多晶硅薄膜太阳电池的制备

多晶硅薄膜太阳电池的制备-1-目录TOC\o"1-5"\h\z摘要 1\o"CurrentDocument"1引言 1\o"CurrentDocument"2多晶硅薄膜太阳电池 22.1电池工作原理 2\o"CurrentDocument"2.2电池结构特点 3\o"CurrentDocument"2.3电池构成 43多晶硅薄膜太阳电池制备方-2-法 43.1半导体液相外延生长法（LPE法） 5\o"CurrentDocument"3.2区熔再结晶法（ZMR法） 5\o"CurrentDocument"3.3等离子喷涂法（PSM） 6\o"CurrentDocument"3.4层叠法 6\o"CurrentDocument"3.5化学气相沉积法（CVD） 7\o"CurrentDocument"3.6固相结晶法（SPC） 74多晶硅薄膜太阳电池的测试 84.1太阳能电池片组件测试仪硬件结构 8\o"CurrentDocument"4.2功能特点 8\o"CurrentDocument"4.3主要测试指标 9\o"CurrentDocument"5结束语 96致谢 10参考文献 11多晶硅薄膜太阳电池的制备摘要：近年来，随着可持续发展，环境保护等观念的深入人心，以及常规化石能源的日渐枯竭，太阳电池研究的主要任务转到了如何成为替代能源的方向上来。但是，基于硅片的太阳电池成本下降的空间有限，很难与常规能源相竞争。硅片成本占到太阳电池原料与能耗成本的95%以上，因此，降低太阳电池成本的主要途径之一是制造薄膜电池。本文着重研究用于太阳电池的多晶硅薄膜的制备技术以及对太阳电池的测试。太阳能电池的性能，理应在特定的太阳光条件下3进行测量。但是，由于季节的变化、地3区的差别和气候条件等各种因素的影响，使测量结果难以精确和稳定。在实验室内，常用经标准阳光定标的标准片和模拟太阳光谱的光源进行测试。关键词：太阳电池原料;薄膜电池;模拟太阳光谱;光源进行测试1引言鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发和利用新能源的热潮。在新能源中，特别引人瞩目的是不断地倾注于地球的永久性能源一一太阳能。太阳能是一种干净、清洁、无污染、取之不尽用之不竭的自然能源，将太阳能转换为电能是大规模利用太阳能的重要技术基础，世界各国都很重视。195年美国贝尔实验室研制成功第一个实用的硅太阳能电池，并于其后不久正式用于人造卫星。20世纪70年代开始，发展了许多制作薄膜太阳能电池的新材料,CuInSe、CdTe薄膜和有机膜等;近20年来大量的研究人员在该领域中的工作取得了可喜的成绩。薄膜太阳能电池以其低成本、高转换效率、适合规模生产等优点，引起生产厂家的兴趣，薄膜太阳能电池的产量迅速增长。也正是为了进一步降低晶体硅太阳能电池的成本，近几年来，各国光伏学者发展了晶体硅薄膜电池。多晶硅薄膜电池既具有晶体硅电池的高效、稳定、无毒和资源丰富的优势，又具有薄膜电池工艺简单、材料节省、成本大幅度降低的优点，因此多晶硅薄膜电池的研究开发已成为近几年的热点。2多晶硅薄膜太阳电池2.1电池工作原理光生伏打效应是指物体由于吸收光子而产生电动势的现象，是当物体受光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。严格来讲，包括两种类型：一类是发生在均匀半导-4-体材料内部；一类是发生在半导体的界面。虽然它们之间有一定相似的地方，但产生这两个效应的具体机制是不相同的。通常称前一类为丹倍效应［1］，而把光生伏打效应的涵义只局限于后一类情形。