多晶硅太陽能電池制作工藝概述

1、多晶硅太陽能電池制作工藝概述多晶硅太陽能制作工藝概述摘 要 大規(guī)模開發(fā)和利用光伏太陽能發(fā)電，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率和降低生產(chǎn)成本是其核心所IC技術(shù)的滲入和新電在，由于近十年人們對(duì)太陽電池理論認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步深入、生產(chǎn)工藝的改進(jìn)、池結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，電池的轉(zhuǎn)換效率得到較大的提高，大規(guī)模生產(chǎn)上，多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率已接近單 晶硅電池，在非晶硅電池穩(wěn)定性問題未取得較大進(jìn)展時(shí)，多晶硅電池受到人們的關(guān)注，其世界產(chǎn)量已接近單晶硅，本文對(duì)目前多晶硅太陽電池的工藝發(fā)展分別從實(shí)驗(yàn)室工藝和規(guī)?；a(chǎn)兩個(gè)方面作 了比較系統(tǒng)的描述。1緒論眾所周知，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)

2、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)椋?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

3、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100平方厘米的的 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 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5060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 %。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。2.

4、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)模化生產(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。2.1 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 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500900nm 光譜范圍內(nèi)，反射率為46 %，與表面制作雙層減反射膜相當(dāng)。而在（100 ）面

5、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

6、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，225cm2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 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4501000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，

7、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。2.2 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小（面積小于 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)。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 阻，往往需要金屬層比較厚（

8、 8 10 微米） 表面復(fù)合提高，因此，工藝中，采用短時(shí)蒸發(fā) 與多層金屬電極，要減小金屬電極所引起的串聯(lián)電 。缺點(diǎn)是電子束蒸發(fā)造成硅表面Ti/Pa 層，在蒸發(fā)銀層的工藝。/鈍化層介面損傷，使另一個(gè)問題是金屬在硅和金屬（ 如鈦等 ） 可在硅表面硅接觸面較大時(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， 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 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

9、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)。2.3 PN 結(jié)的形成技術(shù)1 發(fā)射區(qū)形成和磷吸雜15XQ.對(duì)于高效太陽能電池，發(fā)射區(qū)的形成一般采用選擇擴(kuò)散，在金屬電極下方形成重雜質(zhì)區(qū)域而 在電極間實(shí)現(xiàn)淺濃度擴(kuò)散，發(fā)射區(qū)的淺濃度擴(kuò)散即增強(qiáng)了電池對(duì)藍(lán)光的響應(yīng)，又使硅表面易于鈍 化。擴(kuò)散的方法有兩步擴(kuò)散工藝、擴(kuò)散加腐蝕工藝和掩埋擴(kuò)散工藝。目前采用選擇擴(kuò)散， 15em2 電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 16.4% ， n+ 、n+ 區(qū)域的表面方塊電阻分別為 20 Q 和 80對(duì)于 Mc Si 材料，擴(kuò)磷

10、吸雜對(duì)電池的影響得到廣泛的研究，較長時(shí)間的磷吸雜過程（一般 小 時(shí)），可使一些 McSi 的少子擴(kuò)散長度提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。在對(duì)襯底濃度對(duì)吸雜效應(yīng)的研究中發(fā) 現(xiàn)，即便對(duì)高濃度的襯第材料，經(jīng)吸雜也能夠獲得較大的少子擴(kuò)散長度（大于 200 微米），電池 的開路電壓大于 638mv, 轉(zhuǎn)換效率超過 17 。2 背表面場(chǎng)的形成及鋁吸雜技術(shù)BN 、 BBr 、APCVD SiO2在 MeSi 電池中，背 p+p 結(jié)由均勻擴(kuò)散鋁或硼形成，硼源一般為B2O8 等，鋁擴(kuò)散為蒸發(fā)或絲網(wǎng)印刷鋁， 800 度下燒結(jié)所完成，對(duì)鋁吸雜的作用也開展了大量的 研 究，與磷擴(kuò)散吸雜不同，鋁吸雜在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行。其中體缺陷也

11、參與了雜質(zhì)的溶解和沉 積，而在較高溫度下，沉積的雜質(zhì)易于溶解進(jìn)入硅中，對(duì)MeSi 產(chