硅表面钝化技术及其在晶硅电池中的应用

B y Y a n a nD o u AD i s s e r t a t i o nS u b m i t t e dt o U n i v e r s i t yo fC h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s I np a r t i a lf u l f i l l m e n to f t h er e q u i r e m e n t F o rt h ed e g r e eo f D o c t o ro f E l e c t r o n i c sS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y S h a n g h a ii n s t i t u t eo f T e c h n i c a lp h y s i c so ft h eC h i n e s e A c a d e m yo fS c i e n c e A p r i l ，2 0 1 3 致谢 致谢 在即将顺利完成学业之际，我向所有关心、指导和帮助我的人表达我最诚挚 的谢意。首先要感谢的是我的导师褚君浩院士。褚老师学识渊博，治学严谨，工 作勤奋，准时守信，这些都在我的脑海里烙上了深深的印记，为我今后的工作和 生活树立了良好的榜样。褚老师为学生们提供了良好的实验平台和宽松的工作环 境，使我能在做科研中体会到许多乐趣，实现一些自己的想法，保持舒畅的心情， 在此对褚老师表示由衷的感谢! 感谢尚德电力的技术经理何悦博士对我工作的指导和帮助。何悦博士工作能 力强，注重细节，平易近人，对我的实验、报告以及毕业论文写作等各个方面的 提供很好的建议和帮助。 感谢马晓光教授，把我带进光伏这个行业，使我熟悉了硅薄膜电池和晶硅 电池的产业化情况，得到了很多实践。感谢邵军研究员、王建禄师兄，朱亮清 师兄，刘玉峰博士，史继超博士，在实验上的热心指导和有益讨论；感谢黄婵 燕，张云帮我做了很多镀膜和测试实验，感谢张雷博，周炜，黄敬国，邱锋， 董文静，布海军，丛蕊，曹中兴，刘新智，马学亮等同学在工作和生活中的帮 助以及实验上的讨论；感谢尚德电力王永谦博士，乔琦博士，王淑珍，赵许飞， 江作，刘宁，俞瑞瑞，杨宝平等同事在工作中的支持和帮助；感谢太阳能电池 研发中心王善力研究员，赵守仁等在实验平台上的支持；感谢中科院电工所周 春兰老师，周肃博士，赵彦硕士在测试实验中的帮助；感谢硅器件室徐鹤靓老 师在实验中给予的帮助；感谢韩国N C D 、芬兰B E N E Q 和苏州德龙激光等公司； 感谢物理室孟祥建研究员，孙瑕兰研究员，沈宏副研究员，郭少令高工，骆振 娅老师在工作中的帮助；感谢沈蓓军老师在专利申请方面给予的支持和帮助。 感谢0 8 硕博全体同学，非常荣幸我们能够一起进入技物所学习，度过了人 生中难忘的一段时光。 最后，深深感谢我的父母和妹妹，是你们的无私支持和关爱，才使我得以 顺利完成学业，在此，祝愿你们身体健康，平安快乐! 窦亚楠 2 0 1 3 0 4 上海 摘要 摘要 全球能源消费的不断膨胀以及传统化石燃料的过度不科学利用，导致环境 污染加剧、生态环境恶化、全球气候变暖，与此同时化石能源也濒临枯竭。面 对能源危机，许多国家都在研究和开发利用可再生能源，太阳能光伏发电作为 - k O 干净的可再生的新能源，受到全世界普遍的重视。 目前光伏发电成本还比较高，其中一个解决方案就是提高光伏电池的转换 效率，因而新技术的研发是必不可少的。当前主流晶体硅电池基于丝网印刷技 术，相对于实验室高效电池，丝网印刷电池有诸多可改善之处。比如可用发射 极金属缠绕技术将前电极移往背面以减少遮光面积，采用选择发射极技术减少 电极接触电阻同时减少非接触区的表面复合，采用N 型衬底减少体复合。总之 可从以下三个方面着手：( 1 ) 光管理技术减少光子损失，( 2 ) 钝化技术减少载流子 复合，( 3 ) 减小串联电阻以减少电学损失。本论文结合( 1 ) 和( 2 ) 两点采用工艺简单、 成本较低并且易于产业化实现的背表面钝化和反射介质层技术路线改善电池性 能，主要的研究内容和结果有： 1 ，采用热原子层沉积( A L D ) 在硅表面制备了均匀致密的A 1 2 0 3 薄膜并研究其钝 化性能。沉积后的A L D A 1 2 0 3 薄膜对p n 硅都有较好的钝化性能，少子寿命达 百微秒量级，优化温度退火处理后少子寿命大幅提升到毫秒量级。对于p ( n ) 型 硅，最大的有效少子寿命为1 3m s ( 4m s ) ，相应的表面复合速度为1 0c m s ( 3 c m s ) 。 2 ，A L D A 1 2 0 3 薄膜表面固定负电荷的密度随退火温度呈指数式增长，最高可达 4 x 1 0 1 2c n l - 2 。