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浙江理工大学硕+ 学位论文 快速热处理制备硅太阳电池铝背电极 摘要 太阳能是人类解决能源和环境问题的重要途径。硅基太阳电池凭借原材料丰 富、安全无毒、转化效率高等优点，仍将在今后很长一段时间占据光伏市场的主 体地位。进行硅太阳电池铝背电极制备，除完成载流子收集，与外界负载形成回 路外，能有效对硅基体进行吸杂、钝化，改善电极与硅片间的欧姆接触，增加电 池的长波光谱响应，从而有效提高电池的转换效率。采用快速热处理进行硅太阳 电池铝背电极制备，缩短电池制备周期的同时，电池的转换效率也能相应得到提 高。 论文采用快速热处理进行了硅太阳电池铝背电极制备，系统地对不同热处理 条件制备得到的电极，进行了表面形貌、物相结构、表面成分以及铝背场性能分 析，并对电极制备引发的硅片应力进行了测量和分析。研究发现： l 、不同烧结工艺对电极表面形貌及物相生成有重要影响。采用快速热处理， 铝硅相可在更低温度，经更短烧结时间生成。氮气气氛烧结，制备得到的铝背电 极表面较常规热处理更为平整、致密、光滑；氧气气氛烧结，由于铝氧化、甚至 氧化铝的生成，制备得到的铝背电极表面与常规热处理结果类似，制备得到的电 极表面疏松。 2 、采用快速热处理，铝背场可在更低温度，更短烧结时间内形成。采用快 速热处理制备铝背电极，形成的铝背场具有结深大，势垒高度合适，载流子浓度 曲线变化陡峭等特点。 3 、对比常规热处理，快速热处理制备硅太阳电池铝背电极，硅片将产生更 大的残余应力，烧结气氛及烧结温度均对电极制备引发的硅片应力有重要影响。 在8 0 0 0 c 烧结，硅片残余应力表现为氮气 空气 氧气的规律；1 0 0 0 0 c 烧结，硅 片残余应力表现为氧气 空气 氮气的规律。 关键词：硅太阳电池：快速热处理；铝背电极；应力 浙江理工大学硕十学位论文 p r e p a r a t i o no f a l u m i n u mr e a re l e c t r o d ef o r c r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l sb yr a p i dt h e r m a lp r o c e s s i n g a b s t r a c t s o l a re n e r g yi st h eb e s tc h o i c et os o l v ee n e r g ya n de n v i r o n m e n t a li s s u e sf o r h u m a n b e i n g d u et ot h ea d v a n t a g e so fn o n - t o x i c ，h i g hc o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n d a b u n d a n ts o u r c em a t e r i a l s ，c r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l sw i l lt a k em a j o r p a r to fs o l a r c e l lm a r k e tf o raq u i t el o n gt i m e b e s i d e sc a r d e r sc o l l e c t i o na n df o r m i n gc i r c u i t 、析t l l e x t e r n a ll o a d ，r e a ra l u m i n u me l e c t r o np r o b eo nc r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l lc a n e f f e c t i v e l yp e r f o r mt h eg e t t e r i n gp r o c e s s ，p a s s i v a t et h eb a s e ，i m p r o v et h eo h m i c c o n t a c tb e t w e e nw a f e ra n de l e c t r o d e ，a n de n h a n c el o n gw a v e r e s p o n s eo fs i l i c o ns o l a r c e l l t h e r e f o r e ，t h er e a ra l u m i n u me l e c t r o np r o b ec o u l di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f s i l i c o ns o l a rc e l l s p r e p a r a t i o no fr e a ra l u m i n u me l e c t r o np r o b eb yr a p i dt h e r m a l p r o c e s s i n g ( r t p ) m a