《太阳能电池知识介绍》.ppt

太阳能电池知识介绍 目录 电池片知识介绍电池片生产流程及原理产品类型及特性 电池片知识介绍 光伏产业流程 太阳能电池分类与结构 1 太阳电池的分类按结构分 同质结 异质结 肖特基 多结按材料分 晶体硅 化和物半导体 有机半导体 薄膜按用途分 空间 地面2 太阳能电池的结构传统结构 BSF电池 紫光电池 绒面电池 异质结太阳电池 M1S电池 MINP电池 聚光电池新型结构 PESC PERC PERL 埋栅电池 PCC LBSF 异质pp 结 单晶硅与多晶硅 单晶硅 在整个晶体内 原子都是周期性的规则排列 称之为单晶 多晶硅 由许多取向不同的单晶颗粒杂乱地排列在一起的固体称为多晶 单晶硅与多晶硅原子图 电池片生产流程 电池片生产流程及原理 制绒和清洗 制绒和清洗 概述 硅片表面处理的目的 去除硅片表面的机械损伤层清除表面油污和金属杂质形成起伏不平的绒面 增加对太阳光的吸收 甩干 来料检验 插片 制绒前称重 超声波清洗 制绒 酸洗 水洗 喷淋 表面损伤层的危害表面损伤层如果去除不净 将会导致残余缺陷 残余缺陷在后续高温处理过程中向材料深处继续延伸 切割过程中导致的杂质未能完全去除 这些都会增加硅片的表面复合速率 严重影响电池片的效率 损伤层的去除方法就目前线切割技术来说 一般硅片表面的损伤层厚度 双面 保持在10um 通过硅片的减薄量来衡量 对于单晶硅片 通常采用粗抛或细抛的方法来消除 但由于现在市场上的硅片普遍较薄 所以 粗泡的方法一般不会采用 我们目前单晶制绒的工艺 制绒前的高温稀碱超声就是细抛 对于多晶硅片 通常都会在制绒的同时已经对损伤层进行了去除 单晶有时候也是采用这样的方法的 制绒和清洗 硅片表面损伤层的去除 硅片表面沾污主要包括 有机杂质沾污颗粒沾污金属粒子沾污 制绒和清洗 硅片表面预处理 制绒和清洗 化学清洗原理 HF去除硅片表面氧化层 HCl去除硅片表面金属杂质 盐酸具有酸和络合剂的双重作用 氯离子能与Pt2 Au3 Ag Cu Cd2 Hg2 等金属离子形成可溶于水的络合物 制绒和清洗 绒面光学原理 入射光 反射光 陷光原理 当光入射到一定角度的斜面 光会反射到另一角度的斜面 形成二次或者多次吸收 从而增加吸收率 依靠表面金字塔形的方锥结构 对光进行多次反射 不仅减少了反射损失 而且改变了光在硅中的前进方向 延长了光程 增加了光生载流子的产量 曲折的绒面又增加了p n结面积 从而增加对光生载流子的收集率 并改善了电池的红光响应 制绒和清洗 单晶制绒腐蚀原理 单晶硅片的绒面金相显微镜图片 利用低浓度碱溶液对晶体硅在不同晶体取向上具有不同腐蚀速率的各向异性腐蚀特性 在硅片表面腐蚀形成角锥体 就是我们所说的金字塔 密布的表面形貌 就称为表面织构化 角锥体四面全是由 111 面包围形成 制绒和清洗 多晶制绒腐蚀原理 多晶硅片的绒面金相显微镜图片 多晶硅制绒是损伤层的去除和制绒面同时进行的 控制的主要参数是减薄量 为保证损伤层的去除干净 减薄必须要够 但不能过大 我们使用的多晶酸腐工艺是适用的CrO3和HF CrO3的主要作用是起氧化 HF的作用是去除氧化层 二者结合在一块使得硅片不断的剥离反应 单独一样化学药品是达不到腐蚀效果的 表面问题我们可以称硅片表面为电池片的脸 脸洗不好 是最容易被察觉的 常见的问题有 单晶 雨点 白斑 发白 发亮 流水印等多晶 一般不存在什么表面的问题 主要集中多晶体单晶面的问题上 绒面问题单晶 金字塔尺寸大小不均 过大 过小等多晶 减薄不够导致损伤层去除不净 腐蚀坑过深过窄 减薄过大导致腐蚀坑过大 大的不规则腐蚀坑洞较多 绒面一致性差等 制绒和清洗 常见问题 扩散 太阳电池制造的核心工序 制作太阳电池的硅片是P型的 也就是说在制造硅片时 已经掺进了一定量的硼元素 使之成为P型的硅片 