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晶体硅太阳电池表面金属化工艺及性能研究 专业：材料物理与化学 硕士生：李军勇 导师：沈辉教授 摘要 金属化工艺是晶体硅太阳电池制备过程中最为关键的工艺之一。目前晶体硅 太阳电池使用最为广泛的金属化工艺包含前、背电极及背表面场的丝网印刷和烧 结工艺。研究金属化工艺参数，电极形成机理以及电池性能参数对提高金属化工 艺应用水平具有重要的意义。 本文的主要研究内容和结果如下： ( 1 ) 研究了烧结工艺和不同浆料对太阳电池输出性能的影响。采用物理提 纯法硅片制作太阳电池，基于特定浆料和方块电阻值，并通过改变烧结最高温度 和网带速率( 频率) 来优化烧结工艺，得到最佳的烧结温度8 7 0 。c 和网带频率4 2 h z 。 采用p c i d 软件对不同的硅基底和前表面掺杂浓度进行模拟计算，前表面掺杂浓 度越低，开路电压v o c 、短路电流i s c 、填充因子f f 、转换效率e t a 数值越高， 而对于硅基底掺杂浓度升高变化，除i s c 单调递减之外，其它各参数都是先递增 后递减。针对两种不同a g 浆料，分别在不同方块电阻的硅片上制备太阳电池， 比较分析了各组太阳电池的输出性能参数，短路电流随方阻值升高而升高。b 2 浆料在高方阻硅片上具有更优异的适应性，在4 7 9q 口方阻上转换效率达到最 高。经工艺优化后，转换效率继续提高了o 2 6 。 ( 2 ) 前电极的a g s i 接触形成机理以及电流传输机制目前还没有得到很好 的解释。本文利用s e m 和e d s 分析技术对前电极烧结工艺以及a g s i 接触的形 成机理进行了分析，提出了四种a g s i 界面的接触形式，并根据不同的界面接触 形式，提出了两步隧道效应和多步隧道效应电流传输机制是最主要的电流传输方 式。 ( 3 ) 本文对太阳电池中产生旁路结的原因及机理进行了分析，仿真模拟了 旁路结线性部分和非线性部分对太阳电池开路电压的影响。当并联电阻大于1 q 时对开路电压的影响开始变小，当耗尽区复合饱和电流小于i o - 7 a 时对开路电压 的影响可以忽略。利用s u n s - v o c 技术可以测量太阳电池的理想因子以及漏电流 大小，从而判断旁路结的情况，测试结果与模拟结果相吻合。采用红外热成像系 统观察太阳电池旁路结，可检测到明显的旁路结漏电区域，通过切除太阳电池局 部微小旁路结漏电部分，开路电压和转换效率可得到明显提升，电池并联电阻与 开路电压关系的测试结果与模拟结果一致。 关键词：丝网印刷烧结旁路结量子效率s u n s - v o c 2 a n a l y s i so ft h es u r f a c em e t a l l i z a t i o np r o c e s sa n dp e r f o r m a n c eo fc r y s t a l l i n e s i l i c o ns o l a rc e l l s m a j o r ：m a t r i a l sp h y s i c sa n dc h e m i s t r y n a m e ：l ij u n y o n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rs h e nh u i a b s i r a c l m e t a l l i z a t i o ni so n eo ft h em o s tc r u c i a lt e c h n o l o g i e si nt h em a n u f a c t u r i n g p r o c e s so fc r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l c u r r e n t l y , t h em o s tp o p u l a rm e t a l l i z a t i o n p r o c e s si n c l u d e st h es c r e e n - p r i n t i n ga n ds i n t e r i n go ft h ef r o n t b a c ke l e c t r o d e sa n d b a c ks u r f a c ef i e l d i ti sa s i g n i f i c a n tw o r k t os t u d yt h ep a r a n a e t e r so f t h em e t a l l i z a t i o n , f o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h ee l e c t r o d ea n dt h ee f f e c tt ot h ep e r f o r m a n c eo ft h es o l a r c e l l t h et h e s i si n c l u d e st h ec o n t e n t 嬲f o l l o w i n g ： ( 1 ) w ei n v e s t i g a t et h ee f f e c to fs i n t e r i n gp r o c e s sa n dd i f f e r e n ta gp a s t e st ot h e o p e n - c i r c u i tv o l t a g e u s i n gt h es i l i c o nw a f e r sp u r i f i e db yp h y s i c st e c h n i q u e ，w e o p t i i i l i z et h es i n t e rp r o c e s sb ya d j u s t i n gt h eh i g h e s tt e m p e r a t u r ea n dt h et r a n s f e r v e l o c i t yt om a n u f a c t u r es o l a rc e l l s ，w eo b t a i nt h eo p t i m a lt e m p e r a t u r ea t8 7 0 * ( 2a n d 4 2h zf r e q u e n c yf o rt h et r a n s f e rv e l o c i t y t h ee f f e c to f d o p a n tc o n c e n t r a t i o nt ot h e p e r f o r m a n c eo fs o l a rc e l li sa l s os t u d i e db yp c1d w ec o n c l u d et h a tt h eh i g h e rs h e e t r e s i s t a n c ei ss u i t a b l ef o rm a n u f a c t u r i n gh i g h e re f f i c i e n c ys o l a rc e l l s t h e r ea r et w o t y p e so fp a s t et oa p p l yt od i f f e r e n ts h e e tr e s i s t a n c es i l i c o nw a f e r s w ec o n c l u d et h a t o n eo ft h ep a s t eb 2h a sb e t t e rp e r f o r m a n c ei nt h eh i g hs h e e tr e s i s t a n c ec o n d i t i o n t h r o u g ha n a l y z i n gt h ee l e c t r i c sp a r a m e t e r s a f t e ro p t i m i z i n gt h ed i f f u s i o na n d s i n t e r i n gp r o c e s s ，t h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo f s o l a rc e l l si n c r e a s e s0 2 6 ( 2 ) w ei n v e s t i g a t et h es i n t e r i n gp r o c e s so ff r o n tc o n t a c t sa n dt h ef o r m a t i o n m e c h a n i s m so fa g - s ic o n t a c t su s m gs e ma n de d sm e t h o d f o u rt y p e so fi n t e r f a c e s t r u c t u r e so f a g - s ic o n t a c t sa r ep r e s e n t e d ( 3 ) w ea n a l y z et h em e c h a n i s mo fs h u n t sr e s u l t e df r o ms o l a rc e l l sp r e p a r a t i o n p r o c e s s t h ee f f e c to fl i n e a ra n dn o n l i n e a rp a r t so fs h u n t so no p e n - c i r c u i tv o l t a g eo f t h ec e l l si ss i m u l a t e d u s i n gt h es u n s - v o ct e c h n i q u e ，w ea n a l y z et h ed i o d ei d e a l i t y 3 f a c t o ra n dl e a k a g ec u r r e n t t h et e s t e dd a t ai sc o n s i s t e n tw i t ht h es i m u l a t i n gd a t a u s i n gt h ei n f r a r e dt h e r m o g r a p h ys y s t e m , t h el e a k a g ec u r r e n to fs h u n t sc o u l db e d e t e c t e dd i s t i n c t l y t h eo p e n - c i r c u i tv o l t a g ea n dc o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya r ep r o m o t e d o b v i o u s l yb yc u t t i n gt h em i n o rr e g i o n so fs h u n t so b s e r v e di ni n f r a r e di m a g e s k e y w o r d s ：s c r e e n p r i n t i n g s i n t e r i n g s h u n tq es u n s - v o c 4 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品成果。对本文的研究作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结 果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：20 0 9 年6 月 1日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送 交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的 的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅， 有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：缅锄签名：船 日期：200 9 年6 月1 日日期：20 09 年6 月1 日 晶体硅太阳电池表面金属化工艺及性能研究 第一章绪论 1 1 晶体硅太阳电池理论基础 1 1 1 理想晶体硅太阳电池 太阳电池是一种能够直接将太阳辐射能转化为电能的电子器件。晶体硅太阳 电池是目前市场上应用最为广泛的一种太阳电池。对p 型或n 型硅衬底进行相反 类型的源掺杂，形成n + 或p + 型发射区，经电子扩散之后形成内建电场，可将光 照条件下产生的光生载流子进行分离。常规晶体硅太阳电池结构及工作原理如下 图1 - 1 所示： l s u n l i g h t l 融洲g r i d - - x ( 舢n 航： 豳豳豳黝豳 n - t ) p el a y e r h + ，0 l 尹- t y p e l a y e f h + ， j m e t a lc 。n l 犹i 图1 - 1n p p + 型晶体硅太阳电池结构及工作原理示意图 太阳电池理想i v 特性方程，即工作状态电流电压关系式，如式1 - i 1 l ： m 一厶w lk 蚓n k l ) 一，他1 ) 其中，q 为电子电量，k 为玻尔兹曼常数，t 为绝对温度，i 。为二极管饱和电 1 晶体硅太阳电池表面金属化工艺及性能研究 流，i p h 为光生电流，n 为二极管理想因子。 一般晶体硅太阳电池i - v 曲线如图 1 2 所示，纵坐标表示电流，最大值为短路电流i s c ，横坐标表示电压，最大值 为开路电压v o c 。 i s c 1 1 2 短路电流( i s c ) 图1 - 2 太阳电池i - v 曲线图 v o cv o l t a g e 当太阳电池的输出电压为0 ，即外接电路短路时，流经太阳电池体内的电流 为短路电流i s c ，对于理想太阳电池，短路电流就等于光生电流i 。，所以短路电 流的大小和以下几个因素相关联： ( 1 ) 太阳电池的面积。通常在分析时利用短路电流密度概念j s c ，即单位 面积上流过的电流，单位为a c m 2 。 ( 2 ) 光照强度以及光谱分布。 ( 3 ) 太阳电池的减反射、陷光效果和前表面栅线的遮挡面积。 ( 4 )电子收集效率。这主要取决于表面钝化效果以及少子寿命。如在非常 好的表面钝化和一致的电子空穴对产生率条件下，短路电流密度2 1 为： 厶= g g 忆。+ l p j ( 1 2 ) 其中g 为电子空穴产生率，l n 、l p 分别为电子和空穴扩散长度。 2 晶件# 阳电池表面仓属化i 艺及性能研究 1 1 3 开路电压( v o c ) 当太阳电池外接电路丌路时可得到太阳电池的有效最大电压，即开路电压 v o c 。在开路状态下，流经太阳电池的净电流为0 。在方程( 卜1 ) 中，令i - 0 ， 可得到： = 警t 悖+ - ) m 。， 从中可以看出，v o c 的大小与以下因素相关： ( i ) 光生电流i 舭可以看出，i 的改变量有限，其对v o c 的大小影响也较小。 ( 2 ) 反向饱和电流i 。