yi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fs i l i c o ns o l a rc e l la sw e l la ss h o r t e n t h ef a b r i c a t i o np r o c e s s t h et h e s i si sm a i n l yf o c u s e do np r e p a r a t i o no fr e a ra l u m i n u me l e c t r o np r o b e r a p i dt h e r m a lp r o c e s s i n g ( r t p ) t h et h e s i sr e p o r t st h es y s t e m a t i cs t u d yo nt h es u r f a c e m o r p h o l o g i e s ，p h a s es t r u c t u r e s ，s u r f a c ec o m p o s i t i o n s ，a n dp r o p e r t i e so f b a c ks u r f a c e f i e l d ( b s f ) o ft h e r e a ra l u m i n u me l e c t r o np r o b ep r e p a r e db yd i f f e r e n tt h e r m a l p r o c e s s i n gc o n d i t i o n s a f t e re l e c t r o d ef a b r i c a t i o n ，r e s i d u a ls t r e s sw i l lb eg e n e r a t e di n t h es i l i c o nw a f e r t h et h e s i sa l s or e p o r t st h es t u d yo nt h er e s i d u a ls t r e s so fs i l i c o nb a s e c a u s e db yr e a ra l u m i n u me l e c t r o np r o b e f a b r i c a t i o n a c c o r d i n gt oo u rr e s u l t s ： 1 f i r i n gc o n d i t i o nh a ss i g n i f i c a n ti m p a c to ne l e c t r o d e sm o r p h o l o g i e sa n dp h a s e s t r u c t u r e s t h em o r p h o l o g i e so fe l e c t r o d e sp r e p a r e db yr t pi nn i t r o g e na t m o s p h e r e a r em u c hm o r ec l e a n , d e n s ea n ds m o o t ht h a nt h o s eo fs a m p l e s p r e p a r e db y c o n v e n t i o n a lf u r n a c ep r o c e s s i n g ( c f p ) d u et ot h eo x i d a t i o no fa l u m i n u ma n de v e n t h ef o r m a t i o no fa l u m i n a , t h em o r p h o l o g i e so fe l e c t r o d e sp r e p a r e db yr t pi no x y g e n i i 浙江理工人学硕士学位论文 a t m o s p h e r e & r er o u g ha n do s t e o p o r o s i s ，w h i c hi ss i m i l a rt ot h o s eo ft h es a m p l e s p r e p a r e db yc f e 2 a l u m i n u mb a c ks u r f a c ef i e l d ( a l b s f ) c a l lb ef o r m e da tl o w e rt e m p e r a t u r ei n s h o r t e rt h e r m a lp r o c e s s i n gt i m eb yr t p a 1 一b s fp r e p a r e db yr t ph a s d e e p e rj u n c t i o n d e p t h ，m o r es u i t a b l eb a r r i e rh e i g h t , a n ds t e e p e rv a r i a t i o no fc a r t i e r sd e n s i t y 3 c o m p a r e d 谢mc f