工艺技术_太阳电池材料制备工艺及检测培训课程

2020 2 20 太阳电池 材料 制备工艺及检测 太阳电池 材料 制备工艺及检测 太阳电池 材料 制备工艺及检测 太阳电池 材料 制备工艺及检测 主讲 肖全松 6 4 2硅沉积技术 高温硅沉积法 低温沉积法 上节课知识点 一 高温硅沉积法 概述 高温 1000 的硅沉积法是获得硅的高沉积速率 1 20 m min 的重要方法 2 高温沉积技术包括 元素硅熔融后在衬底上沉积薄膜或硅层的熔体生长和熔体被覆技术 含硅气态前体在衬底上热分解的化学气相沉积 CVD 从熔体的金属液沉积硅的液相外延 LPE 化学气相沉积 1 定义 化学气相沉积 CVD 是通过包含所需成分的气相化合物或前体反应在衬底上形成固态膜 例如 通过硅炕 SiH4 或三氯氢硅 SiHCi3 气体的热分解使衬底为硅层被覆 2 厚度 10 50 m厚的硅层 3 常用方法和技术1 常压化学气相沉积 APCVD 2 快速热化学气相沉积 RTCVD 3 低压化学气相沉积 LPCVD 化学气相沉积 5 PECVD过程1 定义PECVD PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition 的概念及其原理 利用强电场或磁场使所需的气体源分子电离产生等离子体 等离子体中含有很多活性很高的化学基团这些基团经过经一系列化学和等离子体反应 在样品表面形成固态薄膜 低温化学气相沉积LPE 液相外延 liquidphaseepitaxy 由溶液中析出固相物质并沉积在衬底上生成单晶薄层的方法 液相外延由尼尔松于1963年发明 成为化合物半导体单晶薄层的主要生长方法 被广泛的用于电子器件的生产上 薄层材料和衬底材料相同的称为同质外延 反之称为异质外延 本节课内容介绍 内容 第八章中的8 1 8 7节 即引言 高效实验室电池 丝网印刷的局限 埋栅电池 HIT电池 基于氮化物的方法和总结 重点 硅薄膜太阳电池的生长技术 难点 硅薄膜太阳电池的生长技术 教学目标 掌握硅薄膜太阳电池的生长技术 8 1引言 1 目前的主流工艺到2003年 在售的绝大多数太阳电池都是采用单晶或多晶 mc 硅片与简单的丝印金属接触相结合的方法 其优点是技术成熟 丝网印刷机 烘干和烧结丝印金属圆形的熔炉 都在传统的厚膜技术中成功应用 2 丝印的局限性效率低 8 2高效实验室电池 8 2 1硅空间电池的发展大致可分为三个区域 即 五十年代 九十年代 8 2 1硅空间电池的发展 1 为何引入空间电池的概念1 1958年太阳电池首次在空间应用 装备美国先锋1号卫星电源 2 早期电池都是采用单晶硅 价格极其昂贵 8 2 1硅空间电池的发展 2 重要的技术进展1 1954年第一块现代意义上的单晶硅太阳电池问世了 它的发明者是贝尔实验室的Pearson Fuller和Chapin 称之为包绕型结 优点 顶层没有电极遮挡 电极容易连接 缺点 电阻较高 其效率仅为4 5 2 重要的技术进展 2 随后的十几年里发展缓慢 关键特征包括利用10 cm的P型衬底使抗辐射性能最强 使用名义上的4O 0 5 m深的磷扩散等 在空间辐射条件下能量转换效率为10 11 3 铝背场的出现20世纪60年代末 背铝处理的优点日益明显 特别是对于比正常厚度稍薄的电池 把空间电池效率相应地提高到12 4 2 重要的技术进展 4 紫电池的出现利用光刻勾画几何形状来画出实际上细得多的金属栅线图形 使用改善了的Ti02和Ta2O5基减反射涂层 它们的吸收比SiO小 产生了可以吸收0 5 m波长以下光的电池 即紫电池 在空间辐射条件下能量转换效率为13 5 2 重要的技术进展 5 黑电池的出现织构化的应用 在空间辐射条件下能量转换效率为15 5 8 2 2高效地面电池 1 表面钝化和MINP电池表面钝化 对裸露于太阳光照下的单晶硅太阳电池的表面 其重要性不言而喻 以热氧化对电池表面进行钝化时 氧化层必须很薄 高效硅太阳电池采用热氧化生长的氧化硅作为表面钝化层 取得了开路电压和短波响应方面增益的最大化 20世纪70年代第一个达到18 效率的硅电池是MINP电池 8 2 2高效地面电池 1 表面钝化和MINP电池 8 