超薄晶体硅太阳电池关键工艺及产业化研究论文.pdf

第 1 2 届 中国光伏大会暨国际光伏展览会论文 超薄晶体硅太 阳电池 关键工艺及产业化研究 刘家敬 沈辉 1 中山大学太阳能系统研究所2 顺德中山大学太阳能研究院 摘 要 随着硅片切割技术的不断发展 越来越薄的晶体硅太阳电池成为降低太阳电池生产成本的重要 途径之一 本文主要通过理论及实验方法对超薄晶体硅太阳电池制备的关键技术及产业化进行 研究 本实验采用目前主流厚度为 1 9 0 g m 大小为 1 2 5 x 1 2 5 m m2 的p型c z 单晶硅片为衬底 通 过2 0 的n a o h溶液在不同时间下分别减薄 得到不同厚度 1 8 0 g m 1 5 5 g m 1 3 0 g m 1 0 5 g m 和8 0 g m 的硅片 然后分别采用常规工艺 背面局域接触电池制备工艺制备出不同厚度的电 池 通过表征它们的反射率 等性能 评价各种制备工艺的优劣 并提出产业化思路 为 超薄晶体硅太阳电池产业化发展提供方案 关键词 晶体硅太阳电池 超薄电池 背面局域接触 产业化 一 引言 晶体硅太阳电池占据光伏市场大部分份额 其 组件价格已由2 0 0 9 年的2 5 5 w降低到 f 1 前 1 s w 1 平价上 网是太阳能行业发展的必然趋势 而这一 目标主要通过降低生产成本和提高电池效率实现 减少每峰 瓦硅料损耗量是节约生产成本的重要思 路 在保证可产业化生产的前提下 减少硅片厚度 是降低生产成本的有效途径 1 9 9 9 年产业化硅片原始厚度为 3 0 0 m左右 现 在采用传统线切割技术可将硅锭切割 出1 5 0 n 的硅 片 而最近已经被产业化生产的金刚线硅片切割技 术能够得到更薄 的硅片 其 中ko ma t s u n r r c公司 已经能够实现 1 2 0 g m厚 的硅片切割 这一技术的 发展 为超薄硅片的产业化生产提供 了有力的技 术支持 尽管超薄硅片能够大量降 低每峰瓦硅料 使用量 但超薄 电池的制备工艺 限制直接影响超 薄硅片在产业化生产 中的应用 因此 研 究超薄 电 池的关键制备工艺 对未来 晶体硅 电池发展具有重 要 意 义 ma r k j ke r r 等人 3 1 通过模拟发现 硅电池厚 度在 1 0 0 g m左右时达到理论最高效率值 2 8 5 t o m t i e d j e 等人 4 通过数学模拟 同样发现 在优化 条件下 1 0 0 g m厚的硅太 阳电池可达到其最大的理 论效率2 9 8 而在实验 中 j a n he n d r i k p e t e r ma n n 等人 制备 出厚度为 4 3 g m 效率为 1 9 1 的超薄 硅太阳电池 由此可知 超薄 电池能够制备出更高 效率的电池 本论文主要通过对不 同厚度的常规电池进行 p c1 d理论模拟 同时采用常规 电池及背面局域接 触 he p e r c 电池制备工艺 分别制备不 同厚度 的 电池 并表征不 同厚度硅片的反射率及不 同厚度 电池的 性能 在实验的基础上对超薄电池制备 的关键工艺 以及产业化技 术路线进 行系统分析 为未来超薄电池的产业化提供技术参考 一一一 sol ar ener gy 0 6 2 0 1 3 二 p c 1 d模 拟 在常规电池的p c1 d模拟 中 我们假定 以电阻 率为 1 4 qc m的 p 型硅片做衬底 前表面反射率为 7 磷扩散方阻为 7 0 f s q 背面反射率为 6 5 银 前电极与硅衬底接触电阻率为 3 e 一 6 qc m 串联 电阻为0 0 0 5 f 前表面复合速度为1 0 0 0 0 0 c m s 背 面复合速度为 7 0 0 c m s 图 1显示在上述条件下 不同厚度的常规 电池进行 p c1 d理论模拟得到的 效率值 可 以看出 常规 电池的效率随着硅片厚度 的减少而逐渐降低 当电池厚度下降到 5 0 b m时 以常规 电池工艺制备 出来 的电池 效率低于 1 8 这主要 由于不 同波段的光在硅 中的吸收系数不一 致 1 而引起反射率增加所导致 短波段的光在硅片 表面很短距离就很容易转化成电子 空穴对或声 子 而长波段 的光需要经过一定的硅片厚度才能 完全被吸收 对于常规 电池 由于背面铝反射率 比 较低 6 5 长波段的光在有限的扩散长度很难完 全被吸收 因此随着硅片厚度的减 少 更多长波段 的光被反射到空气 中或者被 背铝吸收转化成热量 而浪费掉 尽管越薄的常规电池 内部因光产生 的 电子 一 空穴对到达 电极的距离会减 少 有效复合降 低 但无法抵消更多的光被反射或被铝吸收因素 的影 响 所以 在一定厚度范围内 常规 电池效率 会随 