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多晶硅太陽能電池制作工藝概述

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2014-10-21     來源:[標(biāo)簽:出處]     作者:[標(biāo)簽:作者]     瀏覽次數(shù):104
核心提示:

  眾所周知,利用太陽能有許多優(yōu)點(diǎn),光伏發(fā)電將為人類提供主要的能源,但目前來講,要使太陽能發(fā)電具有較大的市場(chǎng),被廣大的消費(fèi)者接受,提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率,降低生產(chǎn)成本應(yīng)該是我們追求的最大目標(biāo),從目前國際太陽電池的發(fā)展過程可以看出其發(fā)展趨勢(shì)為單晶硅、多晶硅、帶狀硅、薄膜材料(包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜)。

  從工業(yè)化發(fā)展來看,重心已由單晶向多晶方向發(fā)展,主要原因?yàn);?)可供應(yīng)太陽電池的頭尾料愈來愈少;(2)對(duì)太陽電池來講,方形基片更合算,通過澆鑄法和直接凝固法所獲得的多晶硅可直接獲得方形材料;(3)多晶硅的生產(chǎn)工藝不斷取得進(jìn)展,全自動(dòng)澆鑄爐每生產(chǎn)周期(50小時(shí))可生產(chǎn)200公斤以上的硅錠,晶粒的尺寸達(dá)到厘米級(jí);(4)由于近十年單晶硅工藝的研究與發(fā)展很快,其中工藝也被應(yīng)用于多晶硅電池的生產(chǎn),例如選擇腐蝕發(fā)射結(jié)、背表面場(chǎng)、腐蝕絨面、表面和體鈍化、細(xì)金屬柵電極,采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)可使柵電極的寬度降低到50微米,高度達(dá)到15微米以上,快速熱退火技術(shù)用于多晶硅的生產(chǎn)可大大縮短工藝時(shí)間,單片熱工序時(shí)間可在一分鐘之內(nèi)完成,采用該工藝在100平方厘米的多晶硅片上作出的電池轉(zhuǎn)換效率超過14%。據(jù)報(bào)道,目前在50~60微米多晶硅襯底上制作的電池效率超過16%。利用機(jī)械刻槽、絲網(wǎng)印刷技術(shù)在100平方厘米多晶上效率超過17%,無機(jī)械刻槽在同樣面積上效率達(dá)到16%,采用埋柵結(jié)構(gòu),機(jī)械刻槽在130平方厘米的多晶上電池效率達(dá)到15.8%。

  下面從兩個(gè)方面對(duì)多晶硅電池的工藝技術(shù)進(jìn)行討論。

  1. 實(shí)驗(yàn)室高效電池工藝

  實(shí)驗(yàn)室技術(shù)通常不考慮電池制作的成本和是否可以大規(guī);a(chǎn),僅僅研究達(dá)到最高效率的方法和途徑,提供特定材料和工藝所能夠達(dá)到的極限。

  1.1關(guān)于光的吸收

  對(duì)于光吸收主要是:

 。1)降低表面反射;

  (2)改變光在電池體內(nèi)的路徑;

  (3)采用背面反射。

  對(duì)于單晶硅,應(yīng)用各向異性化學(xué)腐蝕的方法可在(100)表面制作金字塔狀的絨面結(jié)構(gòu),降低表面光反射。但多晶硅晶向偏離(100)面,采用上面的方法無法作出均勻的絨面,目前采用下列方法:

  [1]激光刻槽

  用激光刻槽的方法可在多晶硅表面制作倒金字塔結(jié)構(gòu),在500~900nm光譜范圍內(nèi),反射率為4~6%,與表面制作雙層減反射膜相當(dāng)。而在(100)面單晶硅化學(xué)制作絨面的反射率為11%。用激光制作絨面比在光滑面鍍雙層減反射膜層(ZnS/MgF2)電池的短路電流要提高4%左右,這主要是長波光(波長大于800nm)斜射進(jìn)入電池的原因。激光制作絨面存在的問題是在刻蝕中,表面造成損傷同時(shí)引入一些雜質(zhì),要通過化學(xué)處理去除表面損傷層。該方法所作的太陽電池通常短路電流較高,但開路電壓不太高,主要原因是電池表面積增加,引起復(fù)合電流提高。