通过二次离子质子谱，X 射线光电子谱和高分辨透射电镜等实验 研究了表面固定负电荷的来源，指出退火后在A 1 2 0 3 一S i 界面处形成了S i O 。氧化 层，退火温度越高，其中的O 含量越多，更易形成四面体结构，导致A l 以A 1 0 4 。 形式存在，即负电荷的来源。 3 ，通过复合理论模拟和实验定量计算了A L D A 1 2 0 3 薄膜对硅的表面钝化性能 中来自场效应钝化和化学钝化各自的贡献。未退火前表面固定电荷密度很低， 以化学钝化为主，低温退火后表面固定电荷指数式增长，这时钝化性能的改善 主要来源于场效应钝化。高温( 4 5 0o C 以上) 退火后表面缺陷增加，即使表面固 定电荷也增加，但钝化性能衰减，说明场效应钝化起作用以化学钝化为基础。 i 摘要 4 ，采用A L D A 1 2 0 3 薄膜作为介质层制备了L F C P E R C 型晶体硅电池，I V 测试 开路电压为6 0 6 5m V ，短路电流为3 5 6 4m A c m 2 ，串联电阻很大达到0 0 1 9 0 3Q ， 填充因子很小只有6 8 1 7 ，效率1 4 7 4 。量子效率表征得出表面复合速度 S = 3 7 0 c m s ，内反射为R = 9 5 。前表面A 1 2 0 3 S i N x 双层膜将加权平均反射率降 低到2 5 。 5 ，采用A 1 2 0 3 S i N x 作为背面钝化介质层制备了L A P E R C 型晶体硅电池。最大 开路电压为6 3 21 1 1 V ，最大短路电流密度为3 7 9 7m A c m 2 ，最高效率达到17 8 ， 效率主要受到串联电阻的限制。相对于参考丝网印刷电池的表面复合速度 S = 5 0 0c m s ，内反射R = 7 5 ，L A P E R C 电池的的表面复合速度下降到S = 1 0 0 c m s ，红外内反射率达到R = 9 5 。 关键词：原子层沉积，氧化铝，光伏电池，表面钝化，场效应钝化，表面固定 电荷 A B S T R A C T A B S T R A C T T h ec o n t i n u o u se x p a n s i o no fg l o b a l e n e r g yc o n s u m p t i o na n de x c e s s i v e u n s c i e n t i f i cu s eo ft r a d i t i o n a lf o s s i l e n e r g y r e s u l t e di nt h e i n c r e a s i n g o f e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，t h ed e t e r i o r a t i o no ft h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n dt h e g l o b a lw a r m i n g ，w h i l et h ef o s s i le n e r g yw i l ld e p l e t ei nt h en o tf a rf u t h e r I nt h ef a c e o f e n e r g yc r i s i s ，m a n yc o u n t r i e sa r et a k i n g m e a s u r e so nt h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n ta sw e l la su t i l i z a t i o no fr e n e w a b l ee n e r g y P o w e rg e n e r a t i o nb ys o l a r p h o t o v o l t a i ct e c h n o l o g y , a so n eo ft h ec l e a na n dr e n e w a b l ee n e r g y , h a sa t t r a c t e dal o t o fa c a d e m i ca t t e n t i o na l lo v e rt h ew o r l d A tp r e s e n t ，t h ec o s to f p h o t o v o l t a i cp o w e ri ss t i l lr e l a t i v e l yh i g h O n es o l u t i o ni s t oi n c r e a s et h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo ft h es o l a rc e l l s ，t h u st h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fn