电池厚度的减少而降低 0 2 0 4 0 6 o 8 0 1 0o 1 2 o 1 4 0 1 6 o 18 0 20 0 厚 度 bm 图1不同厚度的常规电池进行p c 1 d 理论模拟得到的效率值 其中前表面扩散方阻为7 0 s q 串联电阻r s 为0 o o 5 q 背 面复合速度为 7 o o c m s 三 实验 本实验以 目前产业化的 1 2 5 x 1 2 5 mm 电阻 率为 1 5 qc m的p型 cz 单晶硅片为衬底 通过常 规 电池 如 图 2 a h 背面局域接触 h e p e rc 电池 如图 2 b 两种制备工艺对不同厚度的硅片进行实 验研究 图3 为常规电池和背面局域接触电池制备 工艺流程 图 a 常规 电池 b 背 面 局 域 接 触 h e p e r c 电 池 图 2电池结构示意 图 首先 两种工艺均使用 2 0 的 na o h溶液在 8 5 温度下对厚度为 1 9 0 b m的原硅片进行减薄 通 过控制腐蚀时间得到厚度分别为 1 8 0 g m 1 5 5 g m l 3 0 g m 1 0 5 g m和 8 0 g m五组硅片 每组 6 p c s 常 规 电池分别对应ba s e l i n e 组和 a1 e1 五小组 背 面金属局域接触电池分别对 应a 2 e 2 4 组 经化 学腐蚀 后 通 过 p ecvd 设备 在硅 片正面镀 上 1 0 0 n m厚 的氮化硅 s i n h 做掩膜 并采用常规 na oh i p a 方实现单面碱制绒 用 1 0 的h f清 洗正面 s i n h后采用分光分度计测试不同厚度硅 片的反射率 在8 3 0 c的高温下对硅片进行双面磷 扩散 3 0 mi n 得到方阻约为7 0 f s q 的前表面 n 层 然后用 1 0 的hf 去除硅片表面的磷硅玻璃 p s g 去除p s g后 在硅片前 表面用p e c vd镀 1 5 0 n m左 右的 s i n 掩膜 并在 8 5 的 2 0 na oh溶液中浸 泡 3 mi n 以去除背结 去背结后同样用 1 0 hf 去 除前表面s i n 掩膜 随后a 2 e 2 组在9 0 0 c的氧 化炉中热氧化 1 5 mi n形成薄 的 s i o 钝化层 并用 p e cvd在硅片背面镀 1 5 0 n m的 s i n 形成 s i o s i n h双层复合钝化膜 用 5 的 h f溶液去除正 一 j s ol ar e nergy 0 6 2 01 3 7 6 o 0 料较 面热 s i o 之 后该组采用武汉三工 n s 级 3 5 5 n m绿 激光器对硅片背面s i o2 s i n h复合钝化膜进行局 域烧蚀 形成局域接触区 其 中线宽为 4 o m 线 间距为 8 0 0 m 随后三组硅 片都在前表面镀 7 5 n m 厚 的 s i n h减反膜 arc 最后按照常规 丝网印 刷工艺 实现 背面铝浆和正面银栅线的印刷 烧 结 后进行 性能测试 清洗减 薄 1 8 0 p ro 1 5 5 p m 1 3 0 m 1 0 5 t m 8 0 b in t p e cv d背 表面镀 sin 1 o o n m 单 面制 绒 na o h ip a 1 o h f 去 除背面 s i n h t t 高温 磷扩散 7 0 n s q 1 0 h f去 除 p s g p e c v d前 表面镀 s i n 掩膜 1 5 0 n m 去背结 2 o na oh 3 min 1 0 o h f 去除 前 表面s in 掩 膜 i 热 氧 化 s m in t f 背 面 镀 s 1 5 o n m 5 h f 去 除 前 表 面 s o r t p e c v d前 表面镀 s in h a r c 丝 网印刷 背面铝 浆 烘 干 丝 网 印刷 正面 银栅线 烘 干 烧 结 电池 i v性能测试 图 3 常规 电池和背面局域金属接触 电池制备 工艺流程图 四 实验结果及讨论 1反射率 从 图 4可以看出 硅片厚度从 1 8 0 m减少到 8 0 u m 波长小于9 5 0 n m的光波其反射率基本一致 而波长大于 9 5 0 n m的光波在硅片中的反射率会随 着硅片厚度的减 少而增加 造成该现象的原因是 在相同温度下硅片的吸收系数会随着入射光波长的 增大而减 剐 即短波段 的光在硅片前表面很短的 距离就被吸收 而长波段 的光需要在硅片内部经过 一 定长度的扩散才能完全转化成电子一 空穴对或成 为声子被吸收 实际上 光波在有限厚度的硅片内 部反射次数有限 长波段 的光往往不足 以被大部分 吸收 因此硅片越薄 