太阳电池工作原理及制造

太阳电池工作原理及制造第1页/共65页气候变暖、南极空洞、生态失衡、环境恶化……过度排放的废水、废气、废渣让我们的地球不堪重负。全球变暖是一个毋庸置疑的事实，而且正在加速变暖。研究发现，全球平均温度已升高0.3～0.6摄氏度，其中11个最暖的年份发生在80年代中期以后。全球变暖已经带来冰川消退、海平面上升、荒漠化等等非常严重的后果，还给生态和农业带来严重影响。漫画：明天我们去哪里？

第2页/共65页产品介绍第3页/共65页太阳电池结构正电极铝背场负电极主栅线负电极子栅线第4页/共65页航天技术第5页/共65页远距离工业应用第6页/共65页边远地区居民第7页/共65页太阳能电池并网发电系统第8页/共65页目录引言太阳能辐射太阳电池的设计和制造太阳电池结构和工作过程太阳电池的电性能第9页/共65页一、引言太阳电池——将太阳光能直接转换为电能的半导体器件●种类●硅太阳电池1)

Si太阳电池1)单晶硅片2)

GaAs太阳电池(砷化镓）2)多晶硅片3)

染料敏化电池3)非晶硅薄膜4)

Cu2S电池4)多晶硅薄膜第10页/共65页二、太阳能辐射1、太阳辐射能的来源—电磁辐射第11页/共65页

大气层对太阳辐射的影响

大气质量—太阳光线通过大气层的路程对到达地球表面的太阳辐射的影响

AM0—地球大气层外的太阳辐射

AM1—穿过1个大气层的太阳辐射（太阳入射角为0）

AM1.5—太阳入射角为48°的太阳辐射

第12页/共65页太阳辐射穿过大气层的情况AM0AM1.5第13页/共65页

Junction第14页/共65页

太阳电池的工作过程

—光生伏特效应Scell-吸收光子，产生电子空穴对-电子空穴对被内建电场分离，在PN结两端产生电势-将PN结用导线连接，形成电流-在太阳电池两端连接负载，实现了将光能向电能的转换第15页/共65页太阳电池等效电路图第16页/共65页串联电阻（Rs）●硅材料体电阻

●金属电极电阻●金属与硅的接触电阻第17页/共65页并联电阻（Rsh）边缘漏电体内杂质和微观缺陷PN结局部短路

第18页/共65页温度对太阳电池的影响电流温度系数：0.1%电压温度系数：-0.4%（-2.3mV/℃)曲线1—25℃曲线2—35℃12第19页/共65页光强对太阳电池的影响

12曲线1—1个太阳曲线2—0.5个太阳第20页/共65页太阳电池电性能参数Isc,Uoc,Eff,FF,Rs,Rsh,Isc：电池面积、光强、温度Voc:光强、温度FF：串联电阻、并联电阻第21页/共65页电性能测试

光强：1000W/m2光谱分布：AM1.5电池温度：25℃第22页/共65页太阳电池的设计光生载流子的收集几率结深电极设计（使电阻损耗最小）减反射膜的厚度和折射率第23页/共65页太阳电池的光谱响应ABSDEPTH

—被收集的载流子数与入射光子数之比第24页/共65页太阳电池性能和质量分析●短路电流—减反射膜、基区扩散长度、结的质量、损伤层●开路电压—边缘腐蚀不够、PN结不良●填充因子—方块电阻、欧姆接触第25页/共65页硅片的制造过程Scrnprt

第26页/共65页硅片尺寸103×103(Ｓ)单晶125×125(Ｓ)单晶125×125(Ｍ)多晶150×150(Ｍ)多晶156×156(Ｓ)单晶156×156(Ｍ)多晶在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列，称之为单晶。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。第27页/共65页电池片生产流程装片－制绒－化学清洗－扩散－刻蚀－去磷硅玻璃－PECVD－丝网印刷－烧结－分类检测－包装第28页/共65页单晶电池片生产过程制绒清洗甩干扩散刻蚀和去磷硅玻璃PECVD丝网印刷背电极丝网印刷背电场丝网印刷正面电极分类检测包装原始硅片第29页/共65页多晶电池片生产过程原始硅片制绒清洗和甩干扩散刻蚀和去磷硅玻璃PECVD丝网印刷背电极丝网印刷正电极分类检测包装丝网印刷背电场第30页/共65页清洗间制绒甩干观察绒面检验硅片尺寸测厚度称重清洗装片第31页/共65页装片1、检验职责：懂得各确认硅片包装是否破损、确认在制品数量、确认硅片内包装是否破损