p , al a r g e rr e s i d u a ls t r e s sm a yb eg e n e r a t e di ns i l i c o nw a f e r 勰 t h er e a ra l u m i n u me l e c t r o np r o b ei sp r e p a r e db yr t p f o rr t p , t h er e s i d u a ls t r e s si n s i l i c o nw a f e ri s s i g n i f i c a n t l y i n f l u e n c e d b y t h e p r o c e s s i n ga t m o s p h e r e a n d t e m p e r a t u r e a t8 0 0 。c ，s a m p l e sf i r e di nn i t r o g e na t m o s p h e r eh a v et h el a r g e s tr e s i d u a l s t r e s s ；s a m p l e s f i r e di n o x y g e na t m o s p h e r eh a v et h es m a l l e s tr e s i d u a ls t r e s s n e v e r t h e l e s s ，a t10 0 0 。c ，s a m p l e sf i r e di no x y g e na t m o s p h e r eh a v et h el a r g e s tr e s i d u a l s t r e s s ，w h i l es a m p l e sf i r e di na i ra t o m o s p h e r ea n dn i t r o g e na t m o s p h e r eh a v et h e s m a l l e s tr e s i d u a ls t r e s s k e yw o r d s ：c r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l ；r a p i dt h e r m a lp r o c e s s i n g ( r 3 v ) ， a l u m i n u ml e a e l e c t r o d e ；s t r e s s 1 i i 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。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。除文中已明确注明和引用的内容外，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及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并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：甜适卅 日期：山7 年3 月2 r 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 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e l，在 不保密。 学位论文作者签名：捌b 句 日期：沙叩年。月日 年解密后使用本版权书。 指导教师签名： 嗍叫年 岁月日 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 新能源开发迫在眉睫 第一章绪论 能源是人类社会赖以生存和发展的基础，在国民经济中具有重要战略地位； 环境是人类及万物生存发展的场所，是人类可持续发展的必要条件。一次能源 日渐枯竭，人类的高度发展对能源的需求却不断上升。7 0 年代的石油危机和现 有石油价格的不断上涨，使人类的发展遇到前所未有的挑战。此外，一次能源 消耗过程中释放的有毒有害气体使人们的生活环境同益恶化。寻找新的、可持 续使用清洁能源迫在眉睫。 作为一个发展中国家，我国能源工业面临着经济增长、环境保护和社会发 展等多重压力。我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，煤炭占商品能源消费 的7 6 。传统化石能源消耗过程的尾气排放，已成为我国大气污染的主要来源。 尽管如此，已经探明的常规能源剩余储量( 煤炭、石油、天然气等) ，以及可开 采年限均十分有限( 图1 1 ) ，同比世界，中国的能源形势更加严峻。因此开发 利用可再生能源、实现能源工业的可持续发展更显迫切、意义也更为重大1 1 捌。 3 田噬2 5 0 匕 肿2 0 0 暖1 5 0 _ 1 5 0 o 太阳能石油粼煤铀 图1 1 世界和中国各种能源储量比较 f i 9 1 1t h ee n e r g ys o u r c e sc o m p a r i s o no fc h i n aa n dt h ew o r l d 发展至今日，人类已开发研究、并较大规模使用的新能源主要包括核能， 风能，地热，生物质能等。