太阳能光伏技术概论 课件 第四章 晶硅电池的发电原理与工艺流程

第一节晶硅电池生产工艺流程与电池结构第二节晶硅电池工业化生产工艺流程第一节晶硅电池生产工艺流程与电池结构一、晶体硅生产工艺流程简介制作太阳能电池的工艺不尽相同，可以简单分为实验室高效晶硅太阳能电池工艺和工业生产晶硅太阳能电池工艺。相对于实验室高效晶硅太阳能电池工艺，工业生产晶硅太阳能电池工艺步骤简化，工艺简单，成本低廉，虽然制成的太阳能电池效率相对较低，但是适合商业化大规模生产。晶硅太阳能电池生产的典型工艺流程如图4-1所示。晶硅太阳能电池的制作主要分为七个步骤：(1)将硅片进行清洗、制绒，在制绒的过程中去除硅片表面的损伤层。(2)通过扩散在硅片上形成与基底导电类型相反的掺杂层，构成PN结。(3)通过刻蚀去除扩散工序中在硅片边缘形成的短路区域。(4)进行二次清洗，去除扩散工序中在硅片表面形成的磷硅玻璃。(5)在硅片的受光面上制作减反射膜。(6)制作电极，形成电能输出的正、负电极引线。(7)在经过最后一道丝网印刷后对硅片进行快速烧结，实现表面金属化。在完成太阳能电池的制作工序之后，需要对太阳能电池进行评价，一方面要对太阳能电池进行测试分选，为了保证产品质量的一致性，通常要对每个电池进行测试，并按电流和功率大小进行分类，根据电池效率进行分档；另一方面对太阳能电池进行外观检验，根据外观再次进行分档。最后将太阳能电池封存入库。二、晶硅太阳能电池的结构晶硅太阳能电池的基底是P型或者N型。P型单晶硅太阳能电池的典型结构见图4-2。在P型晶体硅片前表面存在绒面结构，又称表面织构化，这是为了减弱反射效果，更好地吸收和利用太阳光线。单晶硅太阳能电池的绒面结构是金字塔形的；多晶硅太阳能电池的绒面结构则是由腐蚀坑构成的。在绒面结构内表面有一层N型半导体层，P型基底和N型半导体层间形成了PN结；在绒面结构外表面是减反射层，在减反射层上是呈梳齿状的电极，作为正面负电极引线；在晶体硅片背表面有另外一层P型半导体层，该层的杂质浓度比基底高很多，两者之间形成PP+ 结(又称为背面场)，可以减少少数载流子在背面复合的概率；在PP+ 结表面有金属接触层，作为背面正电极引线。N型单晶硅太阳能电池的典型结构见图4-3，其结构和P型单晶硅太阳能电池类似，只是将P型和N型进行了置换，因为导电类型发生了置换，所以此时的正面电极为负电极，背面电极为正电极。第二节晶硅电池工业化生产工艺流程晶硅电池工业化生产工艺流程如下：1．清洗清洗的目的是去除硅片表面的机械损伤层，并对硅片的表面进行凹凸面处理，增加光在太阳能电池片表面的折射次数，利于太阳能电池片对光的吸收，以达到电池片对太阳能价值的最大利用。另外，清洗中还要清除硅片表面硅酸钠、氧化物、油污以及金属离子杂质。清洗工序中要使用各种化学清洗剂，其中，HF用以去除硅片表面氧化层，其化学反应式为SiO2 + 6HF =H2SiF6+2H2O。HCl用以去除硅片表面金属杂质。盐酸具有酸和络合剂的双重作用，氯离子能溶解硅片表面沾污的杂质，如铝、镁等活泼金属及其他氧化物，但不能溶解铜、银、金等不活泼的金属以及二氧化硅等难溶物质。此外，还有一些常用的化学清洗剂，如高纯水、硫酸、王水、硝酸、酸性和碱性过氧化氢溶液、高纯中性洗涤剂等。安全提示：HCl、HF都是强腐蚀性的化学药品，其固体颗粒、溶液、蒸汽会伤害到人的皮肤、眼睛、呼吸道，所以操作人员要按照规定穿戴防护服、防护面具、防护眼镜、长袖胶皮手套。一旦有化学试剂沾染上了人的身体，马上用纯水冲洗30分钟，然后送医院就医。2．制绒制绒的目的是在硅片的外表面形成绒面结构，以减少光反射，提高短路电流(Isc)，最终提高电池的光电转换效率。(1)单晶硅制绒的原理。