e wt e c h n o l o g yi se s s e n t i a l T h ec u r r e n tc r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l i sb a s e do nt h es c r e e np r i n t i n gt e c h n o l o g y , w h i c hi ss t i l ln e e d e dt oi m p r o v ei n c o n t r a s tt oh i g h p e r f o r m a n c e l a b o r a t o r y s o l a rc e l l s F o ri n s t a n c e ，r e d u c i n gt h e s u r f a c eo ft h es h a d i n gs u r f a c e sb yE m i t t e r M e t a l l i s a t i o n W r a p T h r o u g ht e c h n o l o g y t h r o u g hm o v i n gt h ef r o n te l e c t r o d et ot h eb a c ks i d e ，r e d u c i n gt h ee l e c t r o d e sc o n t a c t r e s i s t a n c ea n dt h es u r f a c er e c o m b i n a t i o no ft h en o n - c o n t a c tr e g i o nb ys e l e c t i v e e m i t t e rt e c h n i q u e s ，r e d u c i n gt h ec r y s t a lr e c o m b i n a t i o nb y u s i n gN t y p es i l i c o n s u b s t r a t e I ns u m m a r y , t h ef o l l o w i n ga s p e c t s ( 1 ) l i g h tm a n a g e m e n tt e c h n ol o g yt o r e d u c ep h o t o nd a m a g e ，( 2 ) p a s s i v a t i o nt or e d u c ec a r r i e rr e c o m b i n a t i o n ，( 3 ) r e d u c i n g t h er e s i s t a n c eo ft h ee l e c t r o d et or e d u c ee l e c t r i c a l1 0 s s e ss h o u l db ec o n s i d e d C o m b i n i n g ( 1 ) a n d ( 2 ) ，t h i st h e s i si st oa p p l yas i m p l ea n dl o wc o s ta n de a s i l y i n d u s t r i a l i z a t i o n p r o c e s sr o a d m a p ，t h e b a c ks u r f a c e p a s s i v a t i o na n dr e f l e c t i o n d i e l e c t r i cl a y e rt e c h n o l o g i e s ，t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e T h em a i nw o r ka n dr e s u l t s a r ea sf o l l o w s ： 1 T h eu n i f o r ma n dd e n s ea l u m i n u mo x i d e ( A 1 2 0 3 ) f i l m sw e r ep r e p a r e db yt h e r m a l a t o m i cl a y e rd e p o s i t i o n ( A L D ) o nt h ep n t y p es i l i c o na n dt h ep a s s i v a t i o np r o p e r t i e s w e r ei n v e s t i g a t e d T h et h e r m a lA L D - A 1 2 0 3f i l m sp r o v i d e ds o m ep a s s