其反射率越大 这一实验结 果正好与上述 p c1 d模拟的情况相吻合 6 o 5 o 4o 槲 校3 o 2o 1 0 0 9 5 o 1 0 0 0 1 0 5 0 o 0 1 1 5 0 1 2 0 0 波长 n m 图 4不同厚度硅片在单面制绒后对应不同的反射率 2 v 性 能表征 为了评价 不同烧结温度对不同厚度常规 电池 性 能的影 响 同时考虑薄电池片在高温下会造成 较大翘 曲使效率 急剧下降的影响 我们 进行 了三 种 不同工艺进行烧结 比较 1 采用正常烧结温度 9 0 0 对常规厚度 1 8 0 t m 电池 b a s e 组 进行烧 结 2 采用较低烧结温 度 8 8 0 对不同厚度的常 规工艺电池 即a 1 e 1 组 进行烧结 3 采用正常 烧 结温度 9 0 0 c 对不 同厚度的 h e p e rc电池 1 l l j a2 e 2组 统一烧结 测试 结果如表 1 所示 对常规 电池来说 全铝背场性能直接影响背 面复合速度和电池效率 通过 比较表 1的 b a s e 组 与 a1 e1 组数据可知 9 0 0 的烧结温度为常规 厚度 1 8 0 m电池最佳烧 结温度 而8 8 0 烧结温度 导致 电池正面银栅线未能与硅衬底形成 良好欧姆 接触 此时背面场 bs f 效 果较差 串联 电阻上升 填充 因子下降 效 率降低 对于较厚 的电池 如a1 组 形成较好的铝背场需要更高的烧结温度 而 一 sol ar e nergy 0 6 2 0 1 3 高 但 因为可实现 高速切割 且无需 s i c和p e g等 切割媒质 可节 约较大运营成本 目前金刚线切割 技术已逐渐被各个大公 司使用 而 由s i ge n 公司开 发的一种名为p o l y ma x 的切割技术 可以为真正 意义上的超薄硅片量产带来希望 p o l y ma x 切割技 术主要将离子束 如h离子 注入到硅锭的一定深 度 随后通过撕裂的方式得到 2 o 1 5 0 g m厚 的硅 片 相对 目前的 1 8 0 2 0 0 g m 的线切割硅片而言 它不仅节约 了大量原料 而且还减少粘贴 切割及 清洗等工艺 如果 p o l y ma x 技术得到产业化生产 并将硅片的厚度减少 1 1 2 0 g in 硅片使用率将降到 3 7 0 g w 成本则从 0 3 1 降低到 0 1 8 尽 管硅片越薄越有利于节约成本 但切割过程 中可 能产生较大碎片率将成为企业首要考虑的问题之 一 如果制备工艺减 少 将能减少超薄硅片的碎 片率 2自动化生产 近几年 受国际经济环境影响 国外几个光 伏大企业相继宣布 申请破产 但国内主要光伏企 业仍能够维持正常运营 其中一个重要原因是国 内光伏企业属于劳动密集型 其人力成本 相对其 他发达 国家低很多 然而 当超薄 电池成为光伏产 业主导产品时 因超薄硅片在切割或电池制备过 程容 易引入 隐裂纹 人为的手动操作会增加硅片 破片率 此时 劳动密集型生产将不再适用于超薄 硅片的发展 全 自动生产太阳电池将成为未来太 阳电池制备的发展趋势 3 电极制备 太阳电池技术 的快速发展 很大程度上得益 于浆料 的不断改进和创新 而当硅片厚度下降到 1 4 0 g m 1 2 0 g m 甚至 1 0 0 g m以下时 新的铝浆料 需要在高温烧结时具有低的翘 曲率 优 良的背面 场等性能 若 电池片翘 曲过于严重 不仅影 响电池 性能 同时在制备组件过程 中将会极大增加硅片 的碎片率 新的银浆也 需要配合较低温度的铝浆 烧结工艺 以实现低的金属 一 半导体接触电阻 采用ni c u ag 等结构 的前电极 电镀和背面蒸 镀铝工艺 已经被应用于实际电池产品生产 中 如 s u n t e c h 的p l u t o电池 9 由于 电镀和蒸镀铝之后只 需要较低的退火温度就可以获得 良好 的欧姆接触 可避免硅片翘曲 同时 这两项技术代替丝 网印刷 技 术可 简化制备流程 并减少对 硅片施加过大的 外力 降低硅片的碎片率 电镀工艺具有工艺简 单 成本 低等特点 逐渐成为各大公司投入研究的 对象 而蒸镀铝工艺在运行 中需要较大的成本投 入 但 因其具有很好的背反射性能和工艺简单等 特点 也是未来超薄电池背电极制备工艺 的趋势 透 明导 电薄膜和低温银浆可以用于 hi t t 加 等 高效电池 虽然成本相对常规银铝浆高很多 但因 能够避免高温烧结 减少高温烧结对钝化膜 如 al o 或非 晶硅 的破坏 可制备出性能优 良的电 池 故可成为未来 电极制备选择之一 4电池结构改进 浆料 的改进是解决超薄 电池翘 曲问题 的方法 之一 而更重要 的解决办法是采用更为先进的电池 