太阳电池材料制备工艺及检测培训课程

1、2022-3-8太阳电池：太阳电池：材料、制备工艺及检测材料、制备工艺及检测太阳电池：太阳电池：材料、制备工艺及检测材料、制备工艺及检测太阳电池：太阳电池：材料、制备工艺及检测材料、制备工艺及检测太阳电池：太阳电池：材料、制备工艺及检测材料、制备工艺及检测主讲：肖全松主讲：肖全松6.4.2 6.4.2 硅沉积技术硅沉积技术高温硅沉积法；高温硅沉积法；1. 低温沉积法；低温沉积法； 上节课知识点上节课知识点一、一、 高温硅沉积法高温硅沉积法概述：概述：高温高温(1000)的硅沉积法是获得硅的高沉的硅沉积法是获得硅的高沉积速率积速率(1-20m/min)的重要方法。的重要方法。2. 高温沉积技术包

2、括：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元素硅熔融后在衬底上沉积薄膜或硅层的的熔体生长熔体生长和熔体被覆技术；和熔体被覆技术；含硅气态前体在衬底上热分解的含硅气态前体在衬底上热分解的化学气化学气相沉积相沉积（CVD）；）；从熔体的金属液沉积硅的从熔体的金属液沉积硅的液相外延液相外延（LPE）。）。 化学气相沉积化学气相沉积1. 定义：定义：化学气相沉积化学气相沉积(CVD)是通过包含所需成分的气相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，化合物或前体反应在衬底上形成固态膜。例如，通过硅炕通过硅炕(SiH4)或三氯氢硅或三氯氢硅(SiHCi3)气体的热分气

3、体的热分解使衬底为硅层被覆。解使衬底为硅层被覆。2. 厚度：厚度： 1050m厚的硅层。厚的硅层。3. 常用方法和技术常用方法和技术1)常压化学气相沉积常压化学气相沉积(APCVD)；2)快速热化学气相沉积快速热化学气相沉积(RTCVD)；3)低压化学气相沉积低压化学气相沉积(LPCVD)。 化学气相沉积化学气相沉积5. PECVD过程过程1）定义）定义PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）的概念及其原理：利用的概念及其原理：利用强电强电场或场或磁场使所需的气体源分子电离产生磁场使所需的气体源分子电离产生等离子体等离子体，等等离子体离子

4、体中含有很多活性很高的化学中含有很多活性很高的化学基团基团这些这些基团基团经过经一系列化学和经过经一系列化学和等离子体等离子体反应，在样品表面反应，在样品表面形成固态薄膜。形成固态薄膜。 低温化学气相沉积低温化学气相沉积LPELPE液相外延【liquid phase epitaxy】 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。本节课内容介绍本节课内容介绍内容：第八章中的内容：第八章中的8.1-8.78.1-8.7节，即引节，

5、即引言、高效实验室电池、丝网印刷的局言、高效实验室电池、丝网印刷的局限、埋栅电池、限、埋栅电池、HITHIT电池、基于氮化电池、基于氮化物的方法和总结。物的方法和总结。重点：重点：硅薄膜硅薄膜太阳电池的太阳电池的生长技术生长技术难点：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：教学目标：掌握硅薄膜太阳电池的生长技术；8.1 8.1 引言引言1. 目前的主流工艺目前的主流工艺 到到2003年，在售的绝大多数太阳电池都是采年，在售的绝大多数太阳电池都是采用单晶或多晶用单晶或多晶(mc)硅片与简单的丝印金属接触相硅片与简单的丝印金属接触相结合的方法。结合的方法。 其优点是技术成熟

6、，丝网印刷机、烘干和烧其优点是技术成熟，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结丝印金属圆形的熔炉，都在传统的厚膜技术中成功应用。成功应用。2. 丝印的局限性丝印的局限性 效率低效率低8.2 8.2 高效实验室电池高效实验室电池8.2.1 硅空间电池的发展硅空间电池的发展大致可分为三大致可分为三个区域，即：个区域，即：五十年代；五十年代；九十年代九十年代8.2.1 8.2.1 硅空间电池的发展硅空间电池的发展1. 为何引入空间电池的概念为何引入空间电池的概念1）1958年年 太阳电池首次在空间应用，装备美太阳电池首次在空间应用，装备美国先锋国先锋1号卫星电源。号卫星电源