i v a t i o n p e r f o r m a n c e c o r r e s p o n d i n g t o m i n o r i t y c a r r i e rl i f e t i m eo f 1O OU Si nt h e a s - d e p o s i t e ds t a t ea n dg a i n e dm o r ei m p r o v e m e n tt ot h eo r d e ro fm i l l i s e c o n da f t e r a n n e a l i n ga tt h eo p t i m a lt e m p e r a t u r e s F o rt h eP ( n ) 一t y p es i l i c o n ，t h em a x m u m m i n o r i t yc a r r i e r l i f e t i m ew a s1 3m s ( 4m s ) ，c o r r e s p o n d i n gt oa ne f f e c t i v e r e c o m b i n a t i o nv e l o c i t yo f10c r n s ( 3c m s ) A B S l R A C T 2 T h es u r f a c ef i x e dn e g e t i v e c h a r g ed e n s i t i e s i n c r e a s e de x p o n e n t i a l l yw i t h i n c r e a s i n ga n n e a l i n gt e m p e r a t u r et ot h em a x m u mo f4 10 1 2c m 2 T h eo r i g i no f t h e s u r f a c ef i x e dc h a r g ew a si n v e s t i g a t e db yS I M S ，X P Sa n dT E Ma n dt h er e s u l ts h o w e d t h a t ，a f t e ra n n e a l i n g ，S ii nt h ei n t e r f a c i a lS i O xf o r m e db e t w e e nt h eA 1 2 0 3f i l ma n dS i s u b s t r a t ew a sl i k e l yt ob ei nat e t r a h e d r a lc o o r d i n a t i o nw i t ht h ei n c r e a s eo fO ， r e s u l t i n gi nt h et e t r a h e d r a l l yc o o r d i n a t e dA 1i nA 1 0 4 p r e s e n t i n ga tt h ei n t e r f a c e ， w h i c hi st h eo r i g i no fn e g a t i v ec h a r g e 3 T h ec o n t r i b u t i o n so ff i e l d e f f e c ta n dc h e m i c a lp a s s i v a t i o nt ot h e r m a lA L D A 1 2 0 3 f i l m sw e r eq u a n t i t a t i v e l yd e m o n s t r a t e db yc o m b i n i n ge x p e r i m e n t sa n ds i m u l a t i o n b a s e do nr e c o m b i n a t i o nm o d e l A sd e p o s t i e d ，t h es u r f a c eo ft h ef i x e dc h a r g ed e n s i t y o ft h eA 1 2 0 3f i l m sw a sl o wa n dt h es u r f a c ep a s s i v a t i o nw a sm a i n l ya t t r i b u t e dt o c h e m i c a lp a s s i v a t i o n W h i l ea f t e ra n n e a l i n ga tl o wt e m p e r a t u r e s ，t h es u r f a c ef i x e d n e g e t i v ec h a r g eg r e we x p o n e n t i a la n dt h ei m