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背面抛光及钝化多晶硅太阳能电池的研究 另臻交硕士学位论文背面抛光及钝化多晶硅太阳能电池研究作者:贺 强导师:徐叙珞北京交通大学年月学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,提供阅览服务,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。保密的学位论文在解密后适用本授权说明学位论文作者签名: 导师签名:签字日期:文 年月立同中图分类号:. 学校代码:密级:公开北京交通大学硕士学位论文背面抛光及钝化多晶硅太阳能电池研究作者姓名:贺强 学 号: 士导师姓名:徐叙珞 职 称:院学位类别:工学 学位级别:硕士学科专业:光学工程 研究方向:太阳能电池北京交通大学年月致谢本论文的工作是在我的导师徐叙珞院士的悉心指导下完成的,徐叙珞院士严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来徐叙熔院士对我的关心和指导。在徐征教授悉心指导下我们完成了实验室的科研工作,徐老师在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助,在此向徐征老师表示衷心的谢意。赵谡玲教授、张福俊教授、冀国蕊老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见,在此表示衷心的感谢。本论文实验部分完成于北京交通大学理学院太阳能研究所和北京吉阳技术股份有限公司光伏研究院。在产线实习工作及撰写论文期间,冯丽彬、胡子琦、康力文、罗滨、管甜甜等同学,胡盛华、张建军、韩宪越、汤清琼、陈思颖、全成、范胜凯等实习单位的同事对我论文中的各向研究工作给予了热情帮助,在此向他们表达我的感激之情。研究生期间,王庆伟师兄、张鹏师兄、李世杰师兄、钟思华师兄、鲍文娟师姐在我学习、生活中给予了我很多的关系和帮助,从学长身上我学到了很多,在此表示感谢。另外特别感谢我亲爱的家人,尤其是我的父母,他们的爱伴随着我成长的每一步,谢谢他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。中文摘要摘要:随着以煤炭、石油、天然气为代表的传统不可再生能源的日益枯竭,太阳能作为一种绿色、清洁、取之不尽用之不竭的新型能源越来越受到人们的重视。其中,多晶硅太阳能电池又是一种商业化程度较高的太阳能利用产品。电池片厂商所关注的重点无不最终落到如何提高电池片的光电转换效率和降低电池片的生产成本上。本文通过一系列研究旨在从工艺流程和工艺参数两方面给出一套适合工业生产的高效太阳能电池生产的参考工艺方案。主要工作内容如下:、创新性的使用溶液作为多晶硅太阳能电池背面抛光及结去除用腐蚀液,并采用一种新的“正面掩膜法”工艺,很好的达到了背抛光、去结效果。通过实验探索最优的电池片抛光、去背结预处理参数,以及溶液腐蚀反应的腐蚀液浓度、水浴反应温度、反应时间、腐蚀厚度等参数。最终制成平均效率高于传统产线.%的成品背面抛光、去背结多晶硅太阳能电池片。、在考虑工业生产成本与电池片效率提升效果的基础上,选择“法制备背面钝化薄膜”以及“在线式高速制备,背面钝化薄膜”两种方式制成电池片并比较其背面钝化效果。最终利用“法制备背面钝化薄膜”制成的成品电池片效率相对传统产线有.%的提升,利用“在线式高速制备,背面钝化薄膜”制成的成品电池片效率基本与传统产线水平相当。通过对数据的分析,验证了两种钝化薄膜的钝化机理,为未来背面抛光、钝化太阳能电池的生产提供了理论与实践参考。关键词:太阳能电池;电池;去背结;背面钝化分类号:.:、, ,. , .: 、, ” ., . .%.、 ”, ”? .” . %, ”曲一” ,. . :; ; ;:.么序宏观人类社会的发展,没有任何一个阶段可以离开能源的利用。人类社会的发展体现在社会生产力的发展,而社会生产力的源动力既是能源。