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太阳能电池培训资料 王松2008 12 12 太阳能电池的基本原理 太阳能电池主要依靠P N结的光生伏打效应来工作 而当P型半导体和N型半导体紧密结合连成一块时 P型半导体中的空穴向N型半导体的方向扩散运动 而N型半导体的电子向P型半导体的方向扩散运动 如下图所示 其中P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子均称为多子 P型半导体中的电子和N型半导体中的空穴均称为少子 在扩散运动的同时在P型半导体和N型半导体的中央形成了一个由N区指向P区的电场称为内建电场 在内建电场的影响下 将产生孔穴向右而电子向左的飘移运动 当漂移运动和扩散运动达到平衡的时候就形成了P N结 太阳能电池的基本原理 如右图所示 当处于开路的情况下 当光生电流和正向电流相等的时候 P N结两端将建立起稳定的电势差Voc P区为正 N区为负 如果与外电路接通 只要光生电流不停止 就会有源源不断的电流通过电路 P N结起到了一个电源的作用 这就是太阳能电池的工作原理 太阳能电池的基本性质 光电转换效率 评估太阳能电池好坏的重要因素 1000 Isc Uoc FF S 目前 实验室 24 产业化 15 单体电池电压U 0 4 0 6V由材料本身的掺杂程度来决定 填充因子FF 评估太阳能电池负载能力的重要因素 FF Im Um Isc Uoc 其中 Isc 短路电流 Uoc 开路电压 Im 最佳工作电流 Um 最佳工作电压 标准光强与环境温度 地面光强AM1 5 1000W m2 t 25 温度对电池片性能的影响 功率会随着温度的升高而降低 例如 在标准状况下 AM1 5光强 t 25 某电池片的输出功率为2 43W 如果电池片温度升高至45 时 电池片的输出功率将小于2 43W 晶体硅太阳能电池生产的工艺流程 Texturing制绒 Diffusion扩散 Edgeetch去边结 Anti reflectivecoating制做减反射膜 Printing sintering制作上下电极及烧结 Celltesting sorting电池片测试分选 SolarCellManufacturing电池的生产工艺流程 Cleaningprocess去PSG 硅片表面化学腐蚀处理 制绒 目的 去除硅片表面的杂质残留 制做能够减少表面太阳光反射的陷光结构 原理 单晶 利用单晶硅的各向异性 采用化腐工艺在硅片上制作的绒面 以减少入射光反射 提高短路电流和转换效率 采用两步法制作绒面 先用高浓度碱液 较高温度下进行短时间 粗抛 再在低浓度 低温度下进行长时间 细腐 此法所制绒面 在晶相显微镜下观察 小金字塔排列规则 整齐 均匀 可使入射光的反射损失降低近10 2NaOH H2O SiNa2SiO3 2H2多晶 利用硝酸的强氧化性和氢氟酸的络合性 对硅进行氧化和络合剥离 导致硅表面发生各向同性非均匀性腐蚀 从而形成类似 凹陷坑 状的绒面 Si HNO3 SiO2 NOx H2OSiO2 6HF H2SiF6 2H2O 绒面微观图 硅片表面化学腐蚀处理 一次清洗 1000X电子扫描镜 单晶 5000X电子扫描镜 多晶 制PN结 扩散 目的 在P型硅表面上渗透入很薄的一层磷 使前表面变成N型 使之成为一个PN结 POCl3在高温下 600 分解生成五氯化磷 PCl5 和五氧化二磷 P2O5 其反应式如下 生成的P2O5在扩散温度下与硅反应 生成二氧化硅 SiO2 和磷原子 其反应式如下 由上面反应式可以看出 POCl3热分解时 如果没有外来的氧 O2 参与其分解是不充分的 生成的PCl5是不易分解的 并且对硅有腐蚀作用 破坏硅片的表面状态 但在有外来O2存在的情况下 PCl5会进一步分解成P2O5并放出氯气 Cl2 其反应式如下 扩散原理 制PN结 扩散 扩散原理 生成的P2O5又进一步与硅作用 生成SiO2和磷原子 由此可见 在磷扩散时 为了促使POCl3充分的分解和避免PCl5对硅片表面的腐蚀作用 必须在通氮气的同时通入一定流量的氧气 在有氧气的存在时 POCl3热分解的反应式为 POCL3 5O22P2O5 6CL2POCl3分解产生的P2O5淀积在硅片表面 P2O5与硅反应生成SiO2和磷原子 并在硅片表面形成一层磷 硅玻璃 然后磷原子再向硅中进行扩散 POCl3液态源扩散方法具有生产效率较高 得到PN结均匀 平整和扩散层表面良好等优点 这对于制作具有大面积结的太阳电池是非常重要的 扩散装置示意图 制PN结 扩散 扩散原理 去边结 刻蚀 目的 去除硅片边缘的N型区域 将硅片内部的N层和P层隔离开 以达到PN结的结构要求 