p r o v e m e n td o m i n a n t l yw a sa t t r i b u t e dt o t h ef i e l de f f e c tp a s s i v a t i o n H o w e v e r , a f t e ra n n e a l i n ga th i g ht e m p e r a t u r eo f4 50o C ， t h ed e f e c td e n s i t yi n c r e a s e ds e v e r l ya n dt h ep a s s i v a t i o np e r f o r m a n c ew a sp o o r c o n s e q u e n t l y , e v e ni ft h ef i x e dn e g e t i v ec h a r ew a sf u r t h e re n h a n c e d T h ec h e m i c a l p a s s i v a t i o nd o m i n a t e dt h ef i e l d e f f e c tp a s s i v a t i o n 4 L F C P E R Cs o l a rc e l lw a sp r e p a r e db ya p p l y i n gt h eA L D A 1 2 0 3f i l m sa st h e d i e l e c t r i cl a y e r I Vt e s ts h o w e dt h eo p e nc i r c u i tv o l t a g eo f6 0 6m V , s h o r t c i r c u i t c u r r e n to f 3 5 6 4m A c m 2 ，l a r g es e r i e sr e s i s t a n c eo f 0 0 1 9 0 3Q ，f i l lf a c t o ro f 6 8 1 7 ， a n de f f i c i e n c yo f14 7 4 T h eq u a n t u m e f f i c i e n c yc h a r a c t e r i z a t i o ns h o w e ds u r f a c e r e c o m b i n a t i o nv e l o c i t yS=37 0c m s ，a n dt h ei n f r a r e dr e f l e c t a n c eR = 9 5 A 1 2 0 3 S i N xs t a c ka tt h ef r o n ts i d er e d u c e dt h ew e i g h t e da v e r a g er e f l e c t a n c et o2 5 5 L A P E R Cs o l a rc e l lw a sp r e p a r e db ya p p l y i n gt h eA 1 2 0 3 S i N xs t a c k sa st h er e a r d i e l e c t r i cl a y e r I Vt e s ts h o w e dt h em a x m u mo p e nc i r c u i tv o l t a g eo f6 3 2m V , t h e m a x m u ms h o r t c i r c u i tc u r r e n to f3 7 9 7m A c m 2a n de f f i c i e n c yo f17 8 w h i c hw a s l i m i t e db yt h el a r g es e r i e sr e s i s t a n c e T h es u r f a c er e c o m b i n a t i o n v e l o c i t yS = 1 0 0c m s ，a n dt h ei n f r a r e dr e f l e c t a n c eR = 9 5 ，i nc o n t r a s tt oS = 5 0 0c m Sa n dR = 7 5 o fr e f e n e n c es o l a rc e l l K e yW o r d s ：a t o m i cl a y e rd e p o s i t i o n ，A 1 2 0 3 ，p h o t o v o l t a i cs o l a rc e l l ，s u r f a c e p a s s i v a t i o n ，f i e l d e f f e c tp a s s i v a t i o n ，s u r f a c ef i x e