从远古人类祖先开始使用火,到利刚风能开启大航海时代,直到如今人类人量使用的彳油、天然气、煤炭等不可再生化彳资源我们足以看到能源对于人类社会发展的重要意义。然而,伴随着我们大量无节制的使用地球上的不可再生能源,能源危机问题渐渐浮出水面,甚至成为世纪整个人类面临的最严峻的问题之一。回顾人类整个发展长河,煤炭、石油、天然气是为人类应用最多的三大基础能源,是近几个世纪推动整个人类社会发展的动力之源。但我们必须面对的现实是,人类可以利用的石油资源极限值约为亿吨,如果按照年.亿吨的世界石油年开采量计算,年左右石油资源将会宣告枯竭;人类可以利用的天然气资源大概在.立方米,以.立方米的年开采量来计算,?年后天然气资源将面临枯竭;而煤炭的世界储量约为亿吨,以年亿吨的年丌采量计算,也仅仅可以供应年。为了应对即将来临的能源挑战,人类积极探索研究多种新能源的开发和利用,其中太阳能作为一种取之不尽用之不竭并且绿色无污染的新型能源越来越受到人们的青睐。太阳是一座巨大地聚合和反应器,发射功率为. ,但是只有亿分之一到达地球,到达地球范围内的太阳总辐射能量大约为亿千瓦,在到达地球表面的太阳辐射能中,到达地球陆地表面的大约为亿千瓦,大约站到达地球范围内的太阳总辐射能的%,但这些能量就相当于目前全世界一年内消耗的各种能源所产生的总能量的.万多倍】,在陆地表面所接受的这部分太阳辐射能中,被植物光合作用吸收的仅占.%,被人们利用作为燃料和食物的仅占.%,可见人类对太阳能的利用仍是微乎其微,同时我们也看到了太阳能开发的无穷的潜力。随着近些年太阳能电池方面飞速发展的理论及制造技术,太阳能发电占人类社会总电力生产中的比例逐年递增,相信在不久的将来,太阳能发电将会成为人类社会发展的重要的能源保障。本论文由项目、教育部新世纪优秀人才支持计划.、中央高校基本科研业务费专项资金、国家科学基金、国家自然科学基金、教育部博士点基金、国家杰出青年科学基金、北京市自然科学基金、北京市科委赞助完成。目录中文摘要?一序引言.背面钝化太阳能电池研究目的与意义?.电池的原理.背面钝化膜的分类、对比.课题研究的内容?晶硅太阳电池理论说明?.晶硅太阳电池结构.晶硅太阳能电池重要参数.短路电流。.开路电压之.最大输出功率?.填充因子?.光电转换效率,?.少子寿命?.量子效率?.:?.方块电阻?.?.晶体硅太阳能电池制造技术?一.小结?一测试仪器原理和应用?.太阳能电池通用测试设备?.四探针方阻仪.测试分选机.电池片检测仪.表面形貌测试设备?.椭偏仪. 积分式反射仪.金相光学显微镜?.小结?.多晶硅太阳能电池背面去结、抛光工艺研究.工艺描述一.背面去结、抛光工艺?一.背面去结、抛光的意义?.背面去结、抛光工艺研究.小结?一多晶硅太阳能电池背面钝化研究?.背面钝化工艺描述?.背钝化薄膜的选择?一.法制备背钝化薄膜电池研究?.薄膜的制备.背面钝化电池制造及表征.小结?一.法制备背钝化薄膜电池研究.薄膜的制备.背面钝化电池制造及表征.小结结论参考文献?.作者简历?.独创性声明.学位论文数据集?.引言.背面钝化太阳能电池研究目的与意义中国是世界太阳能电池生产、出口第一大国,通过对太阳能电池行业的理性分析,无论是从行业对人类能源发展的重要作用,还是从行业背后巨大的经济利润来看,我们都有理由对光伏太阳能行业的发展壮大怀有信心。然而,作为一个新型的高科技产业,太阳能电池行业的发展同样需要面对巨大的阻力。首先,作为传统能源的“挑战者”,太阳能电池由于较高的原材料成本以及制造成本,加之对太阳能电池技术的研究仍不够深入,使得现有工业化生产的太阳能电池的光电转换效率仍然偏低,最终导致了太阳能发电站所发出来的电价仍无法和廉价的传统能源发电电价相比;其次,在高度全球化的今天,没有任何一个行业的发展能够脱离整个世界的经济环境,新兴的事物在发展壮大之前总是要面临巨大的生存挑战,光伏行业这个对于传统行业来说的“挑战者更是如此,刚刚兴起的光伏行业不幸遇到世界范围的经济危机,美国自年月以来对我发起双反调查共起,特别是金融危机爆发以来,仅年美国就对我发起起双反调查】。