当两种不同材料所形成的结受到光辐照时，结上产生电动势。它的过程先是材料吸收光子的能量，产生数量相等的正、负电荷，随后这些电荷分别迁移到结的两侧，形成偶电层。光生伏打效应虽然不是瞬时产生的，但其响应时间是相当短的。1839年，法国物理学家A.E.贝克勒尔意外地发现，用两片金属浸入溶液构成的伏打电池，受到阳光照射时会产生额外的伏打电势，他把这种现象称为光生伏打效应。1883年，有人在半导体硒和金属接触处发现了固体光伏效应。后来就把能够产生光生伏打效应的器件称为光伏器件。当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会产生光生伏打效应。光生伏打效应使得PN结两边出现电压，叫做光生电压。使PN结短路，就会产生电流一一光生伏打效应原理。半导体界面包括有：由于掺杂质不同而形成的P型区和N型区的界面，即PN结；金属和半导体接触的界面；不同半导体材料制成的异质结界面以及由金属一绝缘体一半导体组成的MIS系统的界面。在这些界面处都存在有一个空间电荷区，其中有很强的电场,称为自建电场。光照产生的电子一空穴对，在自建电场作用下的运动，就是形成光生伏打效应的原因。下面以PN结为例进一步具体说明。（P—N结）在PN结交界面处N区一侧带正电-5-荷，P区一侧带负电荷，空间电荷区中自建电场的方向自N区指向P区。由于光照可以在空间电荷区内部产生电子一空穴对，它们分别被自建电场扫向N区和P区,就如同有一个电子由P区穿过空间电荷区到达N区,形成光致电流。在空间电荷区附近一定范围内产生的电子一空穴对，只要它们能通过扩散运动到达空间电荷区，同样可以形成光致电流,光照产生的电子和空穴扩散运动所能走的距离为扩散长度。光致电流使N区和P区分别积累了负电荷和正电荷，在PN结上形成电势差，引起方向与光致电流相反的N结正向电流。当电势差增长到正向电流恰好抵消光致电流的时候，便达到稳定情况，这时的电势差称为开路电压。如果PN结两端用外电路连接起来，则有一股电流流过，在外电路负载电阻很低的情况，这股电流就等于光致电流，称为短路电流。2.2电池结构特点在半导体太阳能电池中，吸收太阳光能量所必要的半导体膜的厚度可以非常薄。对硅来说,在太阳光谱峰值附近5.0X10-7m〜6.0X10-7m处,吸收值为104/cm数量级。从原理上讲，几um厚就可以吸收大部分的能量，但实际多晶硅薄膜的厚度一般是50um。正因为如此，人们研制了薄膜型太阳能电池，太阳能电池的薄膜化是以降低地面用太阳能电池制作成本和节省昂贵的半导体电池结构材料为目的的。为了从机械强度上支撑电池薄膜活性层，就需要衬底。当然,衬底材料也应该是便宜的。所以，在大部分的实例中，衬底都不是半导体材料。在衬底上形成的半导体薄膜是多晶体或非晶体，而不必是单晶体。衬底上的半导体薄膜，可以通过各种途径形成:物理的和化学的生长法以及把衬底在熔融半导体材料中浸渍等方法。薄膜电池的转换结构与单晶电池的结构一样，有p-n结型、肖特基型、MIS型及异质结型等。其不同点在-6-于:衬底对半导体薄膜形成工艺的影响,晶界和膜厚的作用，以及薄膜特有的材料、电学方面的性质，这些都是不容忽视的。正是由于这些因素的制约，硅薄膜电池的特性仍落后于单晶硅太阳能电池的水平，尚处试验阶段，未达到实用化的程度。2.3电池构成1、绝缘基板上的电池结构图表示以铝为基板的结构。这是一种n+-p-p+-Al基板形式，因为基板是绝缘体，所以需要取出p+一侧的电极，其Si层的特性是:p+层:20um〜40um厚，电阻率10-3欧姆厘米;p层:5um〜20um厚，杂质浓度为1016/cm3;n层:014um〜4um厚，杂质浓度为1019/cm3,p层n+层的生长都采用SiHCl3外延生长，真空蒸镀铝电极,并蒸镀一层减反射膜，做成4cm〜10cm的太阳能电池。