在太阳电池中，i 。的变化通常可达几个数量级，所以它 对v o c 的影响非常大。而i 。决定于太阳电池的各种复合机制，所以通常 v o c 的大小可以用柬检测太阳电池的复合大小。 1 1 4 填充因子( f f ) v o c 和i s c 是太阳电池所能达到的最大电压和电流值，但是，从i v 特性曲 线上可以看出，此时的输出功率为0 。填充因子表示最_ 人功率点处功率与v o c x i s c 的比值。 根据理想i - v 特性方程 = 0 ，可得到超越方程： 好芋1 i l ( 等+ c v 图i - 3 填充田于f f 定义示意图 可求得最大功率点处v m p ，解微分方程d ( i v ) d v ( 卜4 ) 晶体硅太阳电池表面金属化工艺及性能研究 该方程只是v n l p 和v 0 c 的关系，若要得到f f 和i l 坤还需要另外的方程， 非常复杂。般计算f f 可采用经验公式3 l ： 阿：堡二坐蝗q ：z 垄 v w + l ( 卜5 ) 其中v 定义为“归一化v o e ， k 2 去 ( 1 - 6 ) 根据方程( 1 6 ) ，高的开路电压可得到高的填充因子。 1 1 5 转化效率( e t a ) 太阳电池转换效率e t a 是表示单位面积上将辐照能量转换为多少电能的量。 通常定义为： e 幻：墨生：i x f f 最 匕 ( 1 7 ) 其中p 。表示入射光功率。 转换效率越高，表示在单位面积上单位辐照强度下能产生更多的电能。其大 小与v o c 、i s c 、f f 息息相关。 1 1 6 晶体硅太阳电池性能的影响因素 1 1 6 1 特征电阻r 硎 特征电阻表示在最大功率点条件下太阳电池的负载电阻。当负载电阻等于特 征电阻时，太阳电池的最大功率加载到负载上，太阳电池也同时运行在最大功率 条件下。如图1 - 4 所示： y = l 呷 ( 1 - 8 ) 也可近似表示为： 5 专 m 9 ) 所以一般的电流电压关系可表示为：i = v ，r c h 晶体硅太阳电池表面金属化工艺及性能研究 图h 特征电阻r c h 定义示意图 1 1 6 2 串联电阻( r s ) 和并联电阻( r s h ) 太阳电池的自身电阻的存在消耗了太阳电池的功率，降低填充因子和转换效 率，通常指串联电阻和并联电阻，如图1 5 所示。由于电阻的值与面积密切相关， 通常在分析时采用“归一化电阻( n o m a l i z e dr e s i s t a n c e ) 概念，其单位为q c m 2 ， 根据欧姆定律，将i 值以j 值替代，得到： r ( q c m 2 ) ：v j( 1 】0 ) v 图1 - 5 太阳电池串联电阻和并联电阻不慈图 串联电阻主要来自于以下四个方面： ( 1 ) 晶体硅的体电阻和发射区电阻，即p n 结两侧p 区和n 区材料的电阻。 ( 2 )电极用的金属与硅表面层的接触电阻，即正面和背面的金属与半导体表面 之间的接触电阻，也包括p n 结深度、杂质浓度和接触面积大小的影响， 这是串联电阻最大的部分。 ( 3 ) 器件内部和外部线路互相连接的引线接触电阻。 ( 4 ) 电极接触用的金属本身和它们的互联电阻。 并联电阻主要与晶体硅材料质量和太阳电池制造过程中引入的缺陷和杂质 有关，并联电阻使光生电流产生反向分流，降低工作电压，严重影响填充因子。 s 晶体硅太阳电池表面金属化工艺及性能研究 其主要来自四部分。 ( 1 ) 太阳电池周边因扩散p - n 结时会引入p - n 结完全或部分的短路。 ( 2 ) 非理想的p - n 结或p - n 结内部不完善部分的漏电短路。 ( 3 ) 衬底和薄膜层及p n 结之间的部分漏电。 ( 4 ) 多晶体或薄膜的晶体界面的部分漏电。 并根据图1 - 5 ，太阳电池单二极管模型i v 特性方程嗍： 一厶 e x p 掣 - l 警 ” 考虑串联电阻和并联电阻的影响，得到填充因子表达式( z - 1 2 ) ， 职= 卜，冉辨警黜乩+ 黜埘 其中f f o 为理想状态的填充因子， ，：生 3 尺删 ( 卜1 3 ) 2 毒 ” 1 1 6 3 温度对太阳电池的影响 如同多数半导体器件一样，太阳电池的运行状态对温度的变化也比较敏感。 温度的升高，可使硅材料的禁带宽度降低，电子具有更低的能量就可从价带越过 禁带到达导带，短路电流会有提高。温度的变化，影响最大的是v o c ，如图卜6 所示嘲： v 船饼翻嘲v 图卜6 温度对太阳电池电流、电压的影响示意图 6 晶体硅太阳电池表面金属化工艺及性能研究 随温度升高，v o c 降低，主要是由于反向饱和电流i 。对温度非常敏感。 厶= 叫簧 ” 其中q 为电荷，d 为少子扩散系数，l 为少子扩散长度，n 。为掺杂浓度，n t 为本 征载流子浓度，以上的几个参数中，基本上都是温度的函数。 1 1 6 4 复合机制 光生载流子的复合损失不仅影响电流的收集( 降低短路电流) ，而且影响正 偏注入电流( 降低开路电压) 。光生载流子的复合主要分为表面复合、体区复合 以及空间耗尽区复合，而前两者为主要的复合，如图1 7 所示2 1 。 1 2 研究意义 w a v e l e n g t h 图1 7 太阳电池表面与体区复合示意图叫 能源紧张和环境污染促使世界各国积极寻求可代替常规化石能源的绿色可 再生能源。光伏发电是一种利用光伏效应将太阳辐射能直接转换为电能的新型发 电技术，因其具有资源无限、清洁安全、长寿命等优点，所以被普遍认为是最有 发展前途的可再生能源。欧、美、日等一些发达国家为了鼓励光伏发电的使用， 出台了一系列补助政策，更是推动了光伏发电的发展，在2 0 0 8 年太阳电池产量 达到了6 8 5 g w ，安装量达到了5 5 5 9 g w 5 1 。中国也在2 0 0 9 年3 月份出台了光伏 应用发电相关补贴政策，也会推动国内光伏应用跳跃式发展。 对于我国太阳电池行业来说，近几年的发展非常迅速，现在已成为世界上最 7 品体h e 太跨1 n 池表面e 幅* l 艺丝性能m 究 大的太阳电池伟0 造基地。然而，与国外相比我国 阳电池生产线咒键设备f “重 依赖进f i ，日主要生产常规硅基太阳电池；研究太阳电池的科研力量还非常薄弱， 对1 + 新结构岛效电池的研发还处于起步阶段。 由此，针对国内a 阳电池发展现状以及当前国内外生产工艺较大的著距，本 文对太阳电池表而金属化工艺进行了研究，并对a 阳电池输卅性能进行丁分析。 通过对烧结工艺、岛与附浆料、a g s i 接触咀及旁路结等方面的研究，期望使得 1 业化生产过程得到简化，时提高转换效率。这对于提高我幽晶体畦太刚1 n 池 制备技术水平，具千f 重要的意义和参考价值。 1 3 国内外晶体硅太阳电池发展现状 1 3 1 晶体硅太阳电池产业化发展现状 近几年吐界太阳l 乜池行业迅猛发展。欧洲光伏工业协会e p i a ( e u r o p e a n p h o t o v 0 1t a l ci n d u s t r ya s s o c i a ：i o n ) 对1 9 9 8 年以米光伏 j ：、的发胜状况进行 了总结，如图卜8 ，卜9 所示“1 。2 0 0 8 年，眦界总的光伏安装吊达到了55 5 9 g w ， 西班玎受凼内光伏刺激政策影响，成为世界e 年安装量最大的圆家，超过以往的 德罔、本和茭罔。e p i a 预测到2 0 1 3 年，1 廿界光伏安装量将会达剁2 23 2 5 g w ， 如图l j04。 蚓2 - 8 世界各地匣近儿年累汁光伏宜犍艟 譬巍 _ - 蛐蛐啪m聊聊砌啪嘞啪蝴咖咖。 品体硅太阳电池表面盘属化工艺厦性能研究 - j- 图i 世界各地吒年度光伏安装量“ 5 。? = = ：二= = ：誓i2 i i 。_ i。= = ：二= = ：誓_ 削1 - 1 0 全球年度光伏安装量及预测1 9 而根据s o l a r b u z z 的统计数据，2 0 0 6 年的全球太阳电池产量为6 8 5 g w 比2 0 0 7 年的3 4 4 g w 增长近1 0 0 ，产能利用率由2 0 0 7 年的6 4 提高到6 7 。 薄膜电池产量2 0 年达到8 9 0 m w ，增长1 2 3 。中国大陆和台湾的太阳电池的 产量继续提高，其产量占世界总产量的份额由2 0 0 7 年的3 5 增长到4 4 ，继续 保持第一大光伏生产国的地位。全球光伏行业销售收入3 7 1 亿美元。 _ 为割型兰 一_ 簪芝，j； = - ，薯 兰笋。 兰i|；生二l | j ： lm覃。一：*兰 ! 釜剖警一 熹。一一一 毒 晶体硅太阳电池表面盘幔化i 艺挫性能研究 根据2 0 0 9 年3 月出版的 p h o t o n 杂志，2 0 0 8 年世界太阳电池产量按生产 公司排名如表1 - 1 。 表1 2 0 0 8 年a 阳电池产最世界前5 名 排名公司产量地区 1 q - c e l l ss e 5 8 16 m w g e r m a n y f i n ts o l a ri n c5 0 4 m w 3s u n t e c hp o w e r c ol t d4 9 75 m wc h i n a 4 s h a r pc o r p 4 7 3 m w j a p a n 5j as o l a rh o l d i n g sc o l t d3 0 0 m wc h i n a 其中中田有两家公司排名进入了世界前5 。中国大陆地区总产最占世界总产 量的2 6 ，略低于欧洲( 占2 7 ) 。 1 3 2 高效晶体硅太阳电池发展现状 目前，太阳电池市场r 主流产品仍然是常规丝网印刷单p - n 结晶体耻a 阳电 池，其基本结构如图1 1 1 所不： 。l y- 1 图1 1 l 常规晶体硅太刚电池结构示意图 常规品体硅太阳电池皋本工艺如下： ( 1 ) 存p 型晶体硅衬底上去除表面损伤层、表而彭 构化，主要采州n a o h 溶液。 ( 2 ) 以p o c l 3 液态源扩散织p - n 结a ( 3 ) 等离子体刻蚀去除边缘p - n 结。 曼堕壁查里! ! 兰墨亘皇璺些三兰墨堡堕塑壅 ( 4 ) 在氢氟酸溶液中去除磷硅玻璃。 ( 5 ) p e c v d 镀s i n ，减反射膜。 ( 6 ) 丝网印刷a g a i 背电极并烘干。 ( 7 ) 丝网印刷a i 背场，f ：烘干。 ( 8 ) 丝网印刷a b 电极并烧结。 ( 9 ) 电池测试分选。 