dc h a r g e l V 目录 目录 致谢i 摘 要i A B S T R A C T i i i 1 引言1 1 1 光伏电池和产业概述2 1 2 晶硅电池研发现状7 1 3 本论文的意义、目的和内容1 3 参考文献1 5 2 硅表面复合与钝化基本理论一2 1 2 1 复合机制2 1 2 2 各参数对有效复合速度的影响2 6 2 - 3 钝化技术及表征2 9 2 4 本章小结3 3 参考文献3 4 3A L D A 1 2 0 3 薄膜对硅的表面钝化性能3 7 3 1A 1 2 0 3 薄膜的制备和表征3 7 3 2A L D A 1 2 0 3 对p S i 的钝化4 4 3 3A L D A 1 2 0 3 对n - S i 的钝化4 6 3 4 本章小结4 9 参考文献5 0 4 钝化机理分析5 3 4 1 表面固定电荷5 3 4 2 表面固定电荷来源5 8 4 3 表面缺陷态密度变化6 0 4 4 气泡效应6 2 4 5 本章小结6 4 目录 参考文献6 5 5 基于A L D A 1 2 0 3 钝化的P E R C 型光伏电池6 7 5 1 引言6 7 5 2 传统光伏电池制备技术及改善6 9 5 3L F C P E R C 光伏电池7 2 5 4L A P E R C 光伏电池7 5 5 5 当前工艺问题7 8 5 6 本章小结8 1 参考文献8 2 6 总结和展望8 5 6 1 总结8 5 6 2 展望8 6 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果8 9 I I 第一章引言 1 引言 随着全球能源消费的不断膨胀，传统化石燃料的过度不合理不科学利用， 造成环境污染加剧、生态环境恶化、全球气候变暖等恶果，与此同时化石能源 也濒临枯竭。面对能源危机，许多国家和地区都在研发和利用可再生能源，如 核能、风能、太阳能、地热能、海洋能和生物质能等等。新能源从单纯的替代 能源定位逐渐上升至国家摆脱危机占据未来经济增长点的重要举措，各国发展 新能源产业的战略越来越明显。欧洲联合委员会研究中一D 预测( 如图1 所示) ， 到2 0 3 0 年可再生能源在总能源结构中的比例将占到3 0 以上，太阳能发电在全 球总电力供应中占比将达到1 0 以上，到2 1 世纪末，可再生能源在总能源结构 中将占到8 0 以上，太阳能发电在总电力供应中将达到6 0 以上，在能源结构 中起主导作用。 太阳能是一种干净的可再生新能源，主要有太阳能热发电和太阳能光发电 两种形式用于直接产生电力。作为最广泛应用的太阳能光发电的光伏发电具有 诸多优点，如太阳能没有桔竭危险：主流晶体硅电池所需求的硅资源丰富，没 有资源短缺危险；太阳能直接转换为电能，发电过程中无温室气体排放，因而 无环境污染等问题；在固定系统中没有机械移动部件，不存在机械磨损，没有 噪声污染：既单独建立电站也可与建筑结合并网发电，还可应用在汽车飞机上。 目前光伏发电成本还无法和传统能源竞争，比其他新能源如风能、核能也要高， 因此技术进步和各国的政策支撑是光伏产业快速发展的推动力。现在光伏发电 技术普遍得到各国政府的重视和支持，最早光伏发电的应用源于德国、日本的 太阳能屋顶计划。1 9 9 0 年德国提出“2 0 0 0 个光伏屋顶计划，每个家庭 屋顶安装3 5 k W p 光伏电池。1 9 9 7 年日本“新阳光计划 提出到2 0 1 0 年 生产4 3 亿瓦光伏电池。随后美国、西班牙、法国、比利时、意大利、希腊和 英国等均推出了光伏发电相关政策，促使光伏产业快速发展，使得年平均增长 速度超过4 0 。2 0 0 9 年，中国政府确立了新能源产业的战略新兴产业地位，出 台了如金太阳示范工程等一系列政策，修订了可再生能源法，制定了新兴能源 规划。到2 0 1 1 年年底，全国光伏总装机容量仅为3 6G W ，而2 0 1 2 年在光伏企 业寒冬的时候，太阳能发电发展十二五规划对装机容量目标做出了重大调整， 1 硅表面钝化技术& 其在晶硅电池中的应用 到2 0 1 5 年底装机容量达到4 0G W ，以促进国内光伏应用市场的快速发展。同 年1 2 月，国家电网发布了关于做好分布式光伏电网并网服务工作的意见，承 诺将提供分布式光伏发电入网服务，允许富余电力上网，井全额收购富余的电 量，解决了发电并网的问题。 光伏产业是战略性新兴能源产业，它的发展对调整能源结构、推进能源生 产和能源消费方式变革、促进生态文明建设低碳社会、推动经济结构调整具有 重要意义。 ：L l I l l I I I ? 一帅i 图l1 扯界能渊发展越势( E UJ R CP VR o a d m a p2 0 0 4 1 1 光伏电池和产业概述 1 1 1 光伏电池 尽管早在1 9 世纪3 0 年代末法国科学家贝克雷尔就发现光伏效应，但第 一块实用的晶体硅电池直到1 9 5 4 年才由美国科学家恰宾和皮尔松在贝尔实 验室制成，效率达5 。