2、石墨基板上的电池结构以石墨为基板的硅薄膜太阳能电池的结构与绝缘基板上的电池结构形式相同。硅层的特性为p+层：105〜405厚，电阻率2〜3X10-8欧姆厘米;p层:8um〜10um,电阻率:0.2〜2欧姆厘米;n+层:0.2um〜0.4um厚，电阻率1〜2X10-3欧姆厘米;石墨基板3cmX3cm。3多晶硅薄膜太阳电池制备方法3.1半导体液相外延生长法（LPE法）LPE法生长技术已广泛用于生长高质（LPE法）量的外延层和化合物半导体异质结构，如GaAs、AIGaAs、Si、Ge、siGe等。LPE可以在平面和非平面衬底上生长，能获得结构十分完美的材料。用LPE技术生长晶体硅薄膜来制备高效薄膜太阳电池，近年来引起了广泛兴趣。LPE生长可以进行掺杂，形成n-型和p-型层，LPE生长设备为通用外延生长设备，生长温度为300°C-900°C，生-"长速率为0.2um-2um/min，厚度为0.5um-100um。外延层的形貌决定于结晶条件，并可直接获得具有绒面织构表面的外延层。3.2 区熔再结晶法（ZMR法）在硅（或其它廉价衬底材料上）形成SiO,层，用Lp-CVD法在其上沉积硅层（3um-5um，晶粒尺寸为0.01-0.um），将该层进行区熔再结晶（ZMR）形成多晶硅层。控制ZMR条件，可使再结晶硅膜中的腐蚀坑密度由1XI07cm-2下降到1-2X106cm-2，同时（100）晶相面积迅速增加到90%以上。为了满足光伏电池对层厚的要求，在ZMR层上用CVD法生长厚度为50um-60um的硅层作为激活层，用扫描加热使其晶粒增大至几毫米，从而形成绝缘层硅结构（SOI），激活层为p型，电阻率为1Q?cm-2Q?cm。为获得高质量的激活层，在进行Lp-CVD前，对ZMR层表面进行HCI腐蚀处理。为制备多晶硅薄膜太阳龟池，在激活层表面进行腐蚀形成绒面织构，并在其上进行n-型杂质扩散形成p-n结，然后进行表面钝化处理和沉积减反射层，并制备上电极，进行背面腐蚀和氢化处理，制作背电极，即制成多晶硅薄膜太阳能电池。上述结构不但有效地降低串联电阻，还能增加背反射。在10cmX10cm面积上获得转换效率为14.22%的多晶硅薄膜太阳电池。3.3等离子喷涂法（PSM）采用DC—RF混合等离子系统。以纯度为99.9999%，粒度为50um—150□m的p-型晶体硅粉作为原材料，用Ar气作为携带气体，由DC-RF等离子体进8行喷涂。原料贮存盒和携带气体管道涂8覆Si-C-N-O化合物，防止金属杂质污染。硅粉在高温等离子体中加热熔化。熔化的粒子沉积在衬底上，衬底由加热器加热，沉积前，用红外热偶测试衬底温度，使之保持在1200°C，沉积室由不锈钢制成，用无油泵抽真空，其真空度为1.33X10-2pa。等离子体由Ar和少量H构成，沉积时压强为8X10-8pa。沉积的多晶硅膜厚度为200um-1000um。多晶硅晶粒尺寸为20um-50um，沉积速率大于10um/s。用等离子体喷涂沉积多晶硅薄膜太阳电池，全部采用低温等离子CVD工艺。用碱或酸溶液腐蚀沉积的多晶硅层，在其上于200C用等离子CVD形成厚度约200X10-8cm的微晶硅作为发射层，并制备ITO减反射层和银浆电极构成太阳电池。面积为lcm2，在AM1.5、100mW/cm2条件下，电他转换效率为了n=4.3%。3.4叠层法在较低的温度300°C下，用叠层技术，在经预先氟化处理的玻璃衬底上沉积多晶硅薄膜，该方法类似于沉积a-Si：H薄膜。在低温下用等离子增强化学气相沉积法(PELVD)沉积大面积多晶硅薄膜。