常规晶体硅太阳电池具有工艺实现简单、成本较低、适合大规模工业化生产 等优点，但同时转换效率到目前为止还没有超过1 8 。追求高的转换效率一直是 太阳电池领域研发的重点和发展方向。新的电池概念、结构、工艺1 i 断涌现，使 电池转换效率不断得到突破，越来越接近效率极限。以下就目前市场上和实验室 出现的高效晶体硅太阳电池作出些概述。 1 3 2 1 刻槽埋栅电池 刻槽埋栅电池概念于1 9 8 3 年首次在新南威尔士大学提出来。早在2 0 0 4 年， 就有撤道其平均转换效率已经达到了1 83 ，其结构示意图如f ： 圈1 1 2 刻1 昔埋栅太a l 屯池结构示意图” 基本丁艺91 0 1 如下： ( 1 ) 硅衬底去除损伤层，表面织构化。 ( 2 ) 沉积p 2 0 5 至前表面，或者对表面进行轻度扩散。 ( 3 ) 前表面沉积s i n ，薄膜。 ( 4 ) 激光刻槽，形成栅线圈案。 ( 5 ) 去除激光损伤并清沈。 ( 6 ) 对栅线区域进行高温重扩散，一般是采用p o c l 3 扩散源。 ( 7 ) 背面蒸镀一层a j ，并热处理形成背面高低结。 ( 8 ) 化学镀m ，并烧结形成余属- 硅接触。 ( 9 ) 在前、背面化学镀c u 和a g 。 晶件硅太m 电池表面金科化工艺及性能研究 ( 1 0 ) 激光刻边。 ( 1 1 ) 电池测试。 1 3 2 2 硼背面场太阳电池 常规电池一般采用丝网印刷技术制备a i 背场，但此技术最大的缺陷就是容易 导致太阳电池弯曲，且对背表面的钝化效果差，复合速率较高。使用硼背场就能 很好的改善以上缺陷。但是，扩散硼技术相对比较复杂，且扩散温度非常高，也 会引入一些热缺陷。有报道m 1 泼种电池最高效率可达到1 88 。其结构示意图如 下： 鹾。i ”i d 。e 幽1 ”硎背表面场太阿1l u 池结构示意斟 基本工艺如下所示： ( 1 ) 硅衬底去除损伤层，表面纵构化。 ( 2 ) 在背表面涂硼源，并进行硼扩散。 ( 3 ) 去除硼硅玻璃。 ( 4 ) 前表面磷扩散，去除磷硅玻璃。 ( 5 ) 去除边缘结。 ( 6 ) 镀s i n 。减反射膜。 ( 7 ) 丝网印刷前、背电极并烧结。 ( 8 ) 电池测试。 1 , 3 2 3 h i t 电池( h e t e r o j u n c t i o n w i t h i n t r i n s i c t h i n l a y e rs o l a rc e l l s ) h i t 电池日前是高教电池研究的热点之一。自日本三洋公司m 1 将效率超过2 0 的h i t 电池市场化后，人们开始重视非晶硅作为表面钝化作用的优异性能。其结 构示意图1 - 1 4 。h i t 电池最大的特点是所有工艺都在低温4 0 0 以内完成u 3 1 ，以 及在重掺杂非品硅层和基体层之间引入本征非晶硅层，且在电极与非晶硅层之间 引入导电玻璃薄膜层，大大提高了电子的收集效率。所有的薄膜层沉秘都是采用 p e c v d 法，所以避免了使用高温环节。作为钝化层的本征非晶硅，从理论上来说， 品体硅太m 电池表面金埘化l ，艺驶性能研究 还可以使用二氧化硅层或碳化硅层等。 刚1 - 1 4h i t 太刚电池结构示意幽m 1 1 3 2 41 b c 太阳电池( i n t e r d i g l t a t e db a c kc o n t a c ts o l a rc e l l s ) 早在1 9 9 7 年l b c 太阳电池n 4 1 就已经丌始设计。目前，美国s u n p o w e r 公司已 经量产这种结构电池1 。i b c 太阳电池在前表面没有电极，所以没有遮挡，r 吸 收更多的光线，且更能实现良立_ f _ 的表丽钝化，减少表面复合速率。正、负电极都 制作在背表面，这就要求硅基底材料有很高的少子寿命。同时，在背表面同时制 作两种电极，工岂实现难度也非常大。 电池结构示意图如图1 1 5 ； 、k l “l 】n i、l 【1 1 1 l h ll r m 【。h l i m ll i _ _ 圈1 - 1 5 1 8 c 太阳电池结构示意图 1 3 2 5e w t 太阳电池( e m i t t e r w r a p t h r o u g hs o l a r c e l l s ) e w t 太阳电池m ”也是在前表面没有电极，正、负都在背表而。但_ = 一个 最大的特点是采用激光将太阳电池贯穿许多孔，在孔周围进行了重扩散，在孔 中丝网印刷或者化学镀电极，使前表面发射区收集的电子，很容易的到达背表面 电极处。这样的蹯，对硅材料少子寿命的要求就没有i b c a 阳电池那么高了所 以可以采用一般的c z 硅片制作电池。电池结构示意图如图1 - 1 6 = 蠢 体硅太m 电池袁面盘属化i 岂及性能研究 黼1 1 6e w t 太刚l u 池结构示意图 基本工艺如下所示t ( 1 ) 在p 型硅衬底上激光穿孔。 ( 2 ) 去除硅衬底损伤层并表面织构化。 ( 3 ) 矩网印刷扩散掩模层。 ( 4 ) 扩散磷和去磷硅玻璃。 ( 5 ) 在前背表面分g 镀s i n 。膜。 ( 6 ) 在p 型区丝网印刷a l 。 ( 7 ) 在n 型区始叫印刷a g 】j 二将贯穿7 l 连接起来。或者采用化学镀方法。 ( 8 ) 烧鲒。 ( 9 ) 电池测试。 1 3 2 6p e r l 太阳电池( p a s s i v a t e de m i t t e r , r e a r l o c a l l y d i f f u s e d s o l a rc e i l s ) p e r l k 阳电池是由澳大利砸新南威尔士大学研发成功并一直保持着单晶 硅太阳电池转换效率世界纪录，商达2 47 掣。其电池结构如图1 - 1 7 所示： 幽i 1 7p e r l 太r i 电池结构示意凹u 剐 其制造工艺和结构具有如下特点：( 1 ) i t 面采光面为倒命字塔结构，结合背 电极反射器，形成了优异的光陷井结构： ( 2 ) 在正面上燕镀y m g f 2 z n s 双层减 1 4 晶体硅太阳电池表面金属化工艺及性能研究 反射膜，进一步降低了表面反射；( 3 ) 正面与背面的氧化层均采用t c a i 艺( 三 氯乙烯工艺) 生长高质量的氧化层，降低了表面复合； ( 4 ) 在正面的氧化层上 蒸镀铝膜，然后在3 7 0 c 的合成气氛中退火3 0 r a i n ，最后用磷酸腐蚀掉这层铝膜u 训。 该工艺称之为“a l n e a l 一工艺，经过 a l n e a l ”工艺后，载流子寿命和开路电压都 得到较大提高，而与正面氧化层的厚度关系不大。这种工艺的原理是，在一定温 度下，铝和氧化物中o h 离子发生反应产生了原子氢，在s i s i 0 2 的界面处对一些 悬挂键进行钝化。( 5 ) 电池的背电场通过定域掺杂形成。定域扩散提供了良好 的背面场，同时减少背面金属接触面积，使金属与半导体界面的高复合速率区域 大大减少。并且由于背面浓掺杂区域的大面积减少，也很大降低背面的表面复合。 1 3 3 双面晶体硅太阳电池发展现状 双面太阳电池为实现单位硅材料产生更多的电能提供了一种非常有实用前 景的方向。双面太阳电池相对常规太阳电池，由于其独特的电极和表面钝化设计， 在前表面和背表面能同时吸收光线，产生电能；并有着更低的工作温度捌，负温 度效应的影响较小。双面太阳电池在空间应用、聚光系统、光伏幕墙等领域有它 独特的应用优势。 早在1 9 6 6 年，h m o r i 就提出双面太阳电池的概念设计，并申请专利【2 1 1 。而 在1 9 7 7 年第一届欧洲光伏太阳能会议上，l u q u e 等人2 2 1 首次报道了在硅片两面 分别制作p - n 节的双面太阳电池，其效率不足7 。其后，世界各国众多研究机 构展开了对双面太阳电池的研究，新结构和更高的转换效率不断出现。下面根据 p - n 结数量和位置分类来概述双面太阳电池的研究情况。 1 3 3 t 双p n 结双面太阳电池 1 9 6 6 年首次设计的双面太阳电池概念1 2 1 l 如图1 1 8 所示，在n 型硅片前、背 表面制作p - n 结( 即p + n p + 结构) ，正、负电极设计在硅片的边缘处。围绕这一类 型的电池结构，之后进行了很多的研究，结构设计不断改进，转换效率不断提升， 并寻找能够适用于低成本大规模生产的工艺方法。 1 5 晶体硅太阳电池表面金属化工艺及性能研究 图1 - 1 8 双p - n 结太阳电池1 2 1 l ( 1 表示n 型硅衬底，2 和2 表示p 型发射极，3 和4 表示电极) 在硅片前、背表面都制作p n 结，并通过电极与外电路接触，光生载流子不 需要很长的扩散长度就能到达结区，所以这种结构对硅衬底材料的质量要求不需 要很高，适合应用于低纯度硅衬底上。在这种双p 1 1 结上，电极可制作在硅片侧 面，也可以在前、背表面。一种典型的双p n 结双面太阳电池结构如图l 。1 9 2 3 1 所示，在电池的前表面制作全p n 结，而在背表面制作局部p - n 结和局部高低结 ( p p + 或n n + ) ；在全p n 结表面制作一种极性电极，而在另一表面制作交错的两 种极性电极。由于在背表面需要实现交错的两种电极，增加了工艺实现的难度， 同时也增加了背面的遮光面积。这种结构是实现高效太阳能电池的一种有效方式。 1 9 8 0 年，a c u e v a s 2 4 1 等人就制作过这种结构的双面太阳电池，在4 c m 2 面积p 型 硅衬底上制作的电池的转换效率只有1 2 7 。1 9 9 3 年，h i t a c h i 公司【2 3 l 报道了在 1 0 c m 2 面积p 型铸造多晶硅上制作的这种结构的双面太阳电池，采用丝网印刷技 术制作前、背电极，通过a g - a i 浆形成a l 背表面场，电池效率前面为1 5 5 背 面为1 2 。到2 0 0 1 年，h i t a c h i 公司研究人员1 2 s 】改进结构和工艺，在l c m 2 区熔 硅衬底上制作出的双p - n 结双面太阳电池，其前表面效率达2 1 3 ，背表面为 1 9 8 。 1 6 晶体睦太阳l a 池表面金属化i 艺& 性能研究 图1 - 1 9 坝 n 结取面太r i 电池 对于图1 - 1 9 结构电池，若将背面发射极不联结电极，则背面的p - n 结被称为 浮动结( f l o a t i n gj u n o t i o n ) ，浮动结能够对背表面起到很好的钝化作用2 2 ”。