光伏器件原理与设计(一)

光伏器件原理与设计

Principlesanddesignofphotovoltaicdevices

陈诺夫

nfchen@绪论光伏器件——太阳电池中国光伏的发展历程太阳电池分类太阳电池设计要点本课程安排化石能源逐渐枯竭环境污染日益严重太阳电池绪论为什么使用太阳电池我国石油、煤炭资源匮乏（2000年）：我国人均煤炭可采储量90吨（54.9％）我国人均石油可采储量3吨（11％）我国人均天然气1080立方米（4.3％）（占世界平均水平的**%）

2004年，我国已取代日本成为世界第二大石油进口国，进口依存度超过50％；（美国为第一大石油进口国）绪论为什么使用太阳电池目前我国能源结构极不合理煤炭年消耗量约为13亿吨，在我国能源总量中的比重超过60％。我国已成为世界第一大二氧化碳排放国（美国原为第一大排放国）。二氧化碳产生的污染不仅对我国的居民健康和工农业生产造成严重损害，还使我们面临巨大的国际压力。绪论为什么使用太阳电池我国的太阳能资源非常丰富据统计，如果把全国1％的荒漠中的太阳能用于发电，就可以发出相当于2003年全年的耗电量。届时，西藏、甘肃、青海、新疆、云南等广大西部地区将成为我国新的能源基地。我国太阳能光伏发电——势在必行！绪论为什么使用太阳电池中国的太阳能分布WestAbundantsunshineEastdeficientsunshine绪论为什么使用太阳电池ColorAreaAnnualValue（KWh/m2）DailyValue（KWh/m2）RedWest≥1860≥5.1OrangeMidwest1500–18604.1–5.1YellowWest&Middle1200–15003.3–4.1BlueEast<1200<3.3SolarEnergyResourcesinChina绪论为什么使用太阳电池Theresearchonsolarcellsbeganin1958.Researchinstitutions:DepartmentofSemiconductors,InstituteofPhysics,ChineseAcademyofSciences.TheDepartmentofSemiconductorsbecameanindependentInstituteofSemiconductorsin1960.18thInstitute,theformerMinistryof4thMachineIndustry.绪论中国光伏的发展历程Thefirstmonocrystallinesiliconsolarcell,withp/njunctionand6%efficiency,wassuccessfullymadeatthe18thInstitutein1960,6yearslaterthanthefirstapplicablesolarcellintheworld.绪论中国光伏的发展历程Themonocrystallinesiliconsolarcell

wasassembledonChinesesatellite—“Shi-JianI”in1971,whichran8yearsinspace.Firstapplication绪论中国光伏的发展历程From1980’sthefollowingsolarcellsweresuccessfullyfabricatedinChinaGaAssolarcellAmorphoussiliconsolarcellPolycrystallinesiliconsolarcellCdTesolarcellCuInGaSnsolarcell绪论中国光伏的发展历程From2000’sthefollowingsolarcellsweresuccessfullyfabricatedinChinaGaAs\GaInPdouble-junctionsolarcellGe\GaInAs\GaInP

trible-junctionsolarcella-Si\c-Sidouble-junctionsolarcellDyesensitivesolarcellConcentrationsolarcellNewconceptsolarcells:organicsolarcell,nanosolarcell,etc绪论中国光伏的发展历程RepresentativePVResearchInstitutions18thInstituteofChinaElectronicTechnologyCorporation,TianjinGRINMSemiconductorMaterials,BeijingShanghaiSpacePowerInstitute,ShanghaiInstituteofSemiconductors,CAS,BeijingInstituteofPhysics,CAS,BeijingInstituteofPlasmaPhysics,CAS,HefeiAnhui绪论中国光伏的发展历程PVResearchInstitutions(continued)NankaiUniversity,TianjinSichuanUniversity,ChengduWuhanUniversity,WuhanShanghaiJiaotongUniversity,ShanghaiBeijingUniversity,BeijingNorthChinaElectricPowerUniversity,BeijingYunnanNormalUniversity,Kunming绪论中国光伏的发展历程光伏市场端市场表现；规模仍在扩大，市场增长幅度减小市场格局发生变化欧洲增幅减少(欧债危机、政策调整)美、日、中及新兴市场上升造成的影响供求关系骤然转换市场对光伏组件有强烈的降价诉求光伏产品价格下降，对市场发展有利政策影响下的光伏市场发展节奏受政策支持力度的影响，增速有限至2010年底：10年平均增长率55.5%；5年平均增长率68%。2010年比上年增长超过100%；2011年比上年增长约65%绪论中国光伏的发展历程我国太阳电池制造与国内装机