祸不单行,即美国之后在年月,欧盟正式宣布对华光伏产品进行“双反”调查,接二连三的经济制裁和打击使得国内光伏行业岌岌可危。当一个行业面临自身技术研究难以突破与外界经济环境恶劣的双重打击之下,唯有卧薪尝胆、自我救赎才能实现涅粲重生。在利用经济法律手段积极回应欧美“双反贸易战的同时,我们作为年轻的中国光伏技术研究的学生,更应当从专业技术角度,努力寻求突破,真正提高太阳能电池光电转换效率,降低太阳能电池生产成本,才是从根本上挽救整个中国光伏太阳能电池行业。在提高电池转换效率的方法上,有很多途径可以实现,但是综合各种因素,最终能够实现大规模工业生产的技术却不是很多,目前能够量产的高效太阳能电池技术包括:背结/型电池技术以公司为代表,异质结 技术以日本三洋公司为代表和选择性发射结/局部背场钝化技术。其中,背面钝化太阳能电池技术工艺较为简单,容易实现工业生产,并且能够对太阳能电池效率实现.%以上的明显提升,从而有效降低电池成本。.电池的原理工业生产硅太阳能电池的成本很大一部分来源于高纯度的硅原料,为了降低成本,太阳能电池片的厚度不断减薄,现在大部分工业生产用硅片的厚度已经小于 ,而按照.先生计算的硅太阳能电池极限效率的结果,厚度.为. 的硅片,电池效率仍然可以达到%之多,即使减薄到 仍然有%左右。即使是 的硅片厚度已经可能与少数载流子在硅片中的扩散长度相仿,甚至小于部分少数载流子的扩散长度,使得少数载流子无法在硅片厚度以内的扩散长度被收集,而达到电池片的背表面被复合掉,这将严重影响电池片的效率。图卜是由模拟的对应于扩散长度 与 情况下电池片厚度和背面复合速度对电池效率的影响。钉 骠。: 。蠢 擎 ,挚,竺蚤一一一一一:鐾譬,一一矿一, 三誓撼暴 ,、一一 一啊/夕 一 ?镰?一一/一 一多 。%射镱一寥一瓠娄瀑譬瞰/ 少锩,一茹弹确 协泰一.醇. 饿雨舯图.背表面复合速度和电池厚度对电池效率的影响 .从图中我们明显发现,当少子扩散长度长的情况下,电池背表面的复合速度对整个电池片效率的影响非常大。因此我们必须设法降低电池背表面的复合速度。现在国内大部分光伏企业采用的是通过丝网印刷方式在电池背面制备一层铝背场,通过与背面之间的/背电场,阻止少数载流子向背面迁移,从而减少背表面复合。通过这样的工艺,可以使得背表面复合速率在?/,但这样的复合速度仍然不够低同时也会带来其他一些的问题,由于硅和铝的热膨胀系数的不同,在硅片小于的时候,经过后,电池片就会翘曲,从而提高了电池片制造和组件的碎片率,降低产能输出【。并且,由于硅是间接带隙半导体材料,相比直接带隙材料的光吸收系数小,当硅片较薄时,长波长部分的光会没有被吸收而直接透过硅片造成量子效率的降低,铝的背表面反射率在烧结后很小,只有%.%】,过低的反射率使得铝背场将会吸收一太部分能量不但降低电能输出,还会使得组件过热,降低使用寿命。因此,工业生产必须使用新的技术与薄片化相结合。电池 即发射极与背面双面钝化太阳能电池,是一种能够很好解决薄片化带来的量子效率降低以及背面复合增高问题的技术途径。相比传统工艺生产的太阳能电池片,电池背面以一层或叠层钝化薄膜取代丝网印刷,之后在背面钝化薄膜上进行激光丌窗,在开窗后的钝化薄膜上印刷电极,通过开窗位置使金属电极与硅形成欧姆接触导出电流。其余工艺与传统太阳能电池工艺基本相同。电池结构示意图如图.。蕺盒厚磅咀 随矶窖字塔。发鼾槛型硅基底心叠屠圈. 电池结构示意图相比,背面使用钝化薄膜,首先可以增加反射率.在这些介质之外,再丝网印刷还可以将光学反射率提高到%以.使得原本透射出硅片的长波长的光再次被反射如电池片的有源层,再次被利用,从而提高量子效率及红光响应:其次,由于,、,等钝化膜与硅接触时形成的/电场阻止了少数载流子向背面迁移,研究表明采用热或者采用原子层沉积法制备的对型硅衬底的钝化都可以达到/以下【】;另外,通过技术制备的、背面钝化薄膜中由于含有,能够钝化硅片背表面的悬挂键,从而有效减小了电池背面复合产生的效率损失,提升了电池的开路电压、短路电流。.