结构代替常规电池结构 背面钝化 局域金属接触 结构 如 p e r c电池 p e rl i p e rt电池 mwt p e rc电池 l 4 s u n p o we r 公司的 i b c电 等结构均具有较好的背面反射器 背面钝化及局域 接触等性能 是未来产业化发展高效电池的主要方 向 同时 采用高体寿命 的n 型片为衬底制备成双 面电池结构 如英利的熊猫 电池 因没有了全铝 背场结构 同样可以解决硅片翘 曲问题 但该结构 在超薄电池中需要制备优良的反射器才能减少光的 透射 s a n y o 公司开发的 h i t电 池 加 结构避免 了使 用高温银 铝浆料 超薄硅片 同样可以运用于该结 构 中 5 制绒及后清洗工艺 当硅片厚度降到 1 0 0 g m以下时 常规的碱制 绒或酸制绒工艺会有双面制绒效果 若单晶硅 金 字塔 高度达到 5 g m时 双面 金字塔 总高度 就会有 1 0 g m 此时对超薄硅片而言相 当于引入了 较大 的隐裂纹 这样会增加后续 电池制备 的碎 片 率 解决该 问题途径主要有 第一 采用更好的制 s ol ar e nergy 0 6 2 0 1 3 sol ar energy 绒工艺得到光学性能不变或更优的小绒面结构 第二 采用单面碱制绒 酸制绒或干法制绒等新工 艺实现单面制绒 现有的后清洗设备主要采用滚轮单面去背结 流水线 普遍要求硅片最小厚度为 1 6 0 1 4 0 k t m 若更薄 的硅片采用 目前产业化的单面化学湿法腐 蚀去背结 容易引起硅片底下 的化学腐蚀液绕过 硅片边缘 到达硅片正面 正面的p n 结将会被刻 蚀 这也 是本实验需要采用正面镀 s i n 做掩膜对 薄硅片去背结的主要原因 同时 当硅片厚度减 少 到更小时 i i 6 0 1 t m 硅片将表现出一定的柔韧性 在后清洗过程 中会在两个滚轴之间呈现一定的弯 曲 现有的后清洗设备将很难实现去背结 因此 后清洗设备厂商需要根据硅片厚度的发展对现 有 的设备进行升级改造 6镀膜工艺 现有的管式p e c v d镀膜设备采用的石墨舟普 遍为 3个挂钩点以承载硅片 薄硅片在 p e c vd镀 膜设备中因受重力及热膨胀 因素影响 容易引起硅 片弯曲 氮化硅 s i n h 或氧化硅 s i o 等绕到非镀 膜面 这不仅影响了非镀膜面的性能 同时也造成 相邻硅片的介质膜均匀性变差 因此 未来超薄 电 池的发展需要对现有石墨舟挂钩点进行改造 六 结语 本实验使 用 p ci d模拟软件对不 同厚度的常 规 电池性能进行模拟 并通过测量反射率解释模 拟结果的具体原因 同时 通过制备不同厚度的常 规 电池及背面局域接触电池 分析不同烧结温度 下对不同厚度 电池 性能的影响 最后 通过实 验 的探索 对超薄 电池制备的关键工艺 以及产业 化技术路线进行 系统分析 项 耳得 到 如 下 资 助 圄家 自然 料 掌 蓉 金项 目 6 1 0 7 6 0 5 9 矗俸 硅 太 阳 电 池 疆 藩激 光 掺 杂 背 襄 面 场及 背面 点 接 触 电饭 工 艺 的 研 宄 广 东 省重 大料 莰 项 目 2 0 0 8 a0 8 0 8 0 0 0 0 7 衣 阳 电 地 与 光伏 应用 哭键 技 术 研 究与 产 业 化 粤 港 重 翼 突 破 顼 目 2 0 0 8 a01 1 8 0 0 0 0 4 高 牲 价 比 太 阳 电 池 射 追瓦 光 伏 发 电应 用 参考文献 1 as h s h a r ma s a m s i l k i n s o n a n d f r a n k xi e t h e g l o b a l p v ma r k e t p r e di c ti on s f o r 2 01 2 ph o t o v ol t a i c i n t e r n a t i o n a 1 2 01 2 5 p1 92 1 9 4 2 h t t p www k o ma t s u n t c c o m 3 ma r k j ke r r an d r e s c u e v a s a n d p a t r i c k c a mp b e l 1 l i mi t i n g ef f i c i e nc y o f cr ys t a l l i ne si l i c on so l a r ce l l s du e t o co u l omb en h a n c e d au g e r re c o mb i n a tio n pr o g ph o t o v o l t re s ap p 1 2 0 0 3 