年度2005200620072008200920102011组件年发货量（MWp）2004001088260040111067013800出口（MWp）1953901068256038511014011600出口比例（%）97.597.598.298．596.095.084.1年新增装机（MWp）51020401605302600年装机增长率(%)100100102297.5231.3390.9累计装机（MWp）70801001403008303430绪论中国光伏的发展历程省份年度上网电价（元/kWh)安装容量目标备注地面屋顶BIPV特许电价2007-20084.0上海、内蒙古、宁夏等江苏省20092.153.74.3400MWp20101.733.520111.42.42.9浙江省20101.1650MWp2011-20121.43山东省20101.710/Wp150MWp20111.420121.2宁夏自治区2009-20101.1550MWp特许临时上网电价青海省20111.15已核准900MWp原定2011.09.30前建成(2011.12.31前建成)特许权招标120091.092820MWp甘肃敦煌特许权招标220100.7288-0.9791甘肃、青海、宁夏、内蒙古13个项目280MWp全国统一标杆电价20111.152011.07.01前核准并12.31前建成20121.0西藏仍执行1.15元/kWh电价中国光伏发电上网电价情况绪论中国光伏的发展历程光伏市场格局发生变化2010年分布超过GW的有德国、意大利、捷克三国欧洲约占80%，德国约占50%2011年分布超过GW的有意大利、德国、中国、美国、法国、日本六国欧洲约占75%，意、德两国约占60%累积排序：德、意、西、日、美、中绪论中国光伏的发展历程市场竞争对价格的影响光伏组件价格走势：2007-2008年3欧元/Wp以上；2011年10月降到1欧元/Wp左右2012年国际市场平均价格已降到0.9美元左右，中国市场更是降到0.5美元。绪论中国光伏的发展历程2010-2015年世界晶体硅电池成本预测累计增加成本：2011年组件成本1.1美元2006年以来世界晶体硅电池成本下降曲线/white%20papers/:Re-consideringtheEconomicsofPhotovoltaicPower

2008年美国金融危机之后，欧、美光伏市场需求急速增长。我国光伏企业大部分是民营企业逐利无序发展2011年我国光伏产能已超过30GW相当于全球的光伏需求！！绪论中国光伏的发展历程光伏产品制造端产能扩充过快老企业大量扩产新企业大量进入产能大大超前于市场需求发货量上升约26%，但增长率下降造成的影响竞争激烈一些中小企业拿不到定单下游产品价格大幅下滑，上游产品也只能随之降价一些大型企业出货量上升但利润下滑成本较高的中游企业出现成本与市场价格倒挂;库存要消化，部分产能闲置，竞争加剧，利润空间被不断挤压。绪论中国光伏的发展历程德国太阳电池发电鼓励政策(2005)：太阳电池发电并入电网企业（居民）安装太阳电池发电系统国家补贴一半太阳能发电输入电网价：0.5欧元/kWh民用电网电价：0.27欧元/kWh太阳电池发电系统从业利润：8%绪论中国光伏的发展历程我国的《可再生能源法》２００５年２月２８日第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通过2006年1月1日起执行国家将可再生能源的开发利用列为能源发展的优先领域通过制定可再生能源开发利用总量目标和采取相应措施，推动可再生能源市场的建立和发展。绪论中国光伏的发展历程

《国家能源科技“十二五”规划》发布《可再生能源发展基金管理办法》发布两次上调“可再生能源电价附加”（4厘、8厘）“全国统一上网标杆电价”发布（1.15元/kWh;2012年1元/kWh；将适时调整。青海2011装机近1GW)“光电建筑”继续实施（计划:7.5元/瓦-9元/瓦；2012年将超100MW)“金太阳工程”继续实施（2010计划：7元/瓦，约1300MW；实际：5.5元/瓦，1709MWp——江苏273MW，浙江、广东、安徽、北京均超过100MW）工信部《太阳能光伏产业“十二五”发展规划》发布财政部、国家发展改革委、国家能源局《可再生能源电价附加补助资金管理暂行办法》发布科技部《太阳能发电科技发展“十二五”专项规划》“十二五”光伏发电规划目标两次上调（2012达15GW）许多地方制定了当地优惠政策国内光伏相关政策密集出台绪论中国光伏的发展历程未来：2020年，我国太阳电池累计用量将达到30GW，将每年减排2820万吨二氧化碳，就业人数将超过300万人。太阳能发电的社会效益、环境效益和经济效益，由此可见一斑。绪论中国光伏的发展历程