核能虽然具有最大的能量密度，但核泄漏对人类健 浙江理工大学硕士学位论文 康造成的潜在威胁使人们始终对其普及应用心有余悸。风能的利用给人类以惊 喜，兆瓦级风机的开发利用，使风能解决部分能源问题的可能性进一步加强。 但风机受地域性限制非常严重，而且风机的噪音污染不得不使其远离人们的居 住地，较长的输电线路也使其在竞争力上大打折扣。近年来，人们对地热的研 究使用达到了很高的热潮，并取得了较大进展，但同样受地域限制，地热更多 地只能解决当地的部分能源问题。风风火火的生物质能使部分农村地区资源浪 费严重的问题得到解决，但农村地区的低能耗和生物质能利用方面的繁琐处理， 使大部分老百姓更愿意选择传统的秸秆处理方式。水资源尽管储量丰富，清洁， 无污染，但其使用过程中存在的问题同样使人担忧。埃及阿斯旺大坝尽管推动 了阿斯旺地区的经济发展，但阿斯旺以下尼罗河周边区域的农作物生产却因此 饱受其害。就我国三峡电站而言，尽管确实缓解了中西部电力不足的问题，但 同时也引发了四川旱涝无常，洞庭湖水位下降，长江下游黄金水道运输能力减 弱等许多负面影响。作为绿色能源，太阳能具有一系列优点：储量无限，取之 不尽、用之不竭；清洁无污染；利用普遍性。因此，太阳能必将在能源结 构转换中起到重要作用，是人类解决能源和环境问题的最佳选择。 1 2 太阳能稳步快速朝前发展 1 2 1 太阳电池发展历史 太阳，作为地球所需能源的供应总部，光热的直接应用在人类尚未出现， 便已然发挥巨大功效。太阳能热水器、太阳灶等，只是多采用了一个聚光设计。 对于各种材料的太阳电池，总体而言，都是利用材料的光生伏特效应，将太阳 能转化为电能。 太阳电池的历史可以追溯到1 9 世纪。1 8 3 9 年a e b e c q u r e l 在电解槽中发 现了光生伏特效应，1 8 8 3 年，c h a r l e sf r i t t s 描述了第一个用硒制造的光生伏特 电池，1 9 4 1 年，o h l 提出了硅p 1 1 结光伏器件。太阳电池发展的一个重要里程 碑则是1 9 5 4 年，美国贝尔实验室制出了第一个实用的硅扩散制备p n 结太阳电 池，并很快将光电转换效率提高到1 0 。1 9 5 8 年，太阳电池首次在人造卫星上 得以应用，而研究、利用太阳能发电的新阶段也从此开始。2 0 世纪8 0 年代以 前，由于发电成本过高，太阳电池的应用不多，光伏发电主要在航天、通讯、 2 浙江理工大学硕士学位论文 导航、农业灌溉等领域作为补充能源。进入8 0 年代后，由于能源危机和环境恶 化，可持续发展的观念同渐深入人心，太阳能的应用也得到越来越广泛地关注。 进入9 0 年代后，随各种相关政策的出台及政府的大力资助，太阳能的应用发展 开始大幅加速，最近几年，太阳电池的产量更是以前所未有的速度朝前发展。 图1 2 统计了1 9 9 9 年以来，太阳电池年产量的情况。 一、 蕾 皇 、- 嘲 攫 19 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 2 0 0 5 2 0 0 6 2 0 0 7 2 0 0 8 2 0 0 92 0 1 0 图1 21 9 9 9 - 2 0 1 0 年全球太r i 电池产量发展及预测( m w ) 嘲 f i g 1 2s t a t i s t i c sa n df o i 韧灌s t h ea n n u a lo u t p u to fs o l a rc e l l s ，1 9 9 9 - 2 0 1 0 由图可以发现，进入2 1 世纪，太阳电池的发展极其迅猛。从2 0 0 2 年开始， 太阳能电池年增长率都超过了3 0 ，而从2 0 0 3 年以后，太阳电池的增长速度又 均超过了4 0 。特别是2 0 0 4 年，太阳电池产量的增幅达到了6 7 。尽管由于 受硅材料短缺等的影响，2 0 0 5 年，更加合理的产量大致为1 6 1 6 m w ，低于预计 的1 8 0 0 m w ，但相比于1 9 9 9 年，产量仍增加了7 倍多。到2 0 0 8 年年底，尽管 受美国金融风暴影响，全球太阳电池的实际生产总量将达不成预计的6 0 0 0 m w ， 但根据前三个季度统计，全球太阳电池总量仍可突破5 0 0 0 m w 大关。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 l 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 3 浙江理工人学硕士学位论文 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 2 2 近年来太阳电池发展的趋势 最近几年，太阳能电池产业的发展呈现出以下几个特点： ( 1 ) 晶体硅太阳能电池依然是主流，其他材料电池有了大力发展。 2 0 0 5 年，晶体硅的市场份额大致为9 0 6 ( 单晶硅3 8 3 ，多晶硅5 2 3 ) ， 晶体硅的大量需求给原材料市场带来前所未有的压力，2 0 0 5 年太阳电池产量增 长较2 0 0 4 年有较大回落，原材料紧缺是根本原因。硅材料的短缺导致晶体硅太 阳电池价格产生很大涨幅，这也促进了其他材料太阳电池的发展。