背面钝化膜的分类、对比电池的关键性技术在于背面钝化薄膜的选择和制备,如今实验室和工业生产上常用的背面钝化薄膜和制备方法有:一、热氧化法制备:传统的实验室高效电池使用高温热氧化法制备:【来抑制少子在电池片背表面的复合,特别是在热氧化生长的,层外再蒸镀一层,结合左右的退火处理,可在低电阻率约的型硅片上将表面复合速率降低至/以下】。另外,/叠层结构可以更加明显的提升表面的反射率,配合正面制绒后的绒面形成双面的陷光,系统,增加入射光能的利用。但是热氧化法制备,钝化薄膜的工艺至今没有被工业化生产采用,首先是设备昂贵、工艺复杂,并且需要长时间高温消耗大量能源增加生产成本;更重要的原因是硅材料的体寿命对于高温过程有着很高的敏感性,尤其是当温度超过。时,多晶硅片中载流子的寿命明显减少】。因此,工业化生产高效电池需要的薄膜必须同时具备,这样优秀的钝化特性,和能够在低温下简单制备的特点。二、等离子体增强化学气相沉积法制备:法制备设备成本较低,工艺相对简单,制备温度较低约,工业化太阳能电池生产中常被用作型电池正面扩散后层外的钝化、减反层,对型电池正面的钝化效果明显。但是,当被应用到型电池,即高掺杂浓度的硅背表面时薄膜没有能够表现出优秀的钝化效果,电池的短路电流相较采用,薄膜钝化电池背表面时有大幅下降】。主要原因是由于在膜层内,有较高的固定正电荷密度,导致覆盖下的型硅电性能发生反转,这一反转层与基底中金属接触区的耦合导致了短路电流密度和填充因子都明显受损,这种负面效应即寄生电容效应。但是,法制备背面钝化薄膜可以直接利用现有工业生产中设备稍加改造实现,不用增加新设备,降低了企业成本。同时,薄膜仍然具有高反射率的特点,可以有效反射透射光;另外,该方法制备的薄膜中富含,能够有效的钝化背面多晶硅中的悬挂键,减少了背面的复合中心,提高了少子寿命。三、:,背面钝化薄膜:研究证明,/接触面具有较高的固定负电荷密度,约为之,从而完全消除了寄生电容效应,同时能够屏蔽型硅表面的少子向背面迁移,表现出显著地场效应钝化特性【】。一般认为:,/的接触面还存在一层极薄的它对于:,的钝化有着重要的作用。.等人和.等人研究发现层对于接触面负电荷的形成有决定性的影响,此外,还可以显著减少,/接触面的界面态】。另外,、介质膜有很宽的带隙.对于可见光完全透明;其折射率约为.带隙为 时,略高于氧化硅,氧化铝薄膜具有很好的热稳定性】。:,介质膜的制备方法有很多种,例如、溅射、溶胶.凝胶【和原子层生长等。不同制备方式制备的,钝化效果也有很大差别,文献】给出了几种不同制备方式制备的,薄膜的钝化性能,其中,佯 表示负电荷密度。少子复合速率越表示少子表面复合速率,。,低,表面负电荷密度越高说明钝化效果越好。图.不同制备方法制备的:,薄膜钝化效果.但是,这些不同的制备方法都需要解决如何实现工业化大规模高效率生产的问题,现有的:,制备手段中,设备简单易于工业生产的方法制备出的薄膜钝化效果不稳定,如溶胶.凝胶法:而钝化效果较好的方法大都需要昂贵的设备并且生产速度较低,如法,都难以满足工业化生产的要求。.课题研究的内容太阳能光伏发电对于人类解决能源危机有重要的应用价值,现阶段太阳能光伏发电面临的最主要问题是如何降低生产成本、提高电池片转换效率,薄片化是降低成本的主流手段,为了配合薄片化的的推进,背面钝化太阳能电池技术的重要性越来越突出。因此,本文从以下方面着手对背钝化太阳能电池技术进行了研究:、本文讨论了腐蚀液在不同参数条件下对电池片背面进行去结、抛光效果的影响,为下一步制备背钝化薄膜做准备,并且创新性的提出了一种适合工业化生产的电池片背面抛光工艺流程,能够大幅度缩减设备成本和生产成本。、本文通过多次大量在产线上进行的对比试验讨论了“法制备薄膜与“法制备,薄膜的钝化效果,综合考虑工业生产因素,为真正实现产业化生产背钝化太阳电池提供了参考。晶延态型虫拙翌垃谊必晶硅太阳电池理论说明.晶硅太阳电池结构太阳电池是利用结的光伏效应,将太阳能转化为电能的装置。按照太阳能电池结构的不同可分为同质结太阳电池和异质结太阳电池.按照材料的不同可分为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅太阳电池和化合物太阳电池等,近年来又出现了类单晶太阳电池等新型材料制成的太阳电池。