未来无限——欧洲2050路线图指标2020目标－RE替代20%、减排20%、节能20%;2030目标－RE替代43%；2050目标－RE替代100%，在零碳电力基础上,实现CO2减排80%。可再生能源对电力的贡献

可再生能源RE对总能耗的贡献绪论中国光伏的发展历程绪论太阳电池分类TypeofsolarcellsChina(%)World(%)Si(mono-crystalline)20.124.7Si(poly-crystalline)1620.3a-Si(3junctions,stable)1013c-Sithinfilm1016.6μc-Sithinfilm10.2913CdTe13.3816.4CuInGaSe12.119.23-JGaInP/GaAs/Ge(GaInP/GaAs/InGaAs)3233(37)2-JGaInP/GaAs23.530.3HIT(heterojunctionwithintrinsicthin-layer)14.9621.5PhotochemicalMonocrystallinedye911Concentrated3-j4143绪论太阳电池设计要点材料选择与设计太阳中心光谱1.4eV,E>Eg,α(E)高电池表面反射率低少子寿命长电池结构设计表面电极设计光学设计工艺设计绪论本课程安排本课程共32学时任课教师：陈诺夫主要内容半导体的能带结构空间电荷区与p-n结特性太阳电池基本结构多结太阳电池原理晶体硅太阳电池设计薄膜硅太阳电池设计化合物太阳电池设计多结太阳电池设计高倍聚光太阳能发电系统设计一.电子共有化晶体具有大量分子、原子或离子有规则排列的点阵结构。电子受到周期性势场的作用。a按量子力学须解定态薛定格方程。第一章半导体的能带结构§1.1晶体周期性

解定态薛定格方程(略），可以得出两点重要结论：1.电子的能量是分立的能级;2.电子的运动有隧道效应。原子的外层电子(高能级)，势垒穿透概率较大，电子可以在整个晶体中运动,称为共有化电子。原子的内层电子与原子核结合较紧,一般不是共有化电子。二.能带

(energyband)

量子力学计算表明，晶体中若有N个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级,在晶体中变成了N条靠得很近的能级,称为能带。晶体中的电子能级有什么特点？能带的宽度记作

E

，数量级为

E～eV。

若N~1023,则能带中两能级的间距约10-23eV。一般规律：

1.越是外层电子，能带越宽，

E越大。

2.点阵间距越小，能带越宽，

E越大。

3.两个能带有可能重叠。离子间距a2P2S1SE0能带重叠示意图三.能带中电子的排布

晶体中的一个电子只能处在某个能带中的某一能级上。

排布原则：

1.服从泡里不相容原理（费米子）

2.服从能量最小原理设孤立原子的一个能级Enl，它最多能容纳2(2ℓ+1)个电子。这一能级分裂成由N条能级组成的能带后，能带最多能容纳2N(2l+1)个电子。

电子排布时，应从最低的能级排起。

有关能带被占据情况的几个名词：

1．满带（排满电子）

2．价带（能带中一部分能级排满电子）

亦称导带

3．空带（未排电子）

亦称导带

4．禁带（不能排电子）2ｐ、3ｐ能带，最多容纳6N个电子。例如，1ｓ、2ｓ能带，最多容纳2N个电子。2N(2l+1)一.布洛赫定理一个在周期场中运动的电子的波函数应具有哪些基本特点？在量子力学建立以后，布洛赫（F.Bloch）和布里渊（Brillouin）等人就致力于研究周期场中电子的运动问题。他们的工作为晶体中电子的能带理论奠定了基础。布洛赫定理指出了在周期场中运动的电子波函数的特点。§1.2（补充）布洛赫定理ķ

空间在一维情形下，周期场中运动的电子能量E(k)和波函数必须满足定态薛定谔方程

k-------表示电子状态的角波数V(x)----周期性的势能函数，它满足

V(x)=V(x+na)a----晶格常数

n-----任意整数布洛赫定理：式中也是以a为周期的周期函数，即

*

注*：关于布洛赫定理的证明，有兴趣的读者可以查阅《固体物理学》黄昆原著韩汝琦改编（1988）P154具有(2)式形式的波函数称为布洛赫波函数,或布洛赫函数。满足（1）式的定态波函数必定具有如下的特殊形式布洛赫定理说明了一个在周期场中运动的电子波函数为：一个自由电子波函数与一个具有晶体结构周期性的函数的乘积。

只有在等于常数时，在周期场中运动的电子的波函数才完全变为自由电子的波函数。

这在物理上反映了晶体中的电子既有共有化的倾向，又有受到周期地排列的离子的束缚的特点。

因此，布洛赫函数是比自由电子波函数更接近实际情况的波函数。

它是按照晶格的周期a调幅的行波。实际的晶体体积总是有限的。因此必须考虑边界条件。

设一维晶体的原子数为N,它的线度为L=Na,则布洛赫波函数应满足如下条件此式称为周期性边界条件。二.周期性边界条件采用周期性边界条件以后，具有N

个晶格点的晶体就相当于首尾衔接起来的圆环：在固体问题中，为了既考虑到晶体势场的周期性，又考虑到晶体是有限的，我们经常合理地采用周期性边界条件：由周期性边界条件可以推出:布洛赫波函数的波数k只能取一些特定的分立值。aa周期性边界条件对波函数中的波数是有影响的。图2周期性边界条件示意图左边为右边为所以由周期性边界条件即周期性边界条件使k

只能取分立值：证明如下:按照布洛赫定理：k是代表电子状态的角波数,n是代表电子状态的量子数。对于三维情形,电子状态由一组量子数(nx、ny、nz)来代表。它对应一组状态角波数（kx、

ky、

kz）。一个对应电子的一个状态。我们以为三个直角坐标轴，建立一个假想的空间。这个空间称为波矢空间、

空间，或动量空间*。kx、ky、

kz由于德布洛意关系，即，所以空间也称为动量空间。注：在空间中，电子的每个状态可以用一个状态点来表示，这个点的坐标是三.空间kykx0-112-23-31-12-2-33上式告诉我们，沿空间的每个坐标轴方向，电子的相邻两个状态点之间的距离都是。图3表示二维空间每个点所占的面积是。因此，空间中每个状态点所占的体积为。

图3二维空间示意图§1.3克朗尼格-朋奈模型能带中的能级数目

一.克朗尼格-朋奈模型

能带理论是单电子近似理论。

布洛赫定理指出，一个在周期场中运动的电子，其波函数一定是布洛赫函数。下面我们通过一个最简单的一维周期场-------克朗尼格-朋奈（Kroning-Penney）模型来说明晶体中电子的能量特点。周期性边界条件的引入,说明了电子的状态是分立的。它把每个电子的运动看成是独立地在一个等效势场中的运动。现在再来说明电子的能量有什么特点？回顾：克朗尼格-朋奈模型是把图1的周期场简化为图4所示的周期性方势阱。假设电子是在这样的周期势场中运动。在0<x<a一个周期的区域中，电子的势能为0caU0U(x)xb图4克朗尼格-朋奈模型按照布洛赫定理，波函数应有以下形式式中即可得到满足的方程将波函数代入定态薛定谔方程利用波函数应满足的有限、单值、连续等物理（自然）条件，进行一些必要的推导和简化，最后可以得出下式注*：有兴趣的读者可参阅〈固体物理基础〉

蔡伯熏编（1990）P268。式中而是电子波的角波数*。（4）式就是电子的能量E应满足的方程,也是电子能量E与角波数k

之间的关系式。(4)式的左边是能量E的一个较复杂的函数，记作

f(E)；由于，所以使的E值都不满足方程。下图5为给出了一定的a、b、U0数值后的f(E)：右边是角波数k的函数。由图看出，在允许取的E值（暂且称为能级）之间，有一些不允许取的E值（暂且称为能隙）。下面的图6为E~k

曲线的某种表达图式。图5f(E)函数图f(E)EE2E3E5E4E6E7E10E图6E~k

曲线的表达图式两个相邻能带之间的能量区域称为禁带。晶体中电子的能量只能取能带中的数值，而不能取禁带中的数值。图中为“许可的能量”，称为能带*。E2E3E5E4E6E7E10E图6E~k