1 1 9 7 1 0 4 4 t o m t i e d j e e l i y a b l o n o v i t c h g e o r g e d c o d y and b o n n i e g br oo k s li mi t i n g effi c i e n c y o f si l i c o n s o l a r ce l l s m ee tr an s a c t i o n s o n el e c t r on de v i c e s vo 1 ed一 3 1 no 5 m ay 1 98 4 5 j a n he n k p e t e r ma n n dj mi m z i e l k e j an s c h r n i d t f e l i x ha a s e e n r i q u e g a r r a l a g a r o j a s a n d r o l f b r e n d e 1 1 9 一e f f i c i e n t and 4 3 bm t h i c k c r ys t all i n e si s o l ar c e l l f r o m l a y e r tran s f e r us i ng p o r o us s i l i c on p r og ph o t o v o l t re s app 1 201 2 2 0 1 5 6 m a gr e e n ad v a n c e d p r i n c i p l e s p r a c ti c e ce n tr e for p h o t o vo l t a i c de vi c e s an d sy s t e ms un i v e r s i t y of ns w 1 9 9 5 7 h t t p www s i g e n n e t s o l a r t e c h n o l o g y h t m1 8 j o s e p h b e r wi n d p v ma n u f a c t u r i n g ma t e r i als te c h n o l o g i c al and p r o c e s s r da t e a o pti o n s for c o s t r e d u c tio n p h o t o vo l t a i c s i n t e r na t i on a l 2 01 2 5 p3 6 49 9 dr z h e n g r o n g s h i ma s s p r o d u c t i o n o f i n n o v a t i v e p l u t o s o l ar c e l l t e c hn o l o g y th e 3 4 t h ee pv s pe c i a l i s t s co n f e r e nc e p hi l a d e l p h i a p a j u n e 2 0 09 1 0 w mu l l i g a n a n d r s wa n s o n hi g h e ffic i e n c y on e s u n c e l l pro c e s s i n g proc e e d i n gof1 3 t hnrelcrys t a l l i n esi l i c o nw o r k s h op va i 1 co au g 1 1 1 4 2 00 3 1 1 b l a k e r s a wang a mi l n e a z h a o j gr e e n m 2 2 8 e ffic i e n t s i l i c o n s o l a r c e l 1 ap pl i e d p h ys i c s le t t e r s 1 9 8 9 v o 1 5 5 p a g e 1 36 3 1 36 5 1 2 j zh a o a wang p al t e r ma t t and m a gre e n t we n t y fou r p e r c e n t e ffi c i e nt s i l i c on s o l ar c e l l s wi t h d o ub l e l a ye r an t i r e fle c t i o n c o a t i n g s and r e d u c e d r e s i s t anc e l o s s ap p 1 p h y