其中晶体硅太阳能电池是目前技术最成熟、应用范围最广和发展潜力最大的一类太阳能电池技术,包括单晶、多晶和类单晶三种类型,这类电池生产工艺相似,并且与其它太阳能电池相比,在保持了较高发电效率同时也拥有较低的大规模生产成本,是本论文课题研究针对的太阳能电池类型。图晶体硅太阳能电池结构如图.所示,太阳能电池核心部件为结,当太阳光照射到太阳能电池表面时,半导体材料吸收太阳光光子的能量,使得围绕硅原子运动的电子能量增加,并脱离原子核的束缚产生一个带负电荷的自由电子,相应的硅原子电子层剩下的空位形成一个带正电荷的空穴.这些光生载流子由于自身的扩散以及结的电场迁移作用,晟终型一侧积累电子,型一侧积累空穴,即电池的两端由于阳光的照射而产生一个光生电势差,也就是所谓的结光伏效应。在太阳能电池两端制作有导电电极,再将太阳能电池的两端连接至负载.便可产生电流供用电器使用,或者也可将太阳能电池连接至蓄电池,将太阳光转化的电能进行储存。.晶硅太阳能电池重要参数在理想情况下,被光照的太阳电池可以看作是一个恒流源与理想二极管的并联组合,恒流源的最大电流是光生电流,流过理想二极管的电流即暗电流为。但实际的等效电路则要复杂些,可以用图.表示。个一图.太阳能电池等效电路.一.,“、一、“ .?.副一滤 厂一丁甜唱一”一?对应的晶体硅太阳能电池.特性曲线如图.所示。图.晶体硅太阳能电池.特性曲线 醇.一,.短路电流当太阳能电池两端短路,即电池电压为时的电池最大电流特性曲线中的工作点,此时的电流称为短路电流,它表征的是太阳能电池的外接负载被短路时的电流强度,短路电流与光照强度成正比,在光强固定的情况下,令公式.中可得出?。即短路电流电流等于光生电流。.开路电压当太阳能电池两端开路,即电池电流为时的电池最大电压特性曲线中的工作点,也就是太阳能电池在光照下,两端不接任何负载时的电压,此时的电压称为开路电压,在光强固定的情况下,令公式.中可得出广 . .一%:丝抽 争?开路电压随着环境温度的增加而增大,但是温度超过一定的范围开路电压也会随之降低。而且随着光照强度成对数型增大。.最大输出功率.特性曲线上每一个工作点对应一个电压和电流,两者的乘积便是该工作点的电池输出功率,太阳能电池的最大功率输出值可以通过在.特性曲线上求解开路电压和短路电流组成的矩形的最大面积求得。当等时,太阳能电池的输出功率最大,将式带入等氓可求得输出最大功率时的电压值为吒%一型厶熹十可 .珂后,可,.、典型的晶硅太阳能电池?特性曲线与输出功率曲线的关系如图.所示 ?、釜?,一、,山,一,/,. . .?. . . . . . . .图.晶体硅太阳能电池.特性曲线和输出功率曲线 .填充因子填充因子主要与太阳能电池的串联电阻和并联电阻有关,是衡量太阳能电池品质的一个重要参数。填充因子定义为太阳能电池的最大输出功率与太阳能电池的理想输出功率短路电流与开路电压的乘积之比,即:孥,矿己,吒?.由式?可看出,填充因子是太阳能的最大输出功率图.中由坐标轴与和围成的面积与理想输出功率短路电流。与开路电压二的乘积的比例,该比例理想值为,但由于受到二极管特性和一些寄生效应的影响,该参数典型值在%.%之间。将式中的参数均用开路电压表示,可得到填充因子与开路电压的函数关系为:?.?.。己耳%?即?其中将定义为归一化开路电压?心。赤。以上推到仅在没有寄生电阻损失的理想情况下成立【。.光电转换效率/下是太阳能电池是将太阳光辐射的能量转换为电能的装置,而光电转换效率衡量这一转换效率的参数,也是太阳能电池最核心的参数,定义为太阳能电池最大输出功率与入射光功率之比,即?刀:一:必:?.圪 圪 己影响太阳能电池光电转换效率的主要因素:温度和光强温度变化对太阳能电池特性有重要影响,正常情况下,我们测试硅太阳能电池的最大标称功率输出值时,是在光谱为.,温度,辐照强度为/的条件下,但是实际上太阳能电池在工作是得实际条件与标准条件有很大的差异,尤其是在温度和辐照度上。随着温度的升高,开路电压有一个显著的降低,短路电流率为增大, 整体转换效率降低。随着光强的降低,开路电压略微降低,短路电流显著下降,整体转换效率降低。