7、。2）早期电池都是采用单晶硅，价格极其昂）早期电池都是采用单晶硅，价格极其昂贵。贵。 8.2.1 8.2.1 硅空间电池的发展硅空间电池的发展2. 重要的技术进展重要的技术进展1）1954年第一块现代意年第一块现代意义上的单晶硅太阳电池问义上的单晶硅太阳电池问世了，它的发明者是贝尔世了，它的发明者是贝尔实验室的实验室的Pearson、Fuller和和Chapin。称之为。称之为包绕型结。包绕型结。优点：顶层没有电极遮挡；优点：顶层没有电极遮挡；电极容易连接。电极容易连接。缺点：电阻较高。缺点：电阻较高。其效率仅为其效率仅为4.5%2. 2. 重要的技术进展重要的技术进展2） 随后的十几年里发展

8、缓慢。随后的十几年里发展缓慢。关键特征包括利用关键特征包括利用10cm的的P型衬底使抗辐射型衬底使抗辐射性能最强，使用名义上的性能最强，使用名义上的4O/、0.5m深的深的磷扩散等。在空间辐射条件下能量转换效率为磷扩散等。在空间辐射条件下能量转换效率为10% 11%3）铝背场的出现铝背场的出现20世纪世纪60年代末，背铝处理的优点日益明显，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效率相应地提高到12.4%。2. 2. 重要的技术进展重要的技术进展4） 紫电池的出现紫电池的出现u利用光刻勾画几何形状来画出

9、实际上细得多的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。金属栅线图形。u使用改善了的使用改善了的Ti02和和Ta2O5基减反射涂层，它基减反射涂层，它们的吸收比们的吸收比SiO小。小。产生了可以吸收产生了可以吸收0.5m波长以下光的电池，即紫波长以下光的电池，即紫电池。在空间辐射条件下能量转换效率为电池。在空间辐射条件下能量转换效率为13.5%2. 2. 重要的重要的技术进展技术进展5） 黑电池的出现黑电池的出现u织构化的应用。织构化的应用。在空间辐射条件在空间辐射条件下能量转换效率下能量转换效率为为15.5%8.2.2 8.2.2 高效地面电池高效地面电池1. 1. 表面钝化和表

10、面钝化和MINPMINP电池电池u 表面钝化，对裸露于太阳光照下的单晶硅太阳电池表面钝化，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；的表面，其重要性不言而喻；u 以热氧化对电池表面进行钝化时，氧化层必须很薄；以热氧化对电池表面进行钝化时，氧化层必须很薄；u 高效硅太阳电池采用热氧化生长的氧化硅作为表面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钝化层，取得了开路电压和短波响应方面增益的最大化。大化。 20世纪世纪70年代第一个达到年代第一个达到18%效率的硅电池效率的硅电池是是MINP电池电池8.2.2 8.2.2 高效地面电池高效

11、地面电池1. 1. 表面钝化和表面钝化和MINPMINP电池电池8.2.2 8.2.2 高效地面电池高效地面电池2. 2. 钝化发射区钝化发射区太阳电池太阳电池-PESC-PESC电池电池l“顶部顶部”是直接接受太阳光照的表面是直接接受太阳光照的表面；l顶部上电极区的钝化是通过电极下面减薄氧化物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薄层实现的lPESC的电池结构（的电池结构（passived emitter solar cell,钝化发射极电池）的电池结构，又将电池的效率提钝化发射极电池）的电池结构，又将电池的效率提高了一步；高了一步；l1985年，将表面的制绒和年，将表面的制绒

12、和PESC方法结合，使硅方法结合，使硅太阳电池转换效率首次在非聚光状态下达到了太阳电池转换效率首次在非聚光状态下达到了20%。8.2.2 8.2.2 高效地面电池高效地面电池2. 2. 钝化发射区钝化发射区太阳电池太阳电池-PESC-PESC电池电池8.2.2 8.2.2 高效地面电池高效地面电池3. 3. 双面钝化双面钝化太阳电池太阳电池-PERL-PERL电池电池使电池性能取得重要突破的是使电池性能取得重要突破的是上下表面及电极区域上下表面及电极区域钝化钝化的电池；的电池；如图所示的如图所示的PERL电池，结合了早先的电池，结合了早先的PESC结构、结构、双面钝化以及在电池制造过程中采用了

13、氯化物，以双面钝化以及在电池制造过程中采用了氯化物，以进一步进一步提高了衬底材料的少子寿命和表面钝化效果提高了衬底材料的少子寿命和表面钝化效果；20世纪世纪80年代末，该电池的效率达到了年代末，该电池的效率达到了23%，是，是对仅仅对仅仅7年前年前17%的最高值的一个巨大改善。的最高值的一个巨大改善。8.2.2 8.2.2 高效地面电池高效地面电池3. 3. 双面双面钝化钝化太阳太阳电池电池-PERLPERL电池电池8.3 8.3 丝网印刷电池的局限丝网印刷电池的局限8.3.1 8.3.1 结构结构1.1.电池电池结构结构8.3.1 8.3.1 结构结构2.2.电池工艺：电池工艺：腐蚀除去起始