及包装盒数、确认包装标签信息与配料单信息是否一致、硅片外观检测。

２、装片要点：带一次性手套、承载盒下面垫海绵条、将硅片捻成扇形插片、区分不良品、

放置不良品、纪录表单

能发现生产过程中的各种问题，并及时向上级汇报，争取在第一时间内解决问题。与组员团结协作，空闲时帮助其他组员完成工作，共创有意义的工作环境。第32页/共65页制绒岗位须知与步骤制绒须知：了解清洗间使用的各种原辅料的特性（包括：硅片、HF酸、HCL酸、铬酸、酒精、硅酸钠），做到能正确辨别、正确使用。懂得各种溶液的配备及生产过程中的正确防护。保证送入扩散间的硅片与相应的流程卡一一对应，而且数据准确。懂得各《操作记录》及《工序流程卡》的正确填写，确保生产过程中的统计准确。制绒步骤：佩带防护眼镜、口罩、手套－花篮准备－将硅片防入花篮－机器上料－开始制绒－制绒２０分钟－开启制绒槽盖－抽检一片－目视制绒效果（有无白斑）－将硅片放入槽中关闭槽盖－放入水槽－抽检一片－氮气枪吹干－电子显微镜观察绒面－将硅片放入水槽－开启制绒槽－化学品加液－关闭制绒槽盖－制绒完毕－填写表单单晶制绒：用碱腐蚀多晶制绒：用酸腐蚀制绒作用：减少反射，增强对太阳光的吸收。第33页/共65页单晶制绒的原理：硅的各向异性腐蚀，在不同的晶向上的腐蚀速度不一致，在100面上的腐蚀速率与111面上的腐蚀速率R111的比值R100：R111在一定的弱碱溶液中可以达到500

反应方程式：2NaOH+Si+H2O=Na2SiO3+2H2↑第34页/共65页太阳电池制造过程-化学清洗HCL去除硅片表面的金属离子HF去除硅片表面的氧化物P型半导体硅第35页/共65页单晶的各种形貌单晶原始形貌（500倍）单晶绒面（500倍）单晶绒面（SEM）多晶绒面（SEM）第36页/共65页扩散间取片拿石英舟上桨装片进炉设置参数测片取片流入下道工序传递箱第37页/共65页

太阳电池制造过程-扩散在P型半导体表面掺杂五价磷元素在硅片表面形成PN结外层：磷硅玻璃中间：N型半导体硅P型半导体硅P型硅N型硅磷硅玻璃(PSG)第38页/共65页PN结——太阳电池的心脏扩散的目的：形成PN结第39页/共65页扩散装置示意图第40页/共65页四探针测量方块电阻电位差计单晶硅1234扩散原理化学方程式:懂得石英管、SIC桨及其它石英器件的拆卸、清洗和安装。懂得石英管清洗机的使用及相应清洗液的配备。懂得在手动及自动状态下对扩散舟及扩散管进行TCA和饱和。懂得装片、卸片的正确方法，并确保扩散舟及钝化舟的正确使用。懂得四探针测试仪的正确使用及方块电阻的正确测量。懂得生产过程中方块电阻的正确控制，确保方块电阻处于要求范围。

扩散操作重点扩散原理及检测第41页/共65页刻蚀间夹片取片去PSG刻蚀上料整理插片取片甩干检测运行第42页/共65页太阳电池制造过程-等离子体刻蚀刻蚀目的：去除边缘PN结，防止上下短路等离子体刻蚀原理：等离子体刻蚀是采用高频辉光放电反应，使反应气体激活成活性粒子，如原子或游离基，这些活性粒子扩散到需刻蚀的部位，在那里与被刻蚀材料进行反应，形成挥发性反应物而被去除。这种腐蚀方法也叫做干法腐蚀。刻蚀方法：１：干法刻蚀２：湿法刻蚀P型半导体硅P型硅N型硅磷硅玻璃(PSG)第43页/共65页等离子体刻蚀检验检验操作及判断：确认万用表工作正常，量程置于200mV。冷探针连接电压表的正电极，热探针与电压表的负极相连。如果经过检验，任何一个边沿没有刻蚀合格，则这一批硅片需要重新装片，进行刻蚀。检验方法：冷热探针法刻蚀机原理化学方程式去PSG原理化学方程式O2是作用：加快CF4与硅片边缘PN结的反应速率第44页/共65页等离子体刻蚀反应第45页/共65页太阳电池制造过程-去磷硅玻璃用HF酸把表面的磷硅玻璃去除P型半导体硅P型硅N型硅磷硅玻璃第46页/共65页什么是磷硅玻璃？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。氢氟酸是无色透明的液体，具有较弱的酸性、易挥发性和很强的腐蚀性。但氢氟酸具有一个很重要的特性是它能够溶解二氧化硅，因此不能装在玻璃瓶中。在半导体生产的清洗和腐蚀工艺中，主要就利用氢氟酸的这一特性来除去硅片表面的二氧化硅层。第47页/共65页PECVD插片放入洁净柜检查推入上料区取料卸片运行程序送入下道工序填写表单第48页/共65页太阳电池制造过程-PECVD在硅片表面镀上一层深蓝色的氮化硅膜可以充分吸收太阳光，降低反射在硅片表面有氢钝化的作用氮化硅膜P型半导体硅P型硅N型硅第49页/共65页PECVD沉积SiN利用硅烷（SiH4）与氨气（NH3）在等离子体中反应。SiH4+NH3SiNH+3H22SiH4+N22SiNH+3H2太阳电池制造过程-PECVD第50页/共65页PECVD：PlasmaEnhanceChemicalVapourDeposition