2 0 0 5 年，非 晶硅薄膜电池的产量占市场份额的4 7 ，达到8 6 m w 。从2 0 0 6 年开始，国际 上一些较大的光伏企业都制定了发展薄膜电池的目标。例如：2 0 0 8 年，e r s o l g r o u p 将要把其年产薄膜组件的生产能力提高到4 0 m w ；美国的e n e r g y c o n v e r s i o nd e v i c e s ( e c do v o n i c s ) 宣布将其薄膜组件生产能力增长至每年 6 0 m w ：德国的s c h o t t 公司将投资近6 0 0 0 万欧元，增加3 0 m w 的薄膜电池 年生产能力。与此同时，国内较大的光伏企业也在加快薄膜生产的筹备及中试。 2 0 0 8 年年底，尚德，林洋，正泰等厂家的薄膜设备均己到位，随着中试的完成， 薄膜产线也将正式完成投产。因此，可以预见，非晶硅薄膜太阳电池的市场份 额将持续稳定增加。尽管如此，薄膜电池的光致衰减和较低的效率( 8 9 ) ， 始终是其没有大面积应用的原因。碲化镉( c d t e ) ，就其物理性质来说，是一 种非常理想的光伏太阳能转换材料。作为直接带隙材料，它的带隙宽度为 1 4 5 e v ，具有极高的光吸收系数，l l x m 厚的薄膜足以将9 9 的可利用的太阳光 吸收掉。美国n e r lc d t e 小组于2 0 0 1 年制备出的效率为1 6 4 的c d t e 薄膜 太阳电池，b ps o l a r 公司制备出最高转换效率为1 0 6 的c d s c d t e 薄膜太阳 电池组件。所有这些，均进一步显示了这种薄膜太阳电池的巨大发展潜力。但 镉的毒性及对环境的污染是碲化镉电池大面积推广的致命弱点。铜铟( 镓) 硒 ( c i s c i g s ) 电池，经过近2 0 年的发展，薄膜电池的最高转换效率已高达1 8 4 ， 尽管当i j 所占的市场份额几乎可以忽略，但较低的组件价格( 市场价格2 美元 w ) 促使其将有较大发展。不过铟和硒都是稀有金属，这也决定c i g s 只能作 4 浙江理1 人学顿十学位论文 为缓解硅材料短缺的补充材料4 】。 凶此，尽管存在硅材料短缺问题单晶硅和多晶硅r 【l 池将依然是世界太阳 能电池市场的主流。特别是多品硅屯池，尽管所占比例有所卜降，但电池效率 差距却在逐渐与单品硅缩小( 国内单晶硅太阳电池的平均效率约为1 65 ，多 品硅太阳电池的转化效率约为1 5 0 ) 。随着多品硅材料产量的逐年l j i - ，以及 七大多黼硅厂商扩建增产项日的相继完成，硅材料短缺问题正逐渐得到改善。 根据预计，晶体硅太m 能屯池的卡导地位在1 0 1 5 年内不会动摇。 ( 2 ) 糕个产业链发展迅速。 整个光伏产业产业链如图13 所示( 对于堆品硅太阳1 乜池，p o l y s i l i c o n 应 相应地变为m o n o s i l i c o n ) ： 测麟锄赫曩 阿1 3 光伏产业链 f 9 1 3 t h ep h o t o v o l t a i c v a l u ec h a i n 由于技术垄断，i = 1 前全球9 0 以上的多品硅原料山w a c k e r ，r e c 等7 家企 业提供。2 0 0 5 年这7 家伦业共牛产半导体多品硅21 2 万吨、太阳能级多品硅 6 6 0 0 吨。尽管如此，由于a 阳能电池的高速发展，在2 0 0 5 年，全球品体硅原 材料仍出现严重短缺，太阳电池增长幅度也较2 0 0 4 年有所回落。而此现象也促 使各人商加快扩建增产的进程，更多的d 体硅原料生产企业也力速筹建。从 2 0 0 5 年起，并大j 商均，r 始投巨资用于扩大太阳能级多品硅的生产量，例如 e c o n c c r n 公司和n o r s u n 将联合建立一个年产2 0 0 0 3 0 0 0 吨a 刚能缴硅的生产 厂，任- 1r 冈万1 1 t u 级硅材料厂的调研也在紧张有序地进行。按当前进度，7 大 j 家的多品硅扩建计划有型在今年年底或明年年初完成，届时，硅料短缺问题 浙江理工人学硕士学位论文 将得到较好的解决。在硅锭制造上，全球，特别是中国，至2 0 0 6 年起，在江西、 河南、四川等地新建了多个1 0 0 兆瓦级多晶硅锭生产基地。除扩建增产外，新 型的硅提纯技术从更高层面对硅原料短缺问题进行了解决。美国的d o wc o m i n g 开发了一种从冶金级硅上直接提取太阳能级硅的新技术，其生产的太阳能电池 性能与原来硅材料制备的太阳能电池相差无几。i c 废片和n 型材料的应用，大 大拓宽了晶体硅电池原材料的选择空间。 易于理解，每瓦消耗硅材料的减少有利于电池价格的降低。同益成熟的线 切割技术使硅片的厚度越来越薄，生产1 5 0 t u n 的硅片不再是难题。s c h o t t 太 阳公司开发的特殊的硅片制备技术( e f ge d g ed e f i n e df i l mf e dg r o w t h ) 使硅材 料的消耗减至最小，另外的一些新型硅料制备技术，如带硅( r i b b o ns i l i c o n ) ， 枝蔓蹼晶( w e bd e n d r i t i cc r y s t a l ) 等也对硅材料成本的下降具有重要意义。