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 扩散 原理 扩散的目的 形成PN结 三氯氧磷 POCl3 液态源扩散 喷涂磷酸水溶液后链式扩散 丝网印刷磷浆料后链式扩散本公司目前采用的是第一种方法 POCl3液态源扩散方法具有生产效率较高 得到到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 磷扩散方法 扩散 装置示意图和反应原理 在高温条件和有氧气通入的情况下 POCl3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 扩散 设备 48所扩散炉 Tempress扩散炉 在太阳电池扩散工艺中 扩散层薄层电阻 方块电阻 是反映扩散层质量是否符合设计要求的重要工艺指标之一 方块电阻也是标志进入半导体中的杂质总量的一个重要参数 扩散 扩散层薄层电阻及其测量 扩散 扩散层薄层电阻及其测量 方块电阻检验 每炉中取5片扩散后的硅片 用四探针测试仪测量方块电阻 记录下测量数据 扩散方块电阻控制在40 80 之间 中心值60 同一炉扩散方块电阻不均匀度 20 同一硅片扩散方块电阻不均匀度 10 等离子体刻蚀 等离子体刻蚀 刻蚀的目的 由于在扩散过程中 即使采用背靠背的单面扩散方式 硅片的所有表面 包括边缘 都将不可避免地扩散上磷 PN结的正面所收集到的光生电子会沿着边缘扩散有磷的区域流到PN结的背面 而造成短路 此短路通道等效于降低并联电阻 经过刻蚀工序 硅片边缘的带有的磷将会被去除干净 避免PN结短路造成并联电阻降低 等离子体刻蚀 刻蚀原理 通常的刻蚀方法包括干法刻蚀和湿法刻蚀 我们目前使用的刻蚀工艺就是干法刻蚀 其工作机理为 使用等离子体进行刻蚀 采用高频辉光放电反应 使反应气体激活成活性粒子 如原子或各种游离基 这些活性粒子扩散到硅片边缘 在那里与硅进行反应 形成挥发性生成物四氟化硅而被去除 等离子体刻蚀 常见问题 关键的工艺参数是射频功率和刻蚀时间 效果反应为有效刻蚀宽度 刻蚀不足 电池的并联电阻会下降 射频功率过高 等离子体中离子的能量较高会对硅片边缘造成较大的轰击损伤 导致边缘区域的电性能差从而使电池的性能下降 在结区 耗尽层 造成的损伤会使得结区复合增加 刻蚀时间过长 刻蚀时间越长对电池片的正反面造成损伤影响越大 时间长到一定程度损伤不可避免会延伸到正面结区 即出现钻刻现象 从而导致损伤区域高复合 射频功率太低 会使等离子体不稳定和分布不均匀 从而使某些区域刻蚀过度而某些区域刻蚀不足 导致并联电阻下降 去PSG清洗 去PSG清洗 目的 扩散后清洗又称去PSG工序 去PSG清洗 目的 在扩散过程中发生如下反应 POCl3分解产生的P2O5淀积在硅片表面 P2O5与Si反应生成SiO2和磷原子 这样就在硅片表面形成一层含有磷元素的SiO2 称之为磷硅玻璃 去PSG清洗 目的 这一薄层的厚度很是不均匀 不能充分被利用做减反 加上薄层中的富P原子对后道高温之后可能起到的负面影响 所以磷硅玻璃层是需要去掉的 此工序的目的就是将这一层物质去除干净 去PSG清洗 注意事项 由于掺P的硅片表面要比掺B的硅片表面更容易氧化 也就是说 扩散面相比要更容易被氧化 所以 清洗后的硅片必须尽快镀膜 原则上是清洗过后的硅片应立即镀膜 不允许停留 如果带有水的硅片 在空气中停留时间过长 将会在镀膜工序出现水纹印现象 影响外观 有氢氟酸和硅片接触的地方 禁止近距离使用照明 烘干或甩干的时间不能随便缩短 防止干燥不彻底 当硅片从1号槽氢氟酸中提起时 观察其表面是否脱水 如果脱水 则表明磷硅玻璃已去除干净 如果表面还沾有水珠 则表明磷硅玻璃未被去除干净 PECVD PECVD SiNx H减反射膜 PECVD PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition即 等离子增强型化学气相沉积 是一种化学气相沉积 PECVD是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 PECVD SiNx H减反射膜 物理性质和化学性质 结构致密 硬度大能抵御碱金属离子的侵蚀介电强度高耐湿性好耐一般的酸碱 除HF和热H3PO4在太阳能电池上作为减反射膜可以兼具减反射和钝化的作用 PECVD SiNx H减反射膜 光照射在硅片表面时 反射会使光损失约三分之一 如果在硅表面有一层或多层合适的薄膜 利用薄膜干涉原理 可以使光的反射大为减少 这种膜称为太阳电池的减反射膜 ARC antireflectioncoating 在真空或大气中 如果硅表面没有减反射膜 长波范围 1 1 m 入射光损失总量的34 短波范围 0 4 m 为54 即使在硅表面制作了绒面 由于入射光产生多次反射而增加了吸收 但也有约14 以上的反射损失 如果在硅的表面制备一层透明的介质膜 由于介质膜的两个界面上的反射光相互干涉 可以在很宽的波长范围内降低反射率 PECVD SiNx H减反射膜 硅片表面形成一层减反射膜 增加对光线的吸收 减少反射光照射在硅片表面时 因为反射会使光损失约三分之一 如果在硅表面有一层或多层合适的薄膜 利用薄膜干涉原理 可以使光的反射大为减少 因此当膜厚为光的四分之一波长时 光发生干涉 获得最好减反射效果 氢原子搀杂在氮化硅中附加了氢的钝化作用硅片材料中存在大量的杂质和缺陷 显著降低了硅片中的少数载流子的寿命 从而影响太阳电池的短路电流和电池的转换效率 反应的氢能够进入硅晶体中 钝化硅中的杂质和缺陷的电活性 降低电池表面复合速率 增加少子寿命 进而提高开路电压和短路电流 同时氢原子与缺陷或晶界处的悬挂键结合 从而一定程度上消除了晶界的活性 屏蔽金属离子氮化硅薄膜能有效地阻止B P Na As Sb Ge Al Zn等杂质的扩散 尤其是对Na 在相同条件下制得的氧化硅 氮化硅 氮氧化硅薄膜中 水汽在氮化硅薄膜中的渗透系数最小 丝网印刷与烧结 丝网印刷 基本原理 利用网版图文部分网孔透墨 非图文部分网孔不透墨的基本原理进行印刷 丝网印刷 基本原理 丝网印刷 三个步骤 背电极印刷及烘干使用浆料为银铝浆作用 与电池片的正电极连接 其焊接作用 背电场印刷及烘干使用浆料为铝浆作用 吸收硅片中的杂质 缺陷 形成P Si Al合金 起钝化作用 反射光线 丝网印刷 三个步骤 正面电极和栅线的印刷使用浆料为银浆作用 正电极用于与背电极连接 焊接作用 细栅线 收集电子 形成电流 烧结 目的 干燥硅片上的浆料 燃尽浆料的有机组分 使浆料和硅片形成良好的欧姆接触 丝网印刷 相对于铝浆烧结 银浆的烧结要重要很多 对电池片电性能影响主要表现在串联电阻和并联电阻 即FF的变化 铝浆烧结的目的使浆料中的有机溶剂完全挥发 并形成完好的铝硅合金和铝层 局部的受热不均和散热不均可能会导致起包 严重的会起铝珠 背面场经烧结后形成的铝硅合金 铝在硅中是作为P型掺杂 它可以减少金属与硅交接处的少子复合 从而提高开路电压和短路电流 改善对红外线的响应 测试分档 测试分档 测试分档 一 测试目的1 将电池片分档 方便包装利于后期组件生产 2 可通过测试数据 分析发现制程中的问题 从而加以改善 二 测试原理用稳态模拟太阳光或者脉冲模拟太阳光 使电池片形成光电流 测试分档 Isc 短路电流在一定的温度和辐照条件下 太阳电池在端电压为零时的输出电流 通常用Isc来表示 Isc与太阳电池的面积大小有关 面积越大 Isc越大 Voc 开路电压在一定的温度和辐照度条件下 太阳电池在空载情况下的端电压 用Voc表示 FF 填充因子太阳电池