晶体硅正式PPT演示课件

晶体硅电太阳能电池,主讲人：严昊鑫,目录,一.什么是晶体硅电池,二.晶体硅电池的来源,三.晶体硅电池的分类,四.半导体物理基础,五.晶体硅电池基本结构与原理,1.基本结构,2.基本原理,六.晶体硅电池的制备,7.整体流程回顾,1.半导体光电效应,2.半导体的参杂效应,3.p-n结,1.表面结构粗糙化,2.磷扩散制作,3.边缘绝缘处理,4.抗反射层涂布,5.正面电极网印,6.背面电极网印,七.晶体硅电池的实际应用与未来展望,1.晶体硅电池的应用,2.太阳能发电系统的组成,3.太阳能发电系统的选择,4.晶体硅电池的前景,2,一.什么是晶体硅电池,太阳能电池又称为“太阳能芯片”或光电池，是一种以光伏发电原理为基础，将太阳光转成电能的装置。,上图为多晶硅太阳能电池板右图为单晶硅太阳能电池板,3,二.晶体硅电池的来源,随着第二次以及第三次工业革命的发展，传统工业以及新兴工业对能源的需求量越来越高，而化石能源开始逐渐不能满足我们的需求，并且给环境带来巨大的污染。人们开始着眼于新能源的开发。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源也是清洁能源，不产生任何的环境污染。自从1839年，光生伏打效应（就是光伏）第一次由法国物理学家A.E.Becquerel发现之后，太阳能应用的发展速度与日俱增。1883年第一块太阳电池由CharlesFritts制备成功。Charles用硒半导体上覆上一层极薄的金层形成半导体金属结，但是器件只有1%的效率。进入二十世纪之后，欧美各国都通过不同形式的补贴大力发展光伏技术，这也是晶体硅电池发展的黄金期。,4,1946年RussellOhl申请了现代太阳电池的专利。1950年代，随着半导体物理性质的逐渐了解，以及加工技术的进步，在1954年美国贝尔实验室的研究员发现，于硅中掺入一定量的杂质，会使其对光更加敏感，并制作出了第一个有实际应用价值的太阳能电池。1960年代，美国发射的人造卫星已利用太阳能电池做为能量来源。1970年代，由于能源危机，世界各国开始关注能源开发的重要性。1973年发生了石油危机，人们开始把太阳能电池的应用转移到一般的民生用途上。目前，在美国、日本和以色列等国家，已经大量使用太阳能装置，通过国家补贴的方式，更朝商业化的目标前进。在中国，太阳能发电产业亦得到政府的大力鼓励和资助。2009年3月，财政部宣布拟对太阳能光电建筑等大型太阳能工程进行补贴。,5,三.晶体硅电池的分类,6,四.半导体物理基础,1.半导体光电效应,要了解晶硅电池，首先我们要明白什么是半导体的光伏效应，那么我们就从半导体的物理基础入手。我们就以半导体晶体硅为例。,右图是硅原子原子排列示意图，每个硅原子都贡献出四个电子与周边的四个原子共享，同时享受周边四个电子。因此，每个硅原子的外层电子轨道都因此得到饱和，能量降低。如果不出现缺陷的话，这种完美的结构会一直延续到表面。,7,理想情况下，纯硅晶体是不会有任何导电能力的，因为没有自由电子或者任何其他载流子（所有电子都束缚在共价键中）。但是理想情况只在绝对零度下具备。随着温度升高，热震动会使共价键中电子激发而脱离束缚，成为可参与导电的电子。能很好解释这一现象的是固体能带理论。对于硅原子来说，共价键中的电子能量较低，处于价带；脱离束缚的电子能量较高，处于导带。价带有明显的上限Ev，导带有明显的下限Ec。而中间的这一层，是电子无法存在的，叫做禁带。而价带电子吸收能量，从价带到导带不是连续过渡，而是突变，也就是我们熟悉的跃迁了。,半导体价电子能带结构示意图,8,我们在这里要注意的是，半导体的一个电子从价带跃迁到导带之后，导带上增加了一个电子，同时价带上出啊现了一个电子空穴（共价键上缺少了一个电子）。将空穴看成一中带电粒子（电荷大小和电子相同，符号和电子电荷相反），理论上是可以的，而且给分析带来很大方便。所以，我们将自由电子和空穴都叫做载流子。这里还需要看到，空穴的移动不是独立移动，而是依赖半导体中相邻价带电子与之互换位置的方式来迁移，表观上体现为迁移率明显低于自由电子在半导体中的迁移率。随着温度的升高，半导体中的平衡载流子浓度提高，禁带的宽度减少。而这里我们将引入一个概念，费米能。