对于单晶硅片，利用低浓度碱溶液对晶体硅在不同晶体取向上具有不同腐蚀速率的各向异性腐蚀特性，在硅片表面腐蚀形成角锥体密布的表面形貌，称为表面织构化，如图4-4所示，单晶硅绒面结构可降低反射率。其反应式为(2)多晶硅制绒的原理。由于多晶硅基底的各向异性，无序织构化过程在多晶硅表面并不是很有效。这是由于多晶硅的表面是多重取向的。因此利用酸溶液对硅片的各向同性腐蚀特性，在硅片表面腐蚀形成腐蚀坑的表面形貌，如图4-5所示。其反应式为3．扩散扩散的目的是在P型晶体硅上进行N型扩散，形成PN结。PN结是半导体器件工作的“心脏”。1)扩散方法(1)三氯氧磷(POCl3)液态源扩散。(2)喷涂磷酸水溶液后链式扩散。(3)丝网印刷磷浆料后链式扩散。2) POCl3扩散原理(1) 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：(2)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，其反应式为(3)由上面的反应式可以看出，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不易分解，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)。其反应式为(4)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。在有氧气存在时，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含P2O5的SiO2(磷硅玻璃)，然后磷原子再向硅中扩散。4)影响扩散的因素(1)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。(2)表面的杂质源达到一定程度时，对N型区域的磷浓度的改变影响不大。(3)扩散温度和扩散时间对扩散结深影响较大。(4) N型区域磷浓度和扩散结深共同决定着方块电阻的大小。安全提示：所有的石英器具都必须轻拿轻放。源瓶更换的标准操作过程是，依次关闭进气阀门、出气阀门，拔出连接管道，更换源瓶，连接管道，打开出气阀门、进气阀门。4．刻蚀刻蚀的目的是去除硅片周边的N型层，防止短路。常用的刻蚀方法有等离子体刻蚀、湿法刻蚀、激光刻蚀等。等离子体刻蚀是采用高频辉光放电反应，使反应气体激活成为活性粒子，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，形成挥发性生成物而被去除。其优势在于快速的刻蚀速度，同时可获得良好的物理形貌。(1)母体分子CF4在高能量的电子的碰撞作用下分解成多种中性基团或离子。(2)这些活性粒子由于扩散或者在电场作用下到达SiO2表面，并在表面发生化学反应。(3)生产过程中，在CF4中掺入O2，有利于提高Si和SiO2的刻蚀速度。影响刻蚀的因素有刻蚀时间和射频功率。5．去磷硅玻璃(二次清洗)1)去磷硅玻璃的目的扩散工艺会在硅片表面形成一层含有磷元素的SiO2，称之为磷硅玻璃(PSG)。它会阻止光吸收，同时又是绝缘的。工艺上采用HF酸腐蚀的方法去除PSG。为了使硅片在去PSG之后保证表面的洁净，在不大幅增加生产成本的基础上可有选择地加入其他清洗步骤，因为在制绒的时候存在一个清洗过程，所以这整个过程也被称为二次清洗。2)去磷硅玻璃的原理(1)氢氟酸能够溶解二氧化硅是因为氢氟酸能与二氧化硅作用生成易挥发的四氟化硅气体。其反应式为(2)若氢氟酸过量，反应生成的四氟化硅会进一步与氢氟酸反应生成可溶性的络合物六氟硅酸。其反应式为上述过程的总反应式为安全提示：(1)在配制氢氟酸溶液时，要穿好防护服，戴好防护手套和防毒面具。