  [2]化學(xué)刻槽

  應(yīng)用掩膜(Si3N4或SiO2)各向同性腐蝕,腐蝕液可為酸性腐蝕液,也可為濃度較高的氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液,該方法無法形成各向異性腐蝕所形成的那種尖錐狀結(jié)構(gòu)。據(jù)報(bào)道,該方法所形成的絨面對(duì)700~1030微米光譜范圍有明顯的減反射作用。但掩膜層一般要在較高的溫度下形成,引起多晶硅材料性能下降,特別對(duì)質(zhì)量較低的多晶材料,少子壽命縮短。應(yīng)用該工藝在225cm2的多晶硅上所作電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到16.4%。掩膜層也可用絲網(wǎng)印刷的方法形成。

  [3]反應(yīng)離子腐蝕(RIE)

  該方法為一種無掩膜腐蝕工藝,所形成的絨面反射率特別低,在450~1000微米光譜范圍的反射率可小于2%。僅從光學(xué)的角度來看,是一種理想的方法,但存在的問題是硅表面損傷嚴(yán)重,電池的開路電壓和填充因子出現(xiàn)下降。

  [4]制作減反射膜層

  對(duì)于高效太陽電池,最常用和最有效的方法是蒸鍍ZnS/MgF2雙層減反射膜,其最佳厚度取決于下面氧化層的厚度和電池表面的特征,例如,表面是光滑面還是絨面,減反射工藝也有蒸鍍Ta2O5, PECVD沉積 Si3N3等。ZnO導(dǎo)電膜也可作為減反材料。

  1.2金屬化技術(shù)

  在高效電池的制作中,金屬化電極必須與電池的設(shè)計(jì)參數(shù),如表面摻雜濃度、PN結(jié)深,金屬材料相匹配。實(shí)驗(yàn)室電池一般面積比較。娣e小于4cm2),所以需要細(xì)金屬柵線(小于10微米),一般采用的方法為光刻、電子束蒸發(fā)、電子鍍。工業(yè)化大生產(chǎn)中也使用電鍍工藝,但蒸發(fā)和光刻結(jié)合使用時(shí),不屬于低成本工藝技術(shù)。

[$page]  [1]電子束蒸發(fā)和電鍍

  通常,應(yīng)用正膠剝離工藝,蒸鍍Ti/Pa/Ag多層金屬電極,要減小金屬電極所引起的串聯(lián)電阻,往往需要金屬層比較厚(8~10微米)。缺點(diǎn)是電子束蒸發(fā)造成硅表面/鈍化層介面損傷,使表面復(fù)合提高,因此,工藝中,采用短時(shí)蒸發(fā)Ti/Pa層,在蒸發(fā)銀層的工藝。另一個(gè)問題是金屬與硅接觸面較大時(shí),必將導(dǎo)致少子復(fù)合速度提高。工藝中,采用了隧道結(jié)接觸的方法,在硅和金屬成間形成一個(gè)較薄的氧化層(一般厚度為20微米左右)應(yīng)用功函數(shù)較低的金屬(如鈦等)可在硅表面感應(yīng)一個(gè)穩(wěn)定的電子積累層(也可引入固定正電荷加深反型)。另外一種方法是在鈍化層上開出小窗口(小于2微米),再淀積較寬的金屬柵線(通常為10微米),形成mushroom—like狀電極,用該方法在4cm2 Mc-Si上電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到17.3%。目前,在機(jī)械刻槽表面也運(yùn)用了Shallow angle (oblique)技術(shù)。

  1.3 PN結(jié)的形成技術(shù)

  [1]發(fā)射區(qū)形成和磷吸

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