电 池制备，作为整个产业链的核心，得到了更为快速的发展。在各国政策的激励 下，太阳能市场不断扩大，随之产生的大系统集成商也不断涌现，专业的附属 设备制造厂日益增多。新技术、新设备、新辅料的应用在降低电池制造成本的 同时，电池效率也屡创新高。欧洲各国及其他发达国家发起的无铅焊料，无镉、 无铅浆料的研究，使重金属离子污染得到极大限制。针对槽式多品酸制绒热量 排放困难问题，r e n a 公司巧妙利用浮法玻璃制备原理，研发制备了链式多晶酸 制绒设备。s u n p o w e r 公司的扩展高效逆变器生产线，完成了完整、集成式太阳 能系统的建立。太阳能跟踪系统保证组件总能够以最佳的角度面对太阳，这样 直接入射的和散射的光线都能被有效的利用，发电时间比传统组件多出一倍。 ( 3 ) 越来越多的激励政策纷纷出台。 目前，德国，美国、日本大规模推广光伏并网发电的“屋顶计划”，一方面 以逐步取代日益枯竭的常规化石能源，另一方面避免人类的生存环境继续恶化。 如德国有“十万屋顶计划 ，美国有“百万屋顶计划”，而同本则有类似的“朝 日计划等。经过多年发展，在日本和德国，太阳能发电已经占据了一定的份 额。当德国和同本市场增长趋于缓和时，南欧市场成为了新的光伏市场。随着 西班牙、希腊、法国、意大利等国政府支持光伏发展补贴措施的出台，南欧市 场开始成为电池厂商的必争领地。2 0 0 8 年，西班牙全年计划装机总量为3 0 0 m w ， 尽管受金融风暴影响，西班牙政府给出的2 0 0 9 年计划装机总量仍然高达 6 浙江理t 大学硕十学位论文 5 0 0 m w ，扣除之前尚未完成的1 0 0 m w ，实际的装机总量较2 0 0 8 年仍将有 1 0 0 m w 的提升。根据计划，在2 0 0 9 年，法国光伏市场也将继西班牙之后登上 世界光伏的大舞台。与此同时，许多发展中国家，包括印度、中国等，都开始 加大太阳电池的发展力度，各种政府支助补贴政策相继出台。我国政府在推动 太阳能光伏发电方面已经采取了一系列措施，如2 0 0 5 年5 月2 8 日，第十届全 国人大常务委员会通过了中华人民共和国可再生能源法，并于2 0 0 6 年1 月 1 日正式实施。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，主要有：西藏阿里地区的专项光伏工程，g e f 项目，光明工程， 西部7 省无电乡通电工程，2 0 0 8 北京绿色奥运，2 0 1 2 上海世博会等。 ( 4 ) 各种形式合作交流日益频繁。从2 0 0 5 年6 月到2 0 0 6 年6 月，短短一 年时间，光伏行业在资本市场上增加了1 8 亿美元。2 0 0 6 年年底，光伏业内较 大的资本事件更是频频发生。中国电池厂商，如无锡尚德，浙江昱辉，江苏林 洋，常州天合等在国外市场的相继上市便是一个缩影。此外，电池厂商牵手材 料厂商，系统厂商与电池厂商合作频繁，各个厂商合作并购使光伏电池资源在 全球范围内重新分配，电池制造成本继续降低。越来越多的展览会、学术会、 交流会在全球举办，越来越多的人开始关注太阳能电池。2 0 0 5 年l o 月1 0 日到 1 0 月1 5 日，上海成功举办了第1 5 届p v s e c 锐g ( 1 5 恤i n t e r n a t i o n a lp h o t o v o l t a i c s c i e n e ea n de n e r g yc o n f e r e n e e ) 。2 0 0 7 年在意大利米兰举办的欧洲光伏会议更是 吸引了多达8 3 个国家的科学家、企业代表、政府官员共计3 0 0 0 多人参加会议， 而到会议现场参观展览的人数更是超过1 2 0 0 0 多入。最近在江苏常州举行的第 十届中国光伏会议，几乎聚齐了中国绝大多数太阳电池厂家代表以及该领域的 众多资深专家。大会以迎接光伏发电新时代为主题，对中国太阳电池的发展历 程进行了回顾总结，并就当前及今后太阳电池所面临的形势进行评估分析及目 标规划。各种形式的合作交流，极大地促进了太阳电池的研发、生产及其民用 化进程1 5 , 6 1 。 1 3 晶体硅太阳电池发展趋势 随原材料短缺及其他材料太阳电池的市场冲击，晶体硅太阳电池所占市场 份额尽管略有下降，但是凭借安全无毒、转化效率高和原材料丰富等优点，硅 7 浙江理工大学硕+ 学位论文 基太阳电池仍将在今后很长一段时间占据光伏市场的主体地位。 随各项技术的相继成熟以及降低电池成本的要求，近年来，晶体硅太阳电 池的发展主要有以下特点： ( 1 ) 硅片越来越薄，单个硅片面积越来越大。随硅片线切工艺的改进，以 及相应配套设备及技术的成熟，2 0 0 8 年，常用硅电池片的厚度已经由年初的 2 2 0 1 a m 降至5 ，6 月的2 0 0 1 m a ，并进一步降低至当前的1 8 0 1 x r n 。对于一些先进 厂家，线上硅片厚度已经降低至1 7 0 i _ u n 。对硅材料而言，尽管硅是间接带隙材 料，但1 0 0 1 x m 的厚度已足够吸收大部分太阳光，因此硅片厚度还有很大的下降 空间。单个电池片的面积也由几年前的1 0 3 e m x1 0 3 c m 增加到1 2 5 c m x1 2 5 c m 再到1 5 6 c m x1 5 6 c m 。