14、晶片的切割损伤，上表面的化学腐蚀除去起始晶片的切割损伤，上表面的化学织构化织构化( (若起始材料是若起始材料是晶片晶片) )，上表面扩，上表面扩散到约散到约4O/4O/，通常将电池叠成一摞而在等，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，电池测试和分印，后金属接触的烘干和烧结，电池测试和分类类。8.3.1 8.3.1 结构结构3.3.缺点：缺点：丝

15、网印刷方法最大的缺点就在于印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问题以及最后生产出的电池片效率相对较低相对较低. .根本原因在丝网印刷所得根本原因在丝网印刷所得到的栅线宽度受到限制到的栅线宽度受到限制, ,另一个重要另一个重要原因是顶电极和硅接触的电阻较高原因是顶电极和硅接触的电阻较高. .8.3.2 8.3.2 典型性能典型性能丝网印刷方法得到的电池开路电压取决丝网印刷方法得到的电池开路电压取决于衬底电阻率，其典型值为于衬底电阻率，其典型值为580620mV，短路电流密度为短路电流密度为2832mA/cm2，

16、大面积，大面积电池的填充因子为电池的填充因子为70%75%。丝印金。丝印金属化一般遮挡大面积电池的上表面的属化一般遮挡大面积电池的上表面的10%15%，如图，如图8-7所示，一般由所示，一般由150200m宽、间隔宽、间隔23mm的金属栅的金属栅线组成。线组成。8.3.2 8.3.2 典型性能典型性能8.3.3 8.3.3 改进的技术改进的技术l由等离子体化学气相沉淀技术由等离子体化学气相沉淀技术( (PECVDPECVD) )制作制作的的氮化硅薄膜氮化硅薄膜作为电池的正表面的减反膜作为电池的正表面的减反膜, ,即降即降低了电池的表面反射低了电池的表面反射; ;同时也有效钝化了电池的同时也有效

17、钝化了电池的表面表面, ,降低了电池表面的复合。降低了电池表面的复合。l 改进银浆配方改进银浆配方, ,使得电池表面发射结的薄层电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阻提高的情况下也能实现较好的欧姆接触. .l 共烧技术共烧技术, ,电池的正表面在丝网印刷银浆栅线电池的正表面在丝网印刷银浆栅线后后, ,随着在电池的背面印刷上铝浆和银铝浆随着在电池的背面印刷上铝浆和银铝浆, ,在浆在浆料烘干后料烘干后, ,进入烧结炉进入烧结炉, ,进行前后电极的共烧过程。进行前后电极的共烧过程。8.4 8.4 埋栅电池埋栅电池8.4.1 8.4.1 结构结构图图8-108-10所示的埋

18、栅太阳电池被开发出来，以克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的金属化。虽然最初研究了利用丝印的金属化步骤步骤( (在印刷操作中将金属压入槽中在印刷操作中将金属压入槽中) )，最成功，最成功的设计利用了化学镀金属栅线。的设计利用了化学镀金属栅线。8.4.1 8.4.1 结构结构8.4.2 8.4.2 性能分析性能分析2. 2. 工艺工艺去除切割损伤和织构化后，表面轻扩散和生长氧化去除切割损伤和织构化

19、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，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。是工艺相对简化的关键。注意不需要像丝印方法那注意不需要像丝印方法那样去除扩散氧化物。样去除扩散氧化物。然后用激光划线机、机械切割然后用激光划线机、机械切割锯，或用其他机械或化学方法在电池上表面开槽。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用蒸发、溅射、丝网印刷或等离子沉积在背表面沉积铝。积铝。在烧结铝和腐蚀掉氧化物后，化

20、学镀镍、铜和银层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。完成电池金属化。工艺中一个改进的工序利用工艺中一个改进的工序利用Si Si3 3N N4 4代替氧化物。代替氧化物。8.4.2 8.4.2 性能分析性能分析8.4.2 8.4.2 性能分析性能分析1. 1. 性能比较性能比较在这种情况下报告了近在这种情况下报告了近30%30%的性能优势，虽然之后的性能优势，虽然之后丝印电池的改进后这种差距有所减小。同时，丝印电池的改进后这种差距有所减小。同时，BPSolarBPSolar报告了单位面积的工艺成本事实上是一样的，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与丝印电池单位面积的工艺成本相差在4%4%以内。因以内。因此，这提供了每峰瓦低得多的成本和较高的单位面此，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。构对此达成了基本一致的