曲线的表达图式E~k

曲线与a有关、与U0b乘积有关。乘积U0b反映了势垒的强弱。由于原子的内层电子受到原子核的束缚较大，与外层电子相比，它们的势垒强度较大。

计算表明：

U0b的数值越大所得到的能带越窄。所以，内层电子的能带较窄。外层电子的能带较宽。

从E~k

曲线还可以看出：

k值越大，相应的能带越宽。由于晶体点阵常数a越小，相应于k值越大。因此，晶体点阵常数a越小，能带的宽度就越大。有的能带甚至可能出现重叠的现象。E2E3E5E4E6E7E10E图6E~k

曲线的表达图式二.能带中的能级数晶体中电子的能量不能取禁带中的数值，只能取能带中的数值。由图5可以看出：第一能带

k的取值范围为

第二能带k

的取值范围为

第三能带k

的取值范围为

每个能带所对应的k的取值范围都是*。注*：我们把以原点为中心的第一能带所处的k

值范围称为第一布里渊区;第二、第三能带所处的

k值范围称为第二、第三布里渊区，并以此类推。所以，晶体中电子的能带中有N

个能级。电子在晶体中按能级是如何排布的呢？电子是费密子，它的排布原则有以下两条：（1）服从泡里不相容原理（2）服从能量最小原理而在空间每个状态点所占有的长度为，因此，每一能带中所包含的（状态数）能级数为每个能带所对应的k的取值范围都是。对于孤立原子的一个能级Enl按照泡里不相容原理，最多能容纳2（2l+1）个电子。在形成固体后，这一能级分裂成由N

条能级组成的能带了，它最多能容纳的电子数为2N(2l+1)个。例如，对孤立原子的1S、2S能级,在形成固体后相应地成为两个能带。它们最多能容纳的电子数为2N个。

对孤立原子的2P、3P能级,在形成固体后也相应地成为两个能带。它们最多能容纳的电子数为6N个。电子排布时还得按照能量最小原理从最低的能级排起。孤立原子的最外层电子能级可能填满了电子也可能未填满了电子。若原来填满电子的，在形成固体时，其相应的能带也填满了电子。若孤立原子中较高的电子能级上没有电子，在形成固体时，其相应的能带上也没有电子。若原来未填满电子的，在形成固体时，其相应的能带也未填满电子。孤立原子的内层电子能级一般都是填满的，在形成固体时，其相应的能带也填满了电子。排满电子的能带称为满带；排了电子但未排满的称为未满带（或导带）；未排电子的称为空带；（有时也称为导带）；两个能带之间的禁带是不能排电子的。§1.4导体和绝缘体（conductor．insulator）

它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。晶体按导电性能的高低可以分为导体半导体绝缘体导体导体导体半导体绝缘体

Eg

Eg

Eg在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，集体定向流动形成电流。从能级图上来看，是因为其共有化电子很易从低能级跃迁到高能级上去。E导体从能级图上来看，是因为满带与空带之间有一个较宽的禁带（

Eg约3～6eV），共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场的能量，所以形不成电流。的能带结构,满带与空带之间也是禁带，但是禁带很窄（

Eg约0.1～2eV)。绝缘体半导体绝缘体与半导体的击穿当外电场非常强时，它们的共有化电子还是能越过禁带跃迁到上面的空带中的。绝缘体半导体导体2.1半导体中的电子特征直接带隙和间接带隙半导体直接带隙间接带隙第二章空间电荷区与p-n结特性

电子的有效质量一维情况：三维情况：有效质量为张量价带顶附近的有效质量量为负导带底附近的有效质量为正半导体中的载流子－电子和空穴Eg跃迁传导电子空穴空穴的有效质量是价带顶电子有效质量的负值，即为正半导体的导电特征导带底电子沿外加电场反方向漂移价带顶电子沿外加电场方向的漂移Eejevehvhjh本征半导体－不含杂质的半导体价带EF(T=0K)导带本征半导体的载流子浓度施主掺杂及n型半导体PED施主能级和施主电离类氢原子模型：受主掺杂及p型半导体EA类氢原子模型：受主能级和受主电离杂质能级上的电子和空穴分布应用Fermi-Dirac分布可以得到：施主能级被电子占据的概率受主能级被空穴占据的概率电离施主浓度电离受主浓度n型半导体的平衡载流子浓度n0=nD++P0