原理 干法刻蚀 等离子刻蚀 等离子体刻蚀是采用高频辉光放电反应 使反应气体激活成活性粒子 如原子或游离基 这些活性粒子扩散到需刻蚀的部位 在那里与被刻蚀材料进行反应 形成挥发性生成物而被去除 它的优势在于快速的刻蚀速率同时可获得良好的物理形貌 这是各向同性反应 母体分子CF4在高能量的电子的碰撞作用下分解成多种中性基团或离子 这些活性粒子由于扩散或者在电场作用下到达SiO2表面 并在表面上发生化学反应 生产过程中 CF4中掺入O2 这样有利于提高Si和SiO2的刻蚀速率 湿法刻蚀 背腐蚀 利用HF HNO3溶液 对硅片背表面和边缘进行高速腐蚀 以达到去掉边缘层和消除背面绒面的作用 Si HNO3 SiO2 NOx H2OSiO2 6HF H2SiF6 2H2O 去边结 刻蚀 去PSG清洗 目的 去除硅片表面的P Si玻璃层 PSG 为加镀减反射膜做准备 原理 利用HF和硅片表面的P Si玻璃层反应 并使之络合剥离 以达到清洗的目的 HF SiO2 H2SiF6 H2O 镀减反射膜 PECVD 目的 在硅片前表面均匀的镀上一层高效的减反射膜 并对硅片进行钝化 原理 借助微波使含有薄膜组成原子的气体电离 在局部形成等离子体 而等离子化学活性很强 很容易发生反应 在基片上沉积出所期望的薄膜 基本特征 实现了薄膜沉积工艺的低温化 450 1 节省能源 降低成本2 提高产能3 减少了高温导致的硅片中少子寿命衰减SiNx的优点 优良的表面钝化效果高效的光学减反射性能 厚度和折射率匹配 低温工艺 有效降低成本 含氢SiNx H可以对mc Si提供钝化 镀减反射膜 PECVD 印刷和烧结 目的 在电池上下表面各印上电极图形 经烧结与硅片形成欧姆接触 原理 银浆 铝浆印刷过的硅片 通过烘干有机溶剂完全挥发 膜层收缩成为固状物紧密粘附在硅片上 可视为金属电极材料层和硅片接触在一起 当硅片投入烧结炉共烧时 金属材料融入到硅里面 之后又几乎同时冷却形成再结晶层 也就是在金属和晶体接触界面上生长出一层外延层 如果外延层内杂质成份相互合适 这就获得了欧姆接触 印刷工艺流程 印刷背电极 烘干 印刷背电场 烘干 印刷正面栅线烧结工艺流程 印刷完硅片 烘干 升温 降温共晶 冷却 印刷和烧结 丝网印刷的特点 受丝网技术的限制 前表面的金属电极不能做的很窄 从而遮挡了光在硅片内的有效吸收 取决于硅片的电阻率 由丝网印刷技术生产的晶体硅电池的开路电压在580 620mV之间 短路电流密度在28 33mA cm2之间 以及填充因子在70 75 之间 对于大面积的电池 电池表面10 15 面积被电池表面电极遮挡了 背极印刷 太阳电池是低电压高电流的发电器件 因此减少太阳电池的串连电阻是非常重要的 串连电阻由金属电极的电阻 金属半导体接触电阻 发射区薄层电阻和基区电阻等组成 串联电阻是影响太阳电池填充因子和短路电流进而影响光电转换效率的重要因素之一 金属电极半导体接触电阻是串联电阻的重要组成部分之一 工业化生产的晶体硅太阳电池 通常采用丝网印刷烧结银导体作为上电极 这种情况下 电极与晶体硅之间的接触电阻与硅半导体的表面掺杂浓度 表面状态及电极烧结温度 时间等条件有关 如何准确地测量电极接触电阻是把握电极烧结工艺好坏的重要依据 印刷和烧结 背场印刷 电池铝背场也应用于丝网印刷太阳能电池制造技术 大约20 m厚的铝浆通过丝网印刷方法沉积到电池的背面 在高温烧结过程中 铝和硅形成共晶合金 如果烧结温度高于800 铝在硅内的掺杂浓度会高达5 1018 cm3 而硅片衬底的掺杂浓度只在2 1016 cm3左右 从而在铝背场和衬底之间形成高 低结 有效地阻止了少数载流子向电池的背面扩散 降低了电池背表面的复合速率 铝背场可将电池背面的复合速率降低到200cm s以下 此外 硅铝合金能对硅片进行有效地吸杂 存在背场的情况下 背场附近的收集几率可以由原来的11 8 增加到29 几乎增加了2倍 增加的收集几率将使得短路电流增加 在背面复合较小的情况下 有背场引起的增加十分小 几乎可以不予考虑 而在背面复合比较大而且电池不太厚的情况下 这种增加可以达到原来电流的8 少数载流子的寿命极低的情况下 背场的效果并不明显 这恰好和表面复合的情形相反 只有在少子有较高的寿命 背场的效果才比较突出 背场实际上是增强了少子的扩散漂移 使得背面复合等效地降低了 从而使电池性能变好 单片测试和分选 目的 通过模拟太阳光太阳能电池进行参数测试和分析 将电池片按照一定的要求进行分类 原理 利用太阳能电池的光谱特性 温度特性 输出特性等 通过相关参数的测定和计算 来表达电池的电性能情况 重要参数光照强度 100mw cm2转换效率 功率 电池片面积 125单晶为例148 6cm2 的关系 功率 光照强度 面积 转换效率短路电流 I