费米能的物理意义是电子的化学势，其值介于Ec与Ev之间。,9,2.半导体的掺杂效应掺杂（英语：doping）是半导体制造工艺中，为纯的本征半导体引入杂质，使之电气属性被改变的过程。引入的杂质与要制造的半导体种类有关。轻度和中度掺杂的半导体被称作是杂质半导体，而更重度掺杂的半导体则需考虑麦克斯韦-玻尔兹曼统计带来的影响，这种情况被称为简并半导体。掺杂物浓度对于半导体最直接的影响在于其载流子浓度。在热平衡的状态下，一个未经掺杂的本征半导体，电子与空穴的浓度相等。通常掺杂浓度越高，半导体的导电性就会变得越好，原因是能进入导带的电子数量会随着掺杂浓度提高而增加。掺杂浓度非常高的半导体会因为导电性接近金属而被广泛应用在今日的集成电路制程来取代部份金属。而我们今天就来介绍一下最常用的n型掺杂，p型掺杂以及电离。接下来我们将全部以硅作为研究对象来讨论以上问题。,10,n型掺杂(negativecharge)一般是在半导体硅中引入磷元素（P）。因为磷元素的外层有5个价电子，比硅原子多出一个。这个多出的一个院子很容易就可以成为自由电子，实际情况在常温下几乎100%成为自由电子。这种掺杂结果是硅中的自由电子浓度提高，增加的电子个数等于掺入的磷原子的个数。所以可以看出，这种掺杂引入的载流子带负电荷。这类掺杂元素因提供负电荷而被称为施主。p型掺杂(postivecharge)可想而知，对应引入自由电子的掺杂，p型掺杂就是引入空穴。半导体硅通常引入硼元素（B），有时也使用铝，镓。同样，对应的掺杂元素被我们成为受主。电离半导体中，施主原子失去电子（施主能级电子跃迁至导带）与受主原子得到电子（价带电子跃迁至受主能级或者是空穴由受主能级跃迁至价带），都被称之为电离。,11,为了便于大家理解，上图是磷和硼杂质引入的电子能级在硅晶体价电子能带结构中的位置。可以看出，磷原子引入的电子能级低于但是十分接近硅晶体导带底，这意味着其中的电子可以很容易跃迁至硅的导带成为自由电子。由于能级十分接近，这种跃迁几乎在室温条件下就可以100%发生。而硼电子的能级高于价带，但是十分接近价带，同样，价带电子或者硼原子中的空穴跃迁也是很容易的。这里我们都是以室内常温来进行讨论的，温度过低的情况要另行讨论。,12,3.p-n结,P-N结可用一块半导体经掺杂形成P区和N区。由于杂质的激活能量很小，在室温下杂质差不多都电离成受主离子B和施主离子P+。在PN区交界面处因存在载流子的浓度差，故彼此要向对方扩散。设想在结形成的一瞬间，在N区的电子为多子，在P区的电子为少子，使电子由N区流入P区，电子与空穴相遇又要发生复合，这样在原来是N区的结面附近电子变得很少，剩下未经中和的离子P+形成正的空间电荷。同样，空穴由P区扩散到N区后，由不能运动的受主离子B形成负的空间电荷。,在P区与N区界面两侧产生不能移动的离子区（也称耗尽区、空间电荷区、阻挡层），于是出现空间电偶层，形成内电场（称内建电场）此电场对两区多子的扩散有抵制作用，而对少子的漂移有帮助作用，直到扩散流等于漂移流时达到平衡，在界面两侧建立起稳定的内建电场。,13,五.晶体硅电池基本结构与原理,1.基本结构栅线：一般用银浆丝网印刷制的，收集载流子以汇成电流。减反射膜：一般为即使纳米后的氮化硅薄膜，具有适当的折射系数，所以能够很好的减少反射作用。除此之外，减反射膜也对硅表面及其附近晶体缺陷具有很好的钝化作用。,绒面：目的也是减少光反射。通过腐蚀粗糙化表面来实现，其作用基本上纯粹是几何的。p/n硅层：绝对核心结构铝背场层：受主杂质铝的重掺杂层，类似标为P+是由铝合金熔体在硅表面液相外延生长而成。铝背接触层：金属导电层。,14,2.基本原理光照条件下，太阳能附近将会有大量的非平衡载流子被激发。我们从n型区朝光的结构来看。对漂移电流来说，其大小正比与载流子的浓度和电场强度。电厂迁都来自p-n结，不会因为非平衡载流子而改变。而载流子的浓度却因为光照得到增加，而且相当可观。因为内建电场作用下的飘逸依靠少子，它需要从p区抽取电子，从n区抽取空穴，而平衡时候，它们是极少的。,对于扩散电流来说，它正比与载流子浓度梯度。由于太阳光照射由表及里，过程中有吸收衰减，所以p-n结上下附近附近的光生非平衡载流子浓度有一定的梯度，叠加在原先的平衡体系上，对于电子和空穴都是一样的。