电中性条件：p型半导体的平衡载流子浓度电中性条件：p0=nA++n0

非平衡载流子非平衡载流子的产生：（1）光辐照（2）电注入非平衡载流子-非平衡载流子的寿命和复合漂移速度和迁移率vt微分欧姆定律：平均漂移速度和迁移率n型半导体，且n>>pp型半导体，且p>>n本征半导体电导率的影响因素－载流子的散射电离杂质散射声子散射声学声子散射光学声子散射迁移率的计算总散射概率：平均弛豫时间：平均迁移率p-n结的制备工艺合金法扩散法p-n结平衡能带结构p-n结平衡电势p-n结的整流特性IV第三章太阳电池基本结构

晶体硅太阳电池基本结构薄膜硅太阳电池基本结构化合物太阳电池基本结构§3.1

晶体硅太阳电池基本结构工业硅6N以上高纯多晶硅单晶硅棒多晶硅锭物理化学处理高温熔融单晶硅片多晶硅片组件系统晶体硅电池产业链§3.1.1晶体硅的结构与性质晶体硅的原子结构——金刚石结构金刚石的晶体结构示意图109º28´共价键原子晶体：相邻原子间以共价键相结合而形成空间立体网状结构的晶体．

☆

构成原子晶体的微粒是原子，原子间以较强的共价键相结合。金刚石硅与金刚石的区别金刚石——碳原子（C）组成晶体硅——硅原子（Si）组成其它金刚石结构晶体晶体锗(Ge)等类似于金刚石结构——闪锌矿结构砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等109º28´1、金刚石晶体中每个碳原子周围紧邻的碳原子数——4个2、金刚石晶体中每个碳原子形成的共价键数——4个3、金刚石晶体中碳原子个数与C－C共价键个数之比——1:24、金刚石晶胞中占有的碳原子数——8个金刚石结构的特点太阳电池设计要点材料选择与设计太阳中心光谱1.4eV,E>Eg,α(E)高电池表面反射率低少子寿命长电池结构设计表面电极设计光学设计工艺设计硅的能带结构（间接带隙）导带底位于k空间X点价带顶位于k空间Γ点间接带隙Eg=1.12eV直接带隙(Γ)Eg=3eV电子跃迁能量E=Eg+ħ(kc-kv)不同半导体材料的光吸收系数与波长的关系曲线光吸收特性

P(x)=P0exp(-αx)掺杂特性本证Si:n0=p0n型Si:P掺杂——n-Sip型Si:N掺杂——p-Si电导率/电阻率载流子复合特性（p-Si）辐射复合俄歇复合RAug

缺陷复合Rtrap总复合Rn=Rrad+RAug+Rtrap=载流子输运特性掺杂浓度Nd、Na(cm-3)散射中心p-Sin-Si电子迁移率μn(cm2s-1V-1)电子扩散系数Dn(cm2s-1)空穴迁移率μp(cm2s-1V-1)空穴扩散系数Dp(cm2s-1)低Si晶格16004040010高>1019杂质802401p-Si的电子扩散长度τn=1～10μsLn～100μm，

Lp～1μm因此，太阳电池的发射区厚度<1

μm

基区厚度<100

μm其中为方块电阻2004年欧洲JRC的预测太阳级多晶硅的生产技术太阳级硅(SolarGrade-SOG)制备方法西门子法冶金法/物理法西门子法冶金级硅（MG）三氯氢硅（SiHCl3）硅还原（CVD）提纯(Distillation)SiHCl3+H2Si+3HCl蒸馏塔西门子CVD还原炉西门子CVD还原多晶硅料太阳级多晶硅的生产技术冶金法/物理法冶金级硅（MG）熔炼（Melting）定向凝固(Dolidification)添加络合剂分凝系数接近1的杂质很难除去单晶硅制备硅料清洗熔料单晶生长硅片切割有机溶剂氢氟酸直拉单晶炉氩气保护线锯直拉单晶炉外部结构直拉单晶炉内部结构直拉单晶生长过程直拉单晶炉多晶硅制备硅料清洗熔料定向凝固硅片切割有机溶剂氢氟酸铸锭炉氩气保护线锯多晶硅铸锭炉单晶硅多晶硅太阳能电池结构

太阳能电池分为单晶电池和多晶电池，但是它们的结构基本一样，都有以下部分组成单晶电池多晶电池铝硅形成背面硅基体扩散层蓝色氮化硅绒面表面主栅线表面细栅线晶体硅太阳能电池工艺简介