等离子增强化学气相沉积

在太阳电池表面沉积深蓝色减反膜-SiN膜。其还具有卓越的抗氧化和绝缘性能，同时具有良好的阻挡钠离子、掩蔽金属和水蒸汽扩散的能力；它的化学稳定性也很好，除氢氟酸和热磷酸能缓慢腐蚀外，其它酸与它基本不起作用。除SiN膜外，TiO2，SiO2也可作为减反膜第51页/共65页丝网印刷上料检查承载盒上料PECVD镀膜后的硅片网版印刷背电极印刷背电场印刷正面栅线印刷第52页/共65页太阳电池制造过程-丝网印刷丝网印刷的原理

通过刮条挤压丝网弹性变形后将浆料漏印在需印刷的材料上的一种方式,这是目前普遍采用的一种电池工艺.丝网印刷的流程

上料—丝印第一道—烘箱1—丝印第二道—烘箱2—丝印第三道—烧结炉烘箱的作用

先烘干硅片上的浆料，去处浆料中的有机成分。烧结炉的结构

烘干区—烧结区—回温区（冷却区）烧结炉的作用

先烘干硅片上的浆料，去处浆料中的有机成分，通过高温使硅金属与浆料形成欧姆接触.

所谓欧姆接触:半导体材料与金属接触时没有形成整流接触,欧姆接触具有线形和对称的V—I特性，且接触时的电阻远小于材料电阻的一种接触，因此当电流通过时，良好的欧姆接触不会产生显著的压降和功耗。第53页/共65页丝网印刷原材料的特性

硅片的厂家、型号、批次、厚度、尺寸、少子寿命、对角线丝网印刷的辅助材料

刮条、浆料、胶带、封网浆、酒精、松油醇丝网印刷表单的填写

工序流程卡、电池生产记录、首检记录、浆料领用/使用记录、刮条更换记录、网板更换记录、网板使用寿命跟踪记录、台面称重记录、碎片称重记录、设备维护申请单…第54页/共65页太阳电池制造过程-背电极印刷在太阳电池背面丝网印刷印上引出电极使用的浆料是银浆作用：易于焊接背电极第55页/共65页太阳电池制造过程-背电场印刷通过烧结穿透背面PN结，和P型硅形成良好的欧姆接触。使用的浆料是铝浆作用：收集载流子背电场第56页/共65页太阳电池制造过程-正面电极印刷正面电极有主栅线和副栅线组成在太阳电池正面丝网印刷银浆，形成负电极作用：收集电流主栅线副栅线副栅线主栅线第57页/共65页丝网印刷丝网印刷中的注意事项:

1保持印刷平台的清洁,随时清除台面上的任何碎片和异物,防止产生碎片或损坏网版。2及时清理行走臂和烘箱里的碎片,防止堵塞电机或产生新的碎片。

3印刷台上的贴纸要平整、干净，否则易引起碎片或报警。

4根据具体情况,及时调整印刷参数.(参数调整原则另述)。

5出现报警时应首先查看报警信息显示,然后采取相应措施。

6机器自动运行时不要打开或调用需手动状态下运行的软件功能（如摄像校正，输入输出显示控制等），否则会造成死机。安全防护事项：

1严禁随意拆除机器上防护用的护盖或门锁。2严禁两人同时操作机器，尤其在设备异常时。3严禁将物件放在机器运动部件（如印刷平台、行走臂、烘箱托盘等）上。

3严禁在机器运行时从运动的部件上取放电池片或做其它操作，需要时必须停机操作，长时间停机清理碎片或维护时应将旋钮选择在Manual(手动)模式。4机器运行时如有异常现象，应立即停机，并通知设备维护。

第58页/共65页分类检测吸片包装入库贴标识分类测试台检测数据打印标签QC检验上料检查第59页/共65页分类检测1．测试系统构成本系统由闪光灯、太阳能脉冲仿真器、可编程负载模拟装置、温度检测装置、光强测量电池、测试架和分检系统。示意图如下（不包括分检系统）。第60页/共65页2．工作原理：本系统通过模拟AM（AirMass）1.51000W/m2太阳光脉冲照射PV电池表面产生光电流，光电流流过可编程模拟负载，在负载两端产生电压，负载装置将采样到的电流、电压传送给SCLoad计算,得到IV曲线及其它指标，并根据实际光强和温度对它们进行修正。SCLoad根据测试结果，按照给定