(2)不得用手直接接触硅片和承载盒。(3)当硅片在1号槽氢氟酸溶液中时，不得打开照明设备，防止硅片被染色。(4)硅片在两个槽中的停留时间不得超过设定时间，防止硅片被氧化。6．PECVD镀减反射膜减反射的目的是通过调整薄膜厚度及折射率，使得两次反射产生相消干涉，即使光程差为1/2波长，这就要求薄膜的厚度应该是1/4波长的光程。镀减反射膜，采用PECVD。PECVD(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition)即“等离子增强型化学气相沉积”，是一种化学气相沉积，其他的方法有HWCVD、LPCVD、MOCVD等。PECVD借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子的化学活性很强，很容易发生反应，并在基片上沉积出所期望的薄膜。PECVD的种类有直接式和间接式两种。(1)直接式。基片位于一个电极上，如图4-6所示，直接接触等离子体(低频放电10～500 kHz或高频13.56 MHz)。(2)间接式。基片不接触激发电极，如图4-7所示，如2.45 GHz微波激发等离子体。PECVD氮化硅膜的钝化技术为氢钝化技术，该技术可钝化硅体内的悬挂键等缺陷。在晶体生长中受应力等影响造成的缺陷越多的硅材料，氢钝化的效果越好。氢钝化可采用离子注入或等离子体处理。在晶体硅太阳能电池表面采用PECVD法镀氮化硅减反射膜时，由于硅烷分解时产生氢离子，对晶体硅电池可产生氢钝化的效果。应用PECVD镀Si3N4可使表面复合速度小于20 cm/s。7．印刷电极印刷电极的目的是：(1)印刷正面电极使金属电极与光伏电池形成良好的欧姆接触，最大限度地收集光生载流子(自由电子)。(2)印刷背面场，形成的铝硅合金可提高光伏电池的转换效率。(3)印刷背面电极使金属电极与光伏电池形成良好的欧姆接触，最大限度地收集光生载流子(空穴)。印刷电极采用丝网印刷工艺。丝网印刷是把带有图像或图案的模板附着在丝网上进行印刷的。丝网通常由尼龙、聚酯、丝绸或金属网制作而成。光伏电池片的丝网印刷实际上是利用浆料进行印刷制作电极的。电池片丝网印刷有三个步骤：(1)背面电极印刷及烘干，如图4-8所示，采用的浆料是Ag/Al浆。(2)背面电场印刷及烘干，采用的浆料是Al浆。(3)正面电极印刷及烘干，如图4-9所示，采用的浆料是Ag浆。8．烧结烧结的目的是燃尽干燥硅片上浆料的有机组分，使浆料和硅片形成良好的欧姆接触。烧结过程对电池片会产生不同的影响，其中主要影响为：(1)相对于铝浆烧结，银浆的烧结要重要很多，其对电池片电性能的影响主要表现在串联电阻和并联电阻上，即FF的变化上。(2)烧结使浆料中的有机溶剂得以完全挥发，并形成了完好的铝硅合金和铝层。但烧结局部的不均和散热不均可能会导致起包，严重的会起铝珠。(3)背面场经烧结后形成铝硅合金，铝在硅中是作为P型掺杂的，它可以减少金属与硅交接处的少子复合，从而提高开路电压和短路电流，改善对红外线的响应。安全提示：(1)灼热的表面有烫伤的危险。(2)危险电压有电击或烧伤的危险。(3)有害或刺激性粉尘、气体可导致人身伤害。(4)设备运转时打开或移动固定件有卷入的危险。9．分选测试分选测试按以下过程进行：(1)将设备的光强校准，用标准片校正模拟器取样Isc、电压修正系数，以保证分选电性能的一致性。(2)将待测电池片放置在测试平台上进行测试，注意接触电池片时应佩戴橡胶指套(及时更换已弄脏和沾上油污的橡胶指套)，电池片与测试平台的定位装置应对齐。(3)将电池片按测试值及分选要求(电流或功率)进行分类。(4)重复以上步骤直至所有待测电池片分选完毕。(5)对分选完毕的电池片的正反面进行外