2 2高效地面电池 2 钝化发射区太阳电池 PESC电池 顶部 是直接接受太阳光照的表面 顶部上电极区的钝化是通过电极下面减薄氧化物薄层实现的PESC的电池结构 passivedemittersolarcell 钝化发射极电池 的电池结构 又将电池的效率提高了一步 1985年 将表面的制绒和PESC方法结合 使硅太阳电池转换效率首次在非聚光状态下达到了20 8 2 2高效地面电池 2 钝化发射区太阳电池 PESC电池 8 2 2高效地面电池 3 双面钝化太阳电池 PERL电池使电池性能取得重要突破的是上下表面及电极区域钝化的电池 如图所示的PERL电池 结合了早先的PESC结构 双面钝化以及在电池制造过程中采用了氯化物 以进一步提高了衬底材料的少子寿命和表面钝化效果 20世纪80年代末 该电池的效率达到了23 是对仅仅7年前17 的最高值的一个巨大改善 8 2 2高效地面电池 3 双面钝化太阳电池 PERL电池 8 3丝网印刷电池的局限 8 3 1结构1 电池结构 8 3 1结构 2 电池工艺 腐蚀除去起始晶片的切割损伤 上表面的化学织构化 若起始材料是晶片 上表面扩散到约4O 通常将电池叠成一摞而在等离子体中去边的边结隔离 腐蚀去除扩散氧化物 前面金属浆料通过适当图形的丝印 前表面金属化的烘干和烧结 后表面金属浆料的丝印 后金属接触的烘干和烧结 电池测试和分类 8 3 1结构 3 缺点 丝网印刷方法最大的缺点就在于印刷过程中消耗大量金属浆料的成本问题以及最后生产出的电池片效率相对较低 根本原因在丝网印刷所得到的栅线宽度受到限制 另一个重要原因是顶电极和硅接触的电阻较高 8 3 2典型性能 丝网印刷方法得到的电池开路电压取决于衬底电阻率 其典型值为580 620mV 短路电流密度为28 32mA cm2 大面积电池的填充因子为70 75 丝印金属化一般遮挡大面积电池的上表面的10 15 如图8 7所示 一般由150 200 m宽 间隔2 3mm的金属栅线组成 8 3 2典型性能 8 3 3改进的技术 由等离子体化学气相沉淀技术 PECVD 制作的氮化硅薄膜作为电池的正表面的减反膜 即降低了电池的表面反射 同时也有效钝化了电池的表面 降低了电池表面的复合 改进银浆配方 使得电池表面发射结的薄层电阻提高的情况下也能实现较好的欧姆接触 共烧技术 电池的正表面在丝网印刷银浆栅线后 随着在电池的背面印刷上铝浆和银铝浆 在浆料烘干后 进入烧结炉 进行前后电极的共烧过程 8 4埋栅电池 8 4 1结构图8 10所示的埋栅太阳电池被开发出来 以克服先前所述的丝印电池方法的效率限制 这种方法量显著的特征是在上表面利用槽形成电池的金属化 虽然最初研究了利用丝印的金属化步骤 在印刷操作中将金属压入槽中 最成功的设计利用了化学镀金属栅线 8 4 1结构 8 4 2性能分析 2 工艺去除切割损伤和织构化后 表面轻扩散和生长氧化物覆盖整个表面 氧化物在电池工艺中起多重作用 是工艺相对简化的关键 注意不需要像丝印方法那样去除扩散氧化物 然后用激光划线机 机械切割锯 或用其他机械或化学方法在电池上表面开槽 用化学腐蚀清洗槽后 对槽进行第二次扩散 然后 用蒸发 溅射 丝网印刷或等离子沉积在背表面沉积铝 在烧结铝和腐蚀掉氧化物后 化学镀镍 铜和银层完成电池金属化 工艺中一个改进的工序利用Si3N4代替氧化物 8 4 2性能分析 8 4 2性能分析 1 性能比较在这种情况下报告了近30 的性能优势 虽然之后丝印电池的改进后这种差距有所减小 同时 BPSolar报告了单位面积的工艺成本事实上是一样的 与丝印电池单位面积的工艺成本相差在4 以内 因此 这提供了每峰瓦低得多的成本和较高的单位面积功率输出 虽然基础投资费用较高 但较低的材料成本弥补了这一缺点 几个欧洲制造商和研究机构对此达成了基本一致的结论 8 4 2性能分析 2 改善原因填充因子较高是由于金属化栅线较好的电导和这些栅线与重掺杂槽区之间较低的接触电阻 电压较高是由于上表面扩散较高的方块电阻 结合这些面积上整个的氧化提供极好的表面钝化 以及精区中的重掺杂提供的接触钝化 埋栅电池达到了接近700mV的开路电压 接近于实验室硅电池曾经获得的最高电压 8 5HIT电