硅片面积的增大，可在不改变生产设备的前提下，提高 电池的生产能力，相应地，每瓦电池的制造成本得到降低。 ( 2 ) 新的设备不断开发应用。一批专业生产半导体生产线的企业投入太阳 能电池生产线的生产，在促进太阳能电池生产设备发展的同时，新设备的精度 及自动化程度也在不断提高。大面积溅射设备、双线印刷技术等的开发将大大 提高原有产线的生产能力。r e n a 公司开发的在线生产设备，实现了硅太阳电池 真正的流水线生产。同时，整个生产过程不需要人工参与硅片的传递，避免了 硅片的污染，提高了电池生产效率。 ( 3 ) 新型电池辅料不断开发。与浅结硅太阳电池片( 方阻为5 0 一7 0 q i - - i ) 形成良好欧姆接触的正、背电极银浆已由f e r r o 公司研发成功。无铅、无镉银 铝浆，以及无铅焊带的开发使用，进一步降低了硅太阳电池制备可能引起的重 金属污染。此外，f e r r o 及d u p o n t 各自开发研制的无铅、无镉铝浆适用于1 8 0 1 u n 薄片，经电极制备，电池在1 5 0 m m 尺寸上的翘曲度小于l m m 。此外，制绒过 程表面活化剂有效降低绒面反射率，二次清洗过程使用的e c n 添加剂在相同条 件下能将多晶硅太阳电池的绝对转换效率提高0 1 0 3 ，新型封装玻璃和e v a 则提高了电池组件的效率。 ( 4 ) 产量急剧增加，效率增长速度减缓。从2 0 0 2 年起，电池产量的增长幅 度均大于3 0 ，2 0 0 4 年更是达到了6 7 。尽管受金融危机影响，当前太阳电池的 发展处于寒冬期，但根据计划，相比2 0 0 8 年，2 0 0 9 年太阳电池的产量增幅仍可达 5 0 以上。相比电池产量的快速增长，经多年的快速增长，当前晶体硅太阳电池 8 浙江理丁大学硕f 学位论文 转换效率的增长已渐趋平缓。对于单品硅太阳电池，实验室的最高转换效率为 2 47 ，由新南威尔士大学小组制各的p e r l 电池保持。对于多品硅太阳电池，实 验室最高转换效率为2 03 ，由德国f r a u n h o f e r j k 阳能研究制各获得。当前，对商 业用硅太阳电池，单晶硅太阳电池的转换效率约为1 6 5 ，对于些先进电池厂 商，电池的转换效率可接近1 8 ；商业用多晶硅太阳电池的转换效率一般为1 5 左右1 4 i 。 4 论文研究内容及意义 1 4 1 快速热处理制各硅太阳电池锚背电极的意义 尽管太阳能光电技术在过去的几十年已经有了长足发展，太阳电池的价格 已经接近2 美元u ( k wh ) 。但是到目前为止，商业太阳电池发i 乜成本仍然远高于 常觑能源( 如水利、火力和核能) 的发电成本，至少是后者的两倍以上口i 。囚 此，降低电池制造成本，提高硅 阳电池的光电转换效率，是提高太阳电池在 能源领域竞争力的根本途径。 首先对于r 乜池成本，简单而占，可以将光伏组件的成本划为三大块，即 硅片成本，电池制造成本以及电池封装材料及安装器材成本。当前，各部分占 总成本的比重大致如图1 4 所示： 幽1 d 光伏组件并部分咸丰比弧示意图 f 嘻t h e m a r k e tc o s ts h a r eo f p v m o d u l e s 浙江理工人学硕士学位论文 由上图可以发现，晶体硅太阳电池组件的成本主要是由硅片及电池制造成本 组成，它占了整个光伏组件制造成本的7 2 ，因此，为降低整个光伏发电的成本， 从硅片本身及电池制造成本着手是根本。随多线切割技术的日渐成熟及完善、电 池制备新设备的研制以及电池制备技术本身的进步，更薄硅片的使用变得非常可 行。此外，1 0 0 1 上m 厚的硅片就已经可以吸收大部分太阳光，因此，硅片的继续薄 化还有很大空间。而定向凝固多晶硅制备技术，e f g ( 限边喂膜) ，硒b b o n ( 带 硅) ，w e b ( 枝蔓蹼晶) 等新型硅片制备技术的发展，更使硅片成本大幅下降。 对于晶体硅太阳电池的制备，除必须的辅料外，整个电池制备过程中存在着 多个热处理步骤，而每个热处理过程中都必须有相应的气氛，因此，电池制备过 程中的热、气损耗也是电池制造成本的重要组成。采用常规热处理( c f p ， c o n v e n t i o n a lf u r n a c ep r o c e s s i n g ) ，由于升降温速率一般都不大于2 0 0 c 分，因此 硅太阳电池制备的热处理过程都需很长周期。长的热处理时间在引发更大热、气 损耗的同时，电池的制备周期也相应延长，电池制备成本也随之迅速增加。进行 硅太阳电池电极制备，尽管可连续加工生产的链式处理炉已被众多厂家大规模采 用，但常规热处理较慢的升降温却并不能获得根本解决。采用快速热处理( r t p ， r a p i dn e 咖a 1p r o c e s s i n g ) ，由于采用光加热方式，硅片的加热速率可达5 0 15 0 0 2 秒，与此同时，通过水冷循环及风扇降温，硅片的降温速率也可达2 0 1 0 0 0 c 秒。 采用快速热处理，电池制备热处理过程所需时间将大大减小，对比常规热处理， 电池的整个制备周期将缩短一半。在缩短电池制备周期的同时，电池制备过程的 热、气损耗也相应得到控制。因此，采用快速热处理进行硅太阳电池制各，能有 效降低电池制备的成本。 