随后利用光伏效应制备了各种各样的电池。1 9 5 5 年砷化镓电池问世。几年后效率即达到1 3 ，现在多结砷化镓电池效率较高主 要用于空间为卫星提供电源。1 9 7 6 年p i n 结构非晶硅电池问世，效率约 24 1 1 ，目前非晶硅非晶硅锗微晶硅三结光伏电池的效率可达1 5 以上 【2 】，然而非晶硅电池有着同有的缺陷，光致衰减导致性能降低 3 - 4 】。 光伏电池可简单的分为晶体硅电池，薄膜电池，和新型电池。晶体硅电池 又分为多晶硅电池和单晶硅电池，二者制备_ r = 艺基本一致，但多晶硅电池成本 同叫111川刨 I ： 第一章引言 更低一些。薄膜电池主要有非晶硅系电池，铜铟镓硒( c m s ) 系薄膜电池，碲化 镉( C d T e ) 电池和砷化镓薄膜电池。其他还有聚光电池，有机电池，染料敏化电 池，量子点电池等新型电池。几十年来，各类光伏电池都得到了大力发展，光 电转换效率不断提升5 1 ，如图2 所示( 美国能源部可再生能源实验室绘制) 。晶 体硅电池实验室效率达2 5 ，产业化H I T 电池效率达2 3 ，C I G S 电池效率达 2 0 4 ，碲化镉电池最高效率达1 73 ，最高效的太阳能电池当属美国国家再生 能源实验室制备的三结砷化镓电池，在4 1 5 倍的聚光环境下的转换效率为 4 35 ，在9 4 7 倍聚光条件下效率己达“。已经实现产业化大规模生产和发 电应用的电池主要是晶体硅电池和薄膜电池。 _ L 、tR 洲0 虻 1 二- ：一，。FP s 5 0 4 8 “ 4 0 3 6 毫 a 2 日 S2 4 2 0 6 口 图2 过去三十年各类光伏电池的效率提升图 在过去的十几年问，在政策驱动和各地政府支持下，光伏产业发展极为迅 速，光伏电池安装量从2 0 0 1 年的2 3 3M w 发展到2 0 0 9 年的7 2G W 6 1 。电池 产量由2 0 0 0 年的不足3 0 0M W 剧增到2 0 0 9 年93 4G W 7 。表1 为2 0 0 5 - 2 0 0 9 年间的太阳电池产量按技术分布图，不难发现晶体硅电池一直占据光伏行业的 主导地位，占据了光伏电池8 0 以上的市场。2 0 0 2 2 0 0 4 年，薄膜电池仅占总 量的5 左右，且以硅基薄膜电池为主，近几年薄膜电池发展十分迅速，不仅硅 基薄膜电池产量提高C d T e 电池和C I G S 系电池也实现了产业化，到2 0 0 9 年 3 一 攀 硅表面钝化技术及其在晶硅电池中的用 薄膜电池总产量达到17G W ，占光伏电池总量的182 ，其中l1G W 为f i r s t s o l a r 生产的c d T e 电池。近五年产业化薄膜电池技术分布见图3 ，占据薄膜电池 主导地位的硅基薄膜电池已经逐渐被成本更低的C d T e 取代，市场份额下降到 3 0 。中国大陆晶体硅电池的产量在2 0 0 9 年己经占到全球晶体硅电池总量的 4 0 7 1 薄膜电池以非晶硅单结和非晶硅微晶硅双结电池为主，已经量产的企 业如河北新奥，天威，南通综艺，浙江正泰，天津津能，拓日新能，安徽普乐 等等。由于设备和技术的垄断，其他薄膜电池在中国还未形成量产。2 0 0 8 年2 月，山东孚日光伏科技有限公司宣布与德国的J o h a r m a 台作，独家引进了中国 首条C I G S S e 商业化生产线。 表1 ：世界光伏电池产量按技术分布 l o I I T l m lr m 单晶硅电池 06 209 213 928 233 7 多晶硅电池 09 4l1 l 16 5 31 4 42 7 薄膜电池 0 1 00 1804 008 9 17 0 总量 16 622 034 468 593 4 剐啪 2 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 8 2 0 0 9 图32 0 0 5 2 0 0 9 年产业化薄膜电池按技术分布 啡咄黜珊靴董j至j 第一章引言 1 1 2 光伏产业链 以晶硅电池为例，完整的光伏产业链由多晶硅材料制造、硅锭硅片生产、 太阳能电池制造，光伏组件封装以及光伏发电系统等多个产业环节组成。 1 多晶硅材料制造。制备太阳能电池的多晶硅材料的纯度需要达到6 N 以上。 制备硅材料的工艺路线有化学法，包括改良西门子法 8 、硅烷法、流化床法； 还有物理法，即冶金法 9 1 0 。改良西门子法技术最为成熟，最为广泛应用，此 方法制备多晶硅占世界多晶硅总量的7 0 8 0 ，但核- t 3 技术掌握在美德日和挪威 的七大厂家( 美国的H e m l o c k 、M E M C ，挪威的R E C 、德国的W a c k e r 、日本的 T o k u y a m a 、M i t s u b i s h iM a t e r i a l 和S u m i t o m oT i t a n i u m ) 手中。