所以两者都是有n区向p区扩散。引起的净电流很小，与漂移电流相比可以忽略不计。,15,所以，光照时p-n结及其附近光生载流子将被内建电场驱动而形成从n区向p区的电流，具体就是p区向n区的电子流加上n区向p区的空穴流。从另一个角度来看，光激发电子空穴本来就有很高的概率就地复合消失，而内建电场及时将他们分开了，分开的方式为向p-n结另一侧驱离其中的一种载流子，也就是驱赶少数载流子。太阳电池在p区和n区外端都已制备好金属接触，将他们导通连成回路后，上述电流就源源不断地流动起来了，只要有光就可以。,16,六.晶体硅电池的制备,作为光伏产业的先锋，晶体硅电池已经占据全世界接近90%的光伏应用市场。晶体硅电池的光电转换效率高，性能稳定，且结构简单，易于生产。在过去的5、6年时间内，随着晶体硅电池产量的提高，电池的产生技术和生产辅料的水平也不断提高。技术水平的突破使设备成本也开始不断下降。在这一部分，让我们一起看看常规晶体硅电池的制造方法以及一些相关的影响制备的因素。,17,基本晶体硅电池制备流程,18,1.表面结构粗糙化（Texturization）,首先是利用NaOH的方向性蚀刻，在硅基板上产生逆金字塔状凹槽。NaOH须与异丙基醇IPA（isopropylalcohol）混合在一起。IPA的作用在于湿化硅基板表面，以获得更均匀的蚀刻效果（表面活性剂）。利用方向性蚀刻的方法来产生逆金字塔状凹槽的技术，在单晶硅上得到最佳的效果。虽然也可用在多晶硅上，但所得到的凹槽效果比单晶硅要差许多，这也是多晶硅电池效率比单晶硅低的原因之一。,19,有纹理的多晶硅表面的扫描电子显微镜照片,20,21,这是因为多晶硅表面存在着许多不同方向性的晶粒，这些晶粒的蚀刻速率快慢不一，不像单晶硅的均匀蚀刻效果。为解决此问题，也有人采用机械切割的方式来制造出V型凹槽，接着用碱蚀刻来去除因机械加工所造成的表面损伤层。一般的V型凹槽的深度为50m左右。,22,利用机械切割方式制造出的V型凹槽，可以降低多晶硅电池的表面反射程度,23,2.磷扩散制作（PhosphorousDiffusion）,完成表面粗糙织构化之后，硅基板要利用高温扩散来形成P-N二极管。由于一般的太阳电池是使用P型硅片做基板，所以后续使用磷扩散来形成P-N二极管。由于为高温操作，对金属离子的污染必须注意。依据所使用的扩散炉管的类型，扩散工艺可分为：（1）石英炉管（2）传输带式炉管（Beltfurnace）,24,（1）石英炉管,石英管扩散炉示意图,25,反应历程：后处理：经过扩散炉处理完的硅晶片表面会产生一层二氧化硅，通常必须利用氢氟酸来去除表面的二氧化硅：特点：商业扩散炉为批式流程（bach）。石英扩散炉是比较干净的方法，在炉管内没有其它金属暴露在高温下。,26,石英管扩散炉实际照片,27,（2）传输带式炉管（Beltfurnace）,28,制作过程：先将含磷的膏状化合物（如磷酸）涂抹在硅晶片表面，待干燥后，利用传输带将晶片带入炉管内，进行扩散。炉管内的温度可设计为几个区域，在较低的温度区域内（600）先将膏状化合物的有机物烧掉，接着进入约950的高温区域进行扩散过程。缺点：由于外界空气可进到炉内，再加上传输带含有金属成分，所以金属污染的几率比石英扩散炉大。,29,扩散装置示意图,30,管内气体中杂质源的浓度扩散温度扩散时间,影响扩散的因素,31,管内气体中杂质源浓度的大小决定着硅片N型区域磷浓度的大小。但是沉积在硅片表面的杂质源达到一定程度时，将对N型区域的磷浓度改变影响不大。扩散温度和扩散时间对扩散结深影响较大。N型区域磷浓度和扩散结深共同决定着方块电阻的大小。,影响扩散的因素,32,三氯氧磷（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,太阳电池磷扩散方法,33,POCl3磷扩散原理,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：,34,34,POCl3是目前磷扩散用得较多的一种杂质源无色透明液体，具有刺激性气味。如果纯度不高则呈红黄色。比重为1.67，熔点2，沸点107，在潮湿空气中发烟。POCl3很容易发生水解，POCl3极易挥发。