光谱响应理想情况的光谱相应会随着光波长的提高而增加,对于长波长的光,能量比较小,随意载流子产生的距离相对较远的地方, 扩散长度比较长,不利于穿过太阳能电池不能有效的利用结而被收集;相比于短波长的光,光子能量比较大,其全部的能量。寄生电阻太阳能电池有寄生串联电阻和并联电阻,这两种电阻都会降低太阳能点吃的输出功率,从而降低太阳能电池的光电转换效率。寄生的串联电阻主要有半导体的体电阻,电极与半导体表层之间的接触电阻,以及电极的电阻组成。串联电阻的增大使得输出功率降低。因此寄生串联电阻越小越好。寄生的并联电主要是来自非理想结和结附近的杂质,会引起.结的部分短路,在刻蚀工艺没有做好的情况下,电池的边缘会出现漏电现象,使得并联电阻减小,输出功率减小,光电转换效率明显下降。.少子寿命半导体材料中存在空穴和电子两种载流子,电子是型半导体的少数载流子简称少子而空穴是型半导体的少数载流子,相对应的另外一种载流子成为多数载流子简称多子,多子和少子在一定情况下达到动态平衡,如果受到某种外界条件的刺激,例如光照或者辐射,而产生新的非平衡少数载流子,但随着外界刺激的消失,少子会与多子复合并消失,少子寿命正是表征少子平均存活时间的一个参数。而太阳能电池的少子寿命测量有着其特殊性,以微波光电导法测量少子寿命为例,实际测量值为有效少子寿命,有效少子寿命的值与体少子寿命和表面复合影响的寿命相关,其表达式为?十?一一:土十上斫?%。雨历其中和为太阳年电池两个表面的复合速率,为电池片厚度,为扩散系数【。.量子效率.特性曲线主要用于描述太阳能电池的短路电流、开路电压、填充因子和电池片转换效率等基本参数,同时也可表征由于串联电阻和并联电阻带来的效率损失的影响。而电池的光谱响应参数,特别是量子效率这一指标,可以更加详细地表征太阳能电池如何响应不同波长的入射光子以及其光电转化的效率,并且还包含了表面复合速率和少子扩散长度等信,。量子效率 ,简称可分为外量子效率,简称和内量子效率,简称。等于光激发产生的电子空穴对数量与入射光子的数量之比,而内量子效率等于光激发产生的电子空穴对数量与入射到半导体体内的光子数量之比。由于要扣除反射损失的光子,因此与相比分母较小,所以对于同一波长的光,一定大于。.方块电阻对于型衬底制作的电池,需要在电池表明扩散形成一层左右厚度的型层,而方块电阻简称方阻正是表征该层扩散层性质的关键参数。方块电阻名其中为型层的电阻率,为型层的厚度。对于非均匀掺杂的型层,不是一个常数,其方块电阻计算公式为】磅?.晶体硅太阳能电池制造技术晶体硅太阳能电池的生产流程总的来看大致可以分为四大环节:硅原料生产、硅片生产、太阳能电池生产和太阳能电池发电系统组建,本论文研究课题为电池生产环节中的组成部分,因此下面将重点介绍与太阳能电池生产相关的技术。清洗,制绒。;。扩敦掺杂舭蚴.,”醋斛篓饨?卜?一二?一 %;熊?.一?雹?一; 自【“金属电极印刷 干燥烧结蟛成金属硅接触图.晶体硅太阳能电池制造流程 晶硅太阳能电池常规的制造流程如图.所示,包括清洗与制绒、扩散掺杂、清洗与边缘刻蚀、氮化硅镀膜、金属电极印刷和烧结形成金半接触五个步骤,各道制作工序的工艺和作用如下:、清洗与制绒由多晶硅或者单晶硅原料切割而成的原硅片表面有大量切割过程中产生的油豆窑煎左芏熊堂僮监童污、金属污染和机械损伤,若损伤层去除不足会出现种可能情况: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。图.硅锭的线切割因此需要利用酸液针对多晶硅片或者碱液针对单晶硅片对硅片进行腐蚀性,去除硅片表面的各种杂质污染和损伤。图 未经过清洗的硅片表面主要金属杂质含量业 同时由于平面对于入射光反射率较大,使得很大一部分的入射光没有进入硅片内部就被直接反射出去。通过制绒工艺能够形成良好的表面绒面陷光结构晶壁直田电地理监说明图.陷光效应原理降低硅片表面对太阳光的反射率以提高对光的吸收效率。另外,由于多晶硅与单晶硅晶体结构的差异,存在晶向不统一的区别。因此,对多晶硅和单晶硅有着不同的腐蚀液的选择。