晶体硅电池工艺分为单晶硅电池工艺和多晶硅电池工艺，它们大体上相同，最大的不同在于第一步的清洗制绒，工艺步骤如下：硅片清洗制绒工艺扩散工艺边缘刻蚀工艺氢氟酸清洗工艺PECVD镀膜工艺印刷烧结工艺测试工艺组件工序1硅片清洗制绒

目的：清洗是为了除去沾污在硅片上的各种杂质，包括油脂、金属离子、尘埃等；表面刻蚀制绒(SDE,texture)是为了除去硅片表面的切割损伤层，同时得到合理的粗糙表面，减小光在表面的反射，增加光尤其是长波长光在硅片内传输路径，获得适合扩散制p-n结要求的硅表面。

单晶硅各向异性，我们采用强碱氢氧化钠(NaOH)腐蚀制绒，而多晶硅是各向同性，采用强酸硝酸和氢氟酸(HNO3+HF)腐蚀制绒。1硅片清洗制绒清洗后硅片质量监控：腐蚀量计算、反射率、少子寿命的测试。硅片要求表面光亮，无肉眼可见沾物，无崩边、缺角、穿孔等可视缺陷，即为合格品。清洗制绒常用设备厂家：单晶硅：无锡瑞能、深圳捷佳创、48所多晶硅：德国RENA、Schmid单晶硅用碱液制绒面多晶硅用HF和HNO3混合酸制绒面1硅片清洗制绒单晶硅电池在扫描电镜下放大1500倍的制绒表面多晶硅电池在扫描电镜下放大1000倍的制绒表面2扩散制p-n结目的：在P型硅片的表面扩散(diffusion)进一薄层磷，以形成0.3-0.6微米左右深的浅p-n结，p-n结形成后，能在硅片内产生电场，当光照射到硅片上被吸收产生电子-空穴对时，电场能将电子-空穴对分开，产生电流。扩散的原理：扩散是自然界普遍存在一种规律。所谓扩散，就是物体存在浓度不均匀时，从高浓度流动到低浓度直至平衡的一种现象。当磷沉积在硅片表面后，表面与内部存在浓度梯度，磷原子在高温驱动下穿过晶格到达其平衡位置，在硅片片面形成n型层。2扩散制p-n结扩散后硅片的监控：测试方块电阻R□

(sheetresistance)，R□可理解为在硅片上正方形薄膜两端之间的电阻，他与薄膜的电阻率和厚度有关，与薄膜的尺寸无关。通过的R□测试，可以近似比较磷扩散的平均深度。扩散后的硅片要求表面光亮且无肉眼可见沾物，无崩边、缺角、孔洞等可视缺陷才视为合格品。扩散后的多晶硅硅片2扩散制p-n结扩散的分类：链式扩散：diffusioninline管式扩散：diffusionintube扩散设备主要厂家：中国：48所德国：Tempress、Centrotherm、Schmid单面扩散双面扩散生产中采用的是POCl3液态源扩散3周边刻蚀目的：扩散过程中，硅片的外围表面导电类型都变成了n型。此工序就是利用等离子体刻蚀机刻蚀(etching)硅片边缘，以使前表面与背表面的n型层隔断，防止电池做出来以后正负极出现短路。如图所示：双面扩散的周边刻蚀边缘刻蚀的监控：边缘电阻测试参与反应的气体除了去除边缘n型硅外，还能去除硅片表面的n型硅，所以刻蚀操作时一定要压紧硅片，不能使硅片间留有间隙。3周边刻蚀刻蚀设备国内：等离子体刻蚀—48所，捷佳创国外：激光刻蚀—德国Rofin湿法刻蚀—德国RENA刻蚀分类干法刻蚀湿法刻蚀等离子体刻蚀激光刻蚀4氢氟酸清洗目的：硅片在扩散的过程中表面生成了氧化硅(SiO2)，它和磷的氧化物形成磷硅玻璃(PSG:phosphatesilicateglass),玻璃层的存在会在电极印刷过程中，影响到金属电极和硅片的接触，降低电池的转换效率，同时玻璃层还有多种金属离子杂质，会降低少子寿命，因此引入HF清洗工艺。HF酸清洗设备一般与第一道工序制绒清洗设备同步配置。常用设备厂家：单晶硅：无锡瑞能、深圳捷佳创，48所多晶硅：德国RENA