一般，p型掺杂多晶硅薄膜用叠层技术沉积，其厚度为0.28mm〜5.78mm。典型的沉积条件为：SiF4流量为60SCCm，氢流量为15SCCm，沉积温度为300C，微波功率为200W，压强为53.3Pa。进行卜型掺杂沉积时，在氢气中混合10ppmPH3,流量为18SCCm。每次沉积持续和原子氢处理时间为10s。由于沉积时，掺杂用的PH3和源SiF4加入氢等离子体区域，这样可以较好地控制膜中的P和Si的比例。100K-400K温度范围内，用霍尔效应和电导测量确定其载流子输运特性。实验表明，材料结构是膜厚的函数，霍尔迁移率随膜厚度增加而增加，样品的最高9迁移率区是在薄膜表面附近。载流子电9导由晶粒问界势垒决定。3.5化学气相沉积法(CVD)用化学气相沉积法(CVD)，在铝陶瓷衬底上沉积3um-5um的硅薄膜。为了获得高质量的硅薄膜，铝陶瓷衬底上预先沉积Si3N4/SiOx双层膜。在硅薄膜沉积时，引入硼掺杂。用CW-Ar激光束溶化沉积的硅膜，在氮气氛中，400C-500C下再结晶。制备薄膜太阳电池时，用常规方法进行P扩散和沉积ITO膜，用氢等离子处理来钝化晶体缺陷。电池也可采用MgF2(110X10-8cm)/TiO2(650Xl0-8cm)双层减反射膜，MgF2层用电子束蒸发方法沉积，TiO2层用常压CVD沉积。该方法制备的太阳电池厚度为4.2um，短路电流为25.5mA/cm2,开路电压为0.48V，FF为053，n=6.52%。3.6固相结晶法（SPC）开始材料a-Si用SiH，或Si2H，辉光放电沉积在平面或绒面衬底上，沉积时加APH3，形成p。掺杂层，其作用起增强晶核和形成大晶核的作用。p-掺杂层典型的厚度为170nm，在其上沉积不掺杂的a-Si层。通过改变沉积条件，如压力，RF功率等来改变不掺杂的a-Si层的结构。沉积后，在真空中600°C下进行退火，使a-Si层进行固相结晶，形成多晶硅。用Raman光谱研究未掺杂a-Si结构和多晶硅膜关系，经Secco腐蚀显露出晶界，用扫描电镜测量晶粒尺寸和密度。用上述SPC法制备的多晶硅薄膜电池，其结构为衬底采用钨，SPC后n型多晶硅层厚度为〜10um，在n型多晶硅上沉积卜型a-Si和p型a-Si，其厚度为〜10um，在p型a-Si上沉积〜70nm的ITO膜，并沉积金属电极。制作的多晶硅太阳电池，面积为1cm2，转换效率为一10-6.3%，当波长为900nin时，电他的收集系数为51%，电他少数载流子扩散长度为11um，最高短路电流为28.4mA/cm2。p型掺杂层的P掺杂大于1020cm-34多晶硅薄膜太阳电池的测试4.1太阳能电池片组件测试仪硬件结构1、测试主机（含电子负载）2、光源3、 计算机4、 14位同步高速A/D板卡5、 专用测量软件6、 打印机(A4喷墨彩色打印机)7、 标准电池(用于调整光强和校正光强均匀度)4.2功能特点可测量参数：I-V曲线，短路电流，开路电压，峰值功率，峰值功率点电压、电流，定电压点电流，填充因子，转换效率，串联电阻，并联电阻，太阳电池温度，光强度。太阳电池组件采用四线连接，确保了太阳电池电流测量的准确性。太阳能电池组件测试仪是太阳电池生产的最终测试设备，有上打光、下打光或侧打光三种光学结构，其中上打-11-光、下打光设备有利于流水线生产，同时该测试仪可以兼作层压前测试之用，可以大大提高一次封装成品率。同时测量温度和光强，确保太阳电池温度和光强自动修正的准确性。可测各种太阳电池组件。测试快捷，单次测试耗时小于1秒，测试间隔小于5秒.4.3主要测试指标开路电压(Voc):在光照下，电池片没有接负载时的电压；短路电流(Isc):在光照下，电池片短路时的输出电流；最大功率(Pm