p n 结的制备是采用扩散工艺在p 型硅片表面完 成的。在p - n 结开路情况下，光生电流和正向电流相等，p n 结两端建立起稳定的开路电压 v o c 。当将p n 结与外电路连通时，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电路，而 p - n 结就起着类似电源的作用。这就是硅基太阳能电池发电的基本原理。图1 6 给出了晶体 硅太阳能电池的等效电路图，其中，i p h 为光生电流，i f 为p - n 结的正向注入电流，r s h 和 分别为并联电阻( 漏电电阻) 和串联电阻，i 为太阳能电池提供的负载电流【1 8 】。 6 式中v 为所加偏压，v f k t q 。为电池串联电阻，为电池旁路电阻。则晶体硅太阳电 池光电转换效率可以由下式得出： 7 7 = 学= 等，f f = v m l m g o c i 卵 1 ( 3 ) 1 l i g h t 1 l i g h t 其中，i m ，v m 分别为太阳电池的最佳工作电流和最佳工作电压。i 。和v 分别为硅太阳电池 的短路电流和开路电压。p i i g h 。为照射到太阳电池上太阳光的能量。f f 为太阳电池的填充因 子，填充因子表征太阳能电池的优劣。所以，为了获得高效率的晶体硅太阳电池，可以通 过提高太阳电池的短路电流，开路电压和电池的填充因子这三个基本参量来实现【1 9 测。 1 2 3 太阳能电池的制造工艺 晶体硅太阳能电池是典型的p - n 结电池。制造硅太阳能电池包括扩散制结、沉积减反 射膜和制作电极三个主要的工序。太阳能电池的p - n 结用来实现能量的转换，电极用来输 出电能，减反射膜的作用是使电池输出功率进一步提高。晶体硅太阳能电池的制造工艺流 程如图1 7 所示。 硅 表 _ 面 准 片 备 图1 7 常规硅太阳能电池的制造工艺流程 7 浙江理工大学硕士学位论文 下面来介绍电池的主要制作工艺。当前，单晶硅太阳能电池工业批量采用的是晶面为 ( 1 0 0 ) 的掺硼p 型c z 单晶硅片，其厚度为2 0 0 2 0 岬。其余参数要求如下：总厚度偏差( n v ) 3 0r t m ，对角线偏差小于o 5i r l n l ，电阻率( p ) 为0 5 “q c m ，体少子寿命1 0 峭。多晶 硅太阳电池的硅片厚度一般为2 4 0 2 0 岬，其他参数要求则与单晶硅片基本一致。 选定硅片以后，硅片的表面准备是制备硅太阳能电池的第一步主要工序。表面准备包 括硅片的化学清洗和表面腐蚀两个步骤。化学清洗主要是为了除去沾污在硅片表面的各种 杂质。表面腐蚀的目的是除去硅片表面的切割损伤，同时还可以制备绒面结构，降低硅片 表面反射，增加电池对光波的吸收。硅片经过清洗后，在氢氧化钠( n a o h ) 腐蚀液中每 面腐蚀掉1 0 , - , 2 0 哪( 根据切割损伤层厚度决定) 。发生的化学反应如下： s i + 2 n a o h + h 2 0 专n a 2 s i 0 3 + 2 吼个 l - ( 4 ) 由于硅( 1 0 0 ) 面的共价键密度低，所以( 1 0 0 ) 面l 匕( 1 1 1 ) 面腐蚀速度快。( 1 0 0 ) 硅片的各向异性 腐蚀特点最终导致硅片表面产生许多密布的( “1 ) 金字塔型绒面。由于多个晶向及晶界的存 在，碱溶液对多晶硅的各向异性腐蚀效果并不好。并且，由于碱腐蚀液对多晶硅表面不同 晶粒之间的反应速度不同，会在多晶表面产生台阶和裂纹