碱制绒单品硅对碱腐蚀表现出各向异性的特点,不同晶面的腐蚀速率不同,经过一段时间的腐蚀,单晶硅表面会出现“金字塔”形的表面形貌。反应方程式为:,个图.单晶硅制绒面酸制绒与单晶硅不同,多晶硅表面晶向并不统一,如果用碱腐蚀其表面,由于各个晶向反应速度不同,则会在硅片表面形成高低不平的“台阶”,不但不能有效降低反射率,反而会对后续的减反薄膜制备和电极印刷产生不利影响。因此对多晶硅我们采用酸制绒的方法,反应方程式为:立童通太坐蝤茔僮监窑?阳极:十一阴极:总反应式:一图.多晶硅制绒面图工业生产用制绒设备醇. 、扩散掺杂用液态磷源在硅片表面上掺磷对:型结而言并扩散,制作出太阳能电池的制作太阳电池的硅片是型的,也就是说在制造硅片时,已经核心.结【,掺进了一定量的硼元素,使之成为型的硅片。如果我们把这种硅片放在一个石英管内,同时对石英管加热到特定温度.并将含磷元素的气体通入到这个石英管中,此时施主杂质磷元素将从化合物中分解出来,所以容器内会充满着含磷元素的蒸汽。硅片将处于含有大量磷元素的气氛中,这时磷元素会从气氛中浸入硅片的表层,并且通过硅原子蒯的缝隙向电池片内部浸透扩散。有磷元素渗透的硅表面就制成了型掺杂,没有磷元素渗透的硅片另一面仍然是型的,这样就达到了在硅片中制成了所需的结?这就是所说的扩散。具体反应过程为:在高于温度下分解成五氧化磷和五氧化二磷,反应方程式如下:,?塑旦一。反应生成的五氧化二磷在扩散反应温度下和硅反应,生成磷原子和二氧化硅.其反应式如下:。,上由上式可得,加热分解时,假如没有过量的氧气参与,分解是会不充分的,而且生成的是不容易分解的.对硅片有腐蚀作用,会破坏硅片表面形貌。但在有过量氧气存在的环境下,将继续分解为并生成氯气反应方程式如下:?马产生的进一步与硅反应.生成和磷原子,由此可见,在磷扩散时,为了促使充分的分解和避免对硅片的腐蚀,需要在通入氮气的同时通入适当流量的氧气。在有氧气的存在时,分解的反应方程式为:、旧, ,个热分解生成的沉积在硅表面,与硅反应生成磷原子和二氧化硅,并在硅表面生成一层磷硅玻璃,中的磷原子接着向硅片内部渗透扩散。液态源扩散法具有得到结均匀、平整、生产效率高、扩散层表面形貌等优点,这些优点对于制造大面积结的太阳能电池非常重要,所以在工业太阳能电池生产中有着广泛的应用。图工业生产用扩散设各醇基窑迪盍芏堡堂擅监塞、等离子体刻蚀在扩散过程中,即使利用背靠背法扩散,电池片的全部表面包括边缘都会不可避免的扩散上磷。结的正面收集到的光生少子会沿着边缘扩散到有磷的区域流到结的背面,造成短路。这样就降低了并联电阻。等离子刻蚀是利用高频率辉光放电.将反应气体激活为高活性粒子,如游离基或原子,生成的活性粒子游离到待刻蚀部位,和被刻蚀物质发生反应,生成易挥发的反应物而被腐蚀。它的优势在于刻蚀速度快,刻蚀后表面形貌好。这种刻蚀方法也叫干法腐蚀。、表兰受翼瞬汀要?蕊一莲一一图等离子体刻蚀原理口具体原理是分子在高能的电子碰撞下分解成大量离子和中性基团。这些活性粒子由于扩教或者在电场作用下到达表面,并在表面上发生化学反应。生产过程中,中掺入,这样有利于提高和的刻蚀速率。?勋邑划蛆虫池理监近咀一?图工业用等离子体刻蚀机、磷硅玻璃清洗与边缘刻蚀结上方在扩散过程中会产生一层磷硅玻璃层简称,为富含磷元素的二氧化硅层,会对后续镀膜和烧结工艺产生不良影响,并且扩散后硅片的边缘和正面均存在结针对单面扩散而言,可能导致硅片两面电极的导通漏电,降低电池对光生电流的收集效率【。因此,需要对硅片正面的进行清洗,并且通过边缘刻蚀工艺去除硅片边缘的结。能够腐蚀是因为能和反应生成易挥发性的气体;,?、,如过量,反应产生的将继续与反应生成可溶解的络和物:总反应方程式为:夏至盟点芏熊主芏焦监童图.工业用清洗机、氮化硅镀膜用设备在等离子体低温环境下进行氮化硅镀膜,该层氯化硅薄膜通过半波长减反原理的光学设计,可以减少太阳光的反射损失,同时利用膜层中富含的元素对太阳能电池硅片表面和体内进行钝化,并因其膜层中富古的固定电荷产生表面电场,综合以上多种作用,可有效降低电池片表面的复合速率。, ;?图 原理示意图夏至煎厶芏熊芏僮监窑过丝网上的网孔,印刷到被印刷物上刮刀有手动和自动两种。