随硅太阳电池材料及电池制备水平的不断提高，太阳电池的少子寿命也在不 断增加，即少子的扩散长度不断增加。当少子的扩散长度与硅片厚度相当或超过 硅片厚度时，背表面复合速率( b a c ks u r f a c er e c o m b i n a t i o nv e l o c i t y ) 对太阳电 池输出特性的影响就非常明显。为提高电池光电转换效率，必须降低电池背表面 复合速率，提高电池长波光谱响应。在硅太阳电池背面丝网印刷铝浆，并经后续 热处理是当前硅太阳电池厂商进行硅太阳电池背电极制备的主要方法。研究指 出，进行铝背电极制备，在完成电池金属化的同时，电极制备过程中形成的铝背 场能有效降低电池的背表面复合速率。在烧结过程中形成的铝硅合金由于对长波 l o 浙江理t 大学硕士学位论文 有高的反射，电池的长波光谱响应也因此能得到增强。此外，另有报道指出，进 行磷铝共吸杂，硅基体的吸杂效果比磷、铝单独吸杂效果更优。对于当前主要采 用s i n x ：h 作为减反射膜的晶体硅太阳电池，进行铝背电极制备后，s i n x ：h 薄膜对 电池基体的体钝化作用也可得到加强。因此，除完成载流子收集并与外界负载形 成回路外，进行铝背电极制备，电池转换效率也将得到一定改善。报道指出，进 行铝背电极制各，电池绝对光电转换效率将提升0 5 。 相比常规热处理，采用快速热处理制备硅太阳电池铝背电极，不仅电极制备 周期大为缩短，同时，采用快速热处理将倾向于得到更为均匀一致的背场，快速 的升降温也将杂质往基体中的扩散抑制到最小。采用快速热处理，太阳电池制备 周期的缩短并不以电池效率的降低为代价，相反地，采用快速热处理，晶体硅太 阳电池的光电转换效率绝对值可提高0 1 一0 6 1 7 i 。 综上所述，采用快速热处理进行硅太阳电池铝背电极制备，在缩短电池制备 周期的同时，电池制备过程的热、气损耗将相应降低。除完成载流子收集及与外 界负载形成回路外，制备得到的铝背电极，还能有效对硅基体进行吸杂钝化，改 善电极与硅片间的欧姆接触，对将要透过电池背面的长波光谱进行反射而增加电 池的光谱效应。采用快速热处理进行硅太阳电池铝背电极制备，在降低电池制备 成本的同时，电池的转换效率也将上升0 1 一0 6 ，相应地，电池的市场竞争力 有望进一步增强。 1 4 2 论文主要研究内容 本论文的出发点是基于硅片日益薄化，常规热处理硅太阳电池电极制备周期 长，热、气损耗大。采用快速热处理，不需额外工艺，有效降低电池背表面复合 速率，提高电池光电转换效率；缩短电池制备周期，增加单位产能，减少电池制 备过程热、气损耗，是进一步提高硅太阳电池市场竞争力的重要举措。采用快速 热处理进行硅太阳电池铝背电极制备，电极制备周期可由常规热处理时的数十分 钟降低为l 一2 分钟。除完成载流子收集，与外界负载形成回路外，制备得到的电 极能有效降低电池的背表面复合速率，改善电极与硅片间的欧姆接触，增加电池 的长波光谱响应。采用快速热处理进行硅太阳电池铝背电极制备，在缩短电极制 备周期的同时，电池的光电转换效率也将得到改善，因此，本论文对快速热处理 浙江理工大学硕十学位论文 制各硅太阳电池铝背电极进行了详细研究，。研究内容包括：热处理方式及热处 理气氛对电极表面形貌，物相，成分的影响；不同烧结工艺对铝背场形成的影响； 不同烧结工艺制备铝背电极引发的硅片应力。对于每个问题的研究，本论文均进 行了系统的分析与讨论，并力图给出相对准确的机理解释。 参考文献 【1 】沈辉，曾祖勤太阳能光伏发电技术【m 】北京：化学工业出版社，2 0 0 5 ，3 _ 6 【2 】杨德仁太阳电池材料【m 】北京：化学工业出版社2 0 0 7 ，4 1 0 【3 t h e3 r ds i l i c o nc o n f e r e n c e ，m u n i c h 【4 】郭忐球，沈辉，刘正义等太刚电池研究进展【j 】材料导报2 0 0 6 ，2 0 ( 3 ) ，4 1 4 3 【5 】赵玉文，吴达成，王文静等冲国光伏产业发展研究报告【c 】2 0 0 8 5 【6 】赵玉文我国光伏产业发展概况及思考 c 】第十届中国太阳能光伏会议论文集杭州：浙江 人学出版社，2 0 0 8 。3 1 7 【7 j n i j s ，s s i v o t h t h a m a n ，j ，s z l u f c i k 瓯a 1 o v e r v i e wo fs o l a rc e l lt e c h n o l o g i e sa n dr e s u l t so n h i g he f f i c i e n c ym u l t i c r y s t a l l i n es i l i c o ns u b s t r a t e s j s o l a re n e r g ym a t e r i a l s & s o l a rc e l l s 1 9 9 7 ，4 8 。1 9 9 - 2 1 7 1 2 浙江理t 大学硕十学位论文 2 1 前言 第二章相关理论基础 作为绿色能源，太阳能具有一系列优点：储量无限，取之不尽、用之不 竭；清洁无污染；利用普遍性。因此，太阳能必将在能源结构转换中起到 重要作用。从1 8 3 9 年a e b e c q u r e l 在电解槽中发现光生伏特效应算起，人类 对太阳能光电转换的研究和应