但是 浮动结若没有和背面电极有效的隔离，很容易导致旁路结的产生，会大幅度降低 太阳电池的开路电压和填充因子。 2 0 0 1 年，澳大利亚国立大学在o r i g i ne n e r g y 公司的资助下，成功丌发了长条 太阳电池( s l i v e rs o l a rc e l l ) 硼。这是一种新型结构电池，在同等发电量的条件下， 硅材料用量只需要常规电池的1 0 左右，电池结构类似图1 - 2 0 2 9 3 0 i o 在约l 2 m m 厚的硅片上刻槽，形成单个的长度为5 0 l o o m m 、宽度为l 2 m m 、厚度为4 0 6 0um 的长条形硅片，但这些小硅片仍然和原硅衬底片相连。在完成扩散、氧化、 镀膜等t 艺后，将各小硅片从村底硅片上分离出来，然后在长条硅片边缘上制作 电极，制作的电池在光照面上没有电极的遮挡。由于其独特的制作工艺和结构设 计，电池效率双面都超过了2 0 ，且还可制作成为柔性弯曲组件。虽然制作长条 太阳电池工艺复杂，但由于其高效率和独特的结构，市场应用前景极具优势。 。h | ， 幽1 - 2 0 长条形太阳电池结构示意图0 9 】 晶体硅太阳电池表面金属化工艺及性能研究 1 3 3 2 单p - n 结双面太阳电池 ( 1 ) 背表面场双面太阳电池 常规太阳电池一般采用p 型硅片，在前表面制作绒面、扩散制结、镀氮化硅 减反射膜、丝网印刷银电极，在背表面丝网印刷铝浆形成背表面场。若将常规太 阳电池的铝背表面场由硼背表面场代替，并引入背表面钝化技术，就形成了单 p n 结双面太阳电池。由于制作太阳电池使用的硅片越来越薄，丝网印刷的铝背 表面场在烧结后会使硅片产生较大的弯曲，导致在封装组件时电池片容易破裂， 采用硼背表面场可有效消除弯曲影响，且能有效降低背表面复合速率和反向饱和 电流f 3 1 1 。这种结构一般根据衬底材料的不同，可分为n + p p + 和p + n n + 结构，如图 1 2 1 所示。该结构电池与常规太阳电池结构类似，制作工艺与常规电池基本一致， 在大规模生产上可以与常规电池设备相兼容。 图1 2 1 单p - n 结双面太阳电池结构口2 l 1 9 8 1 年首次报道了3 2 1 p + n n + 结构双面太阳电池，在5 c m s 大小的n 型区熔硅片 上，前、背表面分别采用b b r 3 和p o c l 3 制p - n 结和背表面场，双面旋涂t i 0 2 减反 射膜和溅射t i p d a g 电极，得到前表面电池效率为1 5 7 背表面电池效率为 1 3 6 。随着在常规电池中制造工艺的不断改进，各项新技术同时应用于双面电 池，使双面电池的性能逐步提高。 1 9 9 4 年，a m o e h l e c k e 等人【3 3 1 于艮道了一种p + n n + 结构的双面太阳电池，其前 表面效率达1 8 1 ，背表面为1 9 1 。该电池采用2 0 “6 0qc m ，2 英寸n 型区熔 硅片，双面制绒和热氧化s i 0 2 减反射膜，以b b r 3 和p o c l 3 制结和背表面场，并通 过光刻掩膜来定义前、背面电极位置，电子束蒸发a i - t i p d - a g 前电极和t i p d a g 背电极，最后在4 5 0 。c 温度下进行退火处理。对于这种全表面的p - n 结和背表面 场电池结构，a m o e h l e c k e 等人实验分析了n + 表面的效率总是高于p + 面，这是由 晶体硅太阳电池表面金属化工艺及性能研究 于扩散源的不同，p + 面有比n + 面更高的表面复合速率。 在太阳电池背面采用局部铝背表面场也可以实现双面吸光效果1 。采用2 x 2 c m 2 、p 型1 5 q c m 区熔硅，双面制绒和p e c v d 镀s i n x 减反射膜，以p o c l 3 扩散 制结，而背表面采用掩膜蒸镀a l 栅线，通过高温处理在背面形成局部a l 背表面 场。前表面掩膜蒸镀t i - p d - a g 电极。在标准测试条件下，测得一电池的前、背 面效率分别为1 9 4 、1 6 5 ；另一电池分别为1 8 4 、1 8 1 。 ( 2 ) 刻槽埋删双面太阳电池 刻槽埋删电池是实现高效电池的有效结构之一【8 1 。在硅片两面采用激光刻槽 埋删技术制作电极；或将硅片前表面只制作表面场，而在背面交错刻槽形成p - n 结和局部背表面场，也可得到理想的双面吸光效果。结构示意图如图1 2 2 。在 8 c m 2 , 1 7 5i lm 厚n 型区熔硅片上制作的图1 - 2 2 a 结构的电池，前面效率达1 6 6 ， 背面为1 6 2 t 3 5 1 。这种结构独特的工艺是采用了激光刻槽、选择性扩散和化学镀 n j c u 电极技术。类似工艺制作的图1 - 2 2 b 结构的电池1 3 5 3 引，前面效率达1 9 2 背面为1 4 5 ，且可获得高达6 8 0 m v 的开路电压。 r l b m l a a t i l 瞳 姗，一1 土上l 土l 圭l 。 r 腭r 7 f m p c ( a ) ( b ) 图1 2 2 刻槽埋栅双面太阳电池结构 ( 3 ) 背接触双面太阳电池 背接触太阳电池是一种已经商