丝网上的图案将有些网孔封住使浆料无法透过丝网,只有有图案位置能透过,因此在被印刷物上只有图案位置有印痕。也就是说,丝网印刷是利用浆料透过网版来印刷的。.图丝印剖面示意图图 丝网印刷图形醇. 烧结可看作是将原子从不稳定的高能态位置跃迁到原子自由能量最低的位置的过程。浆料中的各自独立的粉末状颗粒是高度分散的系统,有较高的分子表面自由能。由于分子系统总是向着分子自由能最低的状态发展,所以在烧结过程中,粉末颗粒的分子自由能一定会降低,这就是烧结的热动力学理论。粉末颗粒有着很大的表面积,有极其复杂表面的形态加之在粉末的生成、粉碎处理等制造过程中,经历的热、化学、机械作用造成的大量晶格缺陷,使得粉末晶砝直刚虫池理论茁盟厂/、./,。.,.、,一?。一、”。 “。 ” “。 ” ” ”一&”一?”图.镀膜前后电池前表面反射率对比圈 镀氮化硅薄膜前后对比、金属电极印刷和烧结在太阳能电池正面和背面都制作有金属银电极,并且在背面还制作有铝背场,印刷完成这些金属图形后,再在一定温度下进行烧结以形成良好的金半接触和铝背场,将光伏效应产生的光生电子和空穴导出电池,铝背场在收集光生电流的同时,也因其/电场的存在,可对硅片背表面形成场钝化效应以提高光生载流子收集率。丝网印刷即把有图案的模版附着于丝网上印刷的。丝网通常是由尼龙、金属网制成。当被印刷物放在带有图案的丝网下时,丝印浆料或油墨在刮刀的按压下透系统具有极高的表面自由能。烧结时,颗粒由独立到结晶.自由分散表面的聚合、空隙的填补、晶格缺陷的消失等都会让该系统的表面自由能下降,系统会变成较稳定的结构。在烧结过程中金属电极刺穿减反膜,与太阳电池形成欧姆接触。烧结前烧结后图 烧结前后金属电极穿透减反膜醇 另外烧结过程中有利于工艺所引入一向体内扩散藿可以起到良好的体钝化作用。带遵,温区. . , 一 . . . . , .【. 划:塑纠塑型巫:墨廑:划盟:塾划列划:】:,、, / , / 、/一同斟饼错啪靳瑚啪柚啪图.经典烧结温区设计和烧结曲线 基变盟太芏鲤堂焦垃窑、测试分选太阳电池在一定温度下接受在一定的辐照度的太阳光照射。在接受照射的同时变化外电路负载。测量流出负载的电流和电池端电压的数据和关系曲线。根据数据和曲线由计算机软件系统计算出各种电性能参数。其中模拟太阳光源多为氙灯光源,标准测试光源参数为:辐照度;温度:咖粥:口“.” 受 “托图 测试分选机原理示意图醇 .小结本章介绍了晶硅太阳能电池的基本原理与结构,较深入的解释了晶硅电池的重要参数以及复合理论,还介绍了现在主流工业生产中晶硅太阳能电池片的生产、制造工艺流程。为下面章节打下理论基础。测试仪器原理和应用.太阳能电池通用测试设备.四探针方阻仪四探针法是一种被广泛应用在测量电阻率和方块电阻的标准方法,常用于半导体工艺中,主要有点有:设备简单,使用方便,测量精度高,对样品几何尺寸要求宽松。测量范围为。 ,实用与测量半导体材料、异型层、外延材料及扩散层、离子注入层的电阻率,能够分辨毫米级材料的均匀性,并能够提供一个迅速的、微小损伤性的、较准确的测量值。其测试原理如图.所示图.四探针方阻仪原理示意图 .其中探针间的距离相等。一个从恒定电流源来的小电流,流经靠外侧的两个探针,而对于内侧的两个探针问,测量其电压值,就一个薄的半导体样品而言,若其厚度为,且远小于样品直径,其电阻率为二。校正因子视/比例而定, 其中为探针的间距, 当其中表示校正因子,/,校正因子趋近于.。半导体工艺中普遍采用四探针法测量扩散层的薄层电阻方块电阻,由于反向结的隔离作用,扩散层下的衬底可视为绝缘层。这样根据方块电阻的定义和公式?可得:夏至煎盔生熊土生焦监窑.:旦:一这样不用知道扩散层的厚度,采用四探针法就可以测得扩散层的方块电阻。方块电阻是表征扩散层即电池中的发射结的导电能力和掺杂水平表面掺杂浓度和结深的重要参数。使用四探针进行半导体材料电阻率测量时,其测量误差会受到温度、电流分布等因素的影响。此外,光照、探针与样品间的接触电阻等问题也是影响仪器测量精度的重要因素。四探针测试法中,电流探针和被测样品问属于