,POCl3简介,35,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：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。,36,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。,37,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。,38,目的：经过扩散工艺后，晶片的边缘也会出现一层N型掺杂区，如果不去除，则会造成正面与背面电极的连通，必须将其去除，才能显现出P-N二极管的结构。方法：一般采用低温的干蚀刻技术（dryetching）。将晶片堆叠在一起（保证不会蚀刻到晶片的正面及背面），放入反应炉内，使用CF4及O2的等离子体进行干蚀刻。,3边缘绝缘处理（EdgeIsolation）,39,抗反射层的材料：有氧化钛、氮化硅、一氧化硅、氧化铝、二氧化硅、氧化铈等。抗反射层的涂布技术：以化学蒸镀法（ChemicalVaporDeposition，简称CVD）最为常用。CVD法又可分为APCVD（AtmosphericPressureCVD）、PECVD(PlasmaEnhancedCVD)和RPCVD(ReducedPressureCVD)。,4抗反射层涂布（ARCDeposition）,40,APCVD法一般被用来生产氧化钛或二氧化硅的抗反射层。将钛的有机化合物浆料利用喷嘴（nozzle）喷溅在200环境的硅晶片上，使得钛有机化合物在晶片表面产生水解反应，而将氧化钛沉积蒸镀在硅晶片的表面。此法可利用传输带式反应炉大量生产，或使用网印（screenprint）的方式进行涂布，再置于高温下沉积。,(1)APCVD,41,PECVD法一般被用来生产氮化硅（SiNx）抗反射层。在反应炉内通入SiH4及NH3或N2，使它在硅晶片表面产生一层非晶结构的氮化硅（SiNx）抗反射层。在此反射层内，会含有将近40%原子比例的氢原子，虽然非晶的氮化硅的化学式写作SiNx，但实际上应该是a-SiNx:H。,(2)PECVD法,实验机理：是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。,42,(2)PECVD法,利用PECVD法生产氮化硅抗反射层的示意图,43,氮化硅抗反射层最常使用在多晶硅太阳电池上，不仅能有效的减少入射光的反射，还具有钝化的作用。钝化的作用起因与抗反射层内部的氢原子。因为氢原子可以与多晶硅内部的杂质及缺陷（如晶界）发生反应，而大幅降低多晶硅内部在电性上的活性，降低了少数载流子再结合的机会，此钝化称为BulkPassivation。PECVD法使用的RF有高频（13.56MHz）及低频（10500KHz）两种，前者在表面钝化（surfacepassivation）及UV稳定效果上比较好，后者可得到更均匀的氮化硅抗反射层。,44,太阳电池对正面金属电极的要求：与硅接触时电阻低；金属线宽小；附着力强；可焊接性强；可大量生产及低制造成本。基于上述要求，网印（screenprinting）技术是目前最广泛使用的技术。原理：利用丝网图形部分网孔透浆料，非图形部分网孔不透浆料的基本原理进行印刷。,5正面电极网印（FrontContactPrint）,45,网印技术示意图,46,使用不锈钢丝网的特点：丝径细、目数多，耐磨性好，强度高，尺寸稳定，拉伸性小；浆料通过性能好；浆料沉积厚度较易控制；适用于太阳能电池浆料的印刷。,47,网印技术中，最重要的成分为印刷板（screen）及金属膏（paste）。印刷板多用人造纤维或不锈钢丝，线的直径约10m左右，间距约100m。金属膏的成分有：有机溶剂，使得金属膏呈现流动态；有机结合剂，固定金属粉末；银粉，粒度10m左右；玻璃粉，低熔点、高活性的氧化物粉末，可以对硅表面进行蚀刻反应，帮助银粉与硅表面的结合。,48,使用尼龙丝网的特点：尼龙丝网是由化学合成纤维制作而成，高强度；耐磨性、耐化学药品性、耐水性、弹性较好；丝径均匀，表面光滑，故油墨的通过性极好；可以使用低粘度浆料；拉伸性较大，一段时间后可能导致丝网印版松驰，精度下降；丝网有柔性，可以用于不平坦的表面。