冶金法提纯纯度 较化学法低，用冶金法制备多晶硅材料制备的电池效率衰减也较大，但冶金法 成本比较低，投资相对较少，建设周期短。 2 硅锭硅片生产。直拉法( c z 法) 是采用旋转的籽晶从坩埚中提拉制备单晶的 技术，太阳能电池片多采用此技术【1 1 1 4 。区熔法( F Z 法) 可制备出品质更高的 单晶硅，一般在微电子领域应用。多晶硅一般采用成本更低硅料利用率更高的 硅锭铸造技术，直接将纯度较低的硅作为原料经过加热熔化成型冷却得到多晶 硅锭。然后采用多线切割技术将硅片切割成2 0 0u m 左右的硅片。 3 晶硅电池制造。晶硅电池是一个大面积半导体二极管，在光照下产生光伏效 应，从而把太阳光的能量转变为电能。制备工艺主要包含：清洗制绒一 磷扩散形 成P N 结一 刻蚀一 P E C V D 制备前表面减反射膜一 丝网印刷和烧结形成电极，最 后做效率测试和分检。将在第五章详细描述晶硅电池制备工艺。 4 光伏组件封装。晶硅电池易碎，且不能长期暴露在空气中，因为表面金属容 易受到腐蚀，表面堆积灰尘难以清除，效率会出现衰减，所以需要将晶硅电池 用钢化玻璃、E V A 及T P T 热压密封进行封装。把效率相近电流匹配的晶体硅电 池分别封装成为具有一定功率的组件，主要工艺流程包括焊接，电池串的排列， 层叠，层压，装边框接线盒，检验等等。由于玻璃透过率在可见光波段约9 0 ， 所以电池组件的效率一般比电池低2 ，由7 2 片电池片经过串并连接做成的常 规组件性能参数为V 。= 4 4 8 V ，I s c = 8 8 5 A ，P = 3 0 0 W ，E f t = 1 5 5 。 5 光伏应用。光伏电池可直接应用于电子产品，也可由光伏组件和控制器、逆 变器、蓄电池相连后可组成光伏发电系统，如图4 所示，既能直接应用于负载， 硅表面钝化挂术厦其在晶硅电池中的应用 也可以通过逆变器将产生的电能送到电刚。地面光伏系统应用多种多样，主要 可分为五类【1 5 ，如图5 所示：( 1 ) 离网用户系统，比如边远山区的家庭用电供 给：( 2 1 离网非用户系统，如太阳能充电器，太阳能路灯，光伏水泵，微波中继 电源、通讯电源等：( 3 ) 分布式并网系统，比如光伏屋顶，光伏建筑一体化等， 这是光伏发电最有前景的应用；( 4 ) 集中并网系统，主要指大型光伏电站：( 5 ) 混合系统，光伏发电和其他能源混合提供动力，如生物能一太阳能混合动力汽车， 光伏一风力发电系统。 匪 缨 图4 光伏系统示意图 M ， 锄 二 骨布式并阿系统 4 秉统i I 地面船靛 系；蒋随应用 仓仓 怠等 图5 地面光伏系统的应用类型 么紫 第一章引言 1 2 晶硅电池研发现状 1 2 1 丝网印刷电池 当前主流的晶体硅电池一般采用简单的丝网F p , 绉J 技术制备前电极、背电场 和背电极，电池结构如图6 所示，即丝网印刷电池1 6 1 7 1 。制备方法工艺简单， 成本低，但效率相对较低，单晶硅电池一般1 6 1 8 ，多晶硅1 5 1 7 ，距结构 相似的P E R L ( P a s s i v a t e d E m i t t e r R e a r L o c a l l y D i f f u s e dS o l a r C e l l s ) 型晶体硅电池 实验室最高效率2 5 B 8 有较大差距。我们来分析丝网印刷电池的效率损失： 图6 传统丝网D , 目I J 电池结构图 i ) 前表面n + 发射极和背表面铝背场掺杂浓度高使得俄歇复合严重，导致高的表 面复合速率降低了开路电压： i i l 高掺杂发射极复合和自由载流子吸收导致短波长光响应较差； i i i ) 8 正面A g 接触电极覆盖和单层抗反射涂层导致光学损失较大； i v l 全表面A 1 电极的背表面只有6 5 一7 5 的内反射率因而红外光响应较差； v ) 背表面未采用表面介质层钝化，表面复合严重： v 订电极烧结工艺过程中由于某些因素的影响可能导致较大的漏电流或接触电 阻过大。 1 2 2 改善技术 为了解决上述这些问题获得更高的电池效率，进一步降低成本，新的电池结 构新技术新工艺的研发是必不可少的。表2 列出了一些研发方向【1 9 ；( 1 ) 光管 ， 硅表面钝化技术及其在晶硅电池中的应用 理技术减少光子损失：( 2 ) 钝化技术减少载流子复合：( 3 ) 减少串联电阻以减少电 学损失。 表2 晶体硅电池改善方向和所用技术 1 9 ： 技术方案光管理钝化技术电学损失最小化 单晶硅电池1 前表面随机金字1 前电极钝化减少电极接 1 _ 更细栅线减少n + 塔或倒金字塔制 触处的载流子复合区域的并联电阻； 绒，小绒面技术2 前表面介质层处浅掺杂2 S E 技术减少前电 减少表面反射减少n + 掺杂区和表面的极接触电阻； 2 双层抗反射涂层载流子复合；非晶硅层形3 采用少子扩散长 减少表面反射成异质结；背结电池采用度大于衬底厚度 3 背电极接触减少前表面