,补充丝网印刷技术介绍,49,尼龙丝网印刷基本流程,50,不锈钢丝网印刷基本流程,51,一个完整的丝网印刷太阳能电池的正面图。,52,通常也采用网印技术来制造，与正面电极的不同点在于，金属膏成分同时含有银粉和铝粉。这是因为银粉本身无法与P型硅形成欧姆接触，而铝虽然可与P型硅形成欧姆接触，但焊接性差，必须两者混合使用。虽然一整层连续的背面电极的电阻较小，但生产中习惯采用正面电极般的网状结构。因为一整层连续的背面电极会因为不同的热膨胀系数，而使得晶片在高温处理时发生弯曲变形。,6背面电极网印（BackContactPrint）,53,（1）切片：采用多线切割，将硅棒切割成正方形的硅片。（2）清洗：用常规的硅片清洗方法清洗，然后用酸（或碱）溶液将硅片表面切割损伤层除去3050um。（3）制备绒面：用碱溶液对硅片进行各向异性腐蚀在硅片表面制备绒面。（4）磷扩散：采用涂布源（或液态源，或固态氮化磷片状源）进行扩散，制成PN结，结深一般为0.30.5um。（5）周边刻蚀：扩散时在硅片周边表面形成的扩散层，会使电池上下电极短路，用掩蔽湿法腐蚀或等离子干法腐蚀去除周边扩散层。（6）去除背面PN结。常用湿法腐蚀或磨片法除去背面PN结。（7）制作上下电极：用真空蒸镀、化学镀镍或铝浆印刷烧结等工艺。先制作下电极，然后制作上电极。铝浆印刷是大量采用的工艺方法。（8）制作减反射膜：为了减少入反射损失，要在硅片表面上覆盖一层减反射膜。制作减反射膜的材料有MgF2，SiO2，Al2O3，SiO，Si3N4，TiO2，Ta2O5等。工艺方法可用真空镀膜法、离子镀膜法，溅射法、印刷法、PECVD法或喷涂法等。（9）烧结：将电池芯片烧结于镍或铜的底板上。（10）测试分档：按规定参数规范，测试分类。,7.整体流程回顾,54,七.晶体硅电池的应用与前景,1.晶体硅电池的应用,现在市场上，晶体硅电池主要分为单晶硅电池、多晶硅电池和带状硅电池。虽然成本相对煤电高，但工艺和材料技术成熟，且硅材料对环境和人体无害、光电转换效率较高、稳定性高、寿命长，硅基（多晶硅、单晶硅）太阳电池仍是光伏市场的重要产品，占市场的80%以上。单晶硅是集成电路硅片的重要材料，同时也是重要的光伏材料。单晶硅太阳电池使用的硅原料主要为：半导体硅碎片、半导体单晶硅的头、尾料，半导体用不合格的单晶硅以及专门为生产太阳电池制备的单晶硅。多晶硅太阳电池采用低等级的半导体多晶硅或专门为太阳能电池使用而生产的铸造多晶硅等材料。而带状硅电池制备不需要切片，可使材料利用率得到大幅提高，从而降低电池材料成本。带状硅生长的主要方法有条带法、蹼状法、定边喂膜生长法等。带状硅太阳电池转化效率约为15%，略低于单晶硅电池。,55,现阶段光伏技术已经广泛应用于航天，军工等各个领域。对于民用光伏技术来说，晶体硅电池是运用最广的。太阳能光伏发电系统在建筑和家庭生活方面的应用显得尤为突出。,56,屋顶光伏系统,57,太阳能光伏房,58,光伏车棚,59,光伏遮阳篷,60,（一）太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本；（二）太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项；（三）蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。（四）逆变器：在很多场合，都需要提供220VAC、110VAC的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。在某些场合，需要使用多种电压的负载时，也要用到DC-DC逆变器，如将24VDC的电能转换成5VDC的电能（注意，不是简单的降压）。,2.太阳能发电系统的组成,61,太阳能发电系统的选择一般需要考虑如下因素：Q1、太阳能发电系统在哪个地区使用？该地日光辐射情况如何？Q2、系统的负载功率多大？Q3、系统的输出电压是多少，直流还是交流？Q4、系统每天需要工作多少小时？Q5、如遇到没有日光照射的阴雨天气，系统需连续供电多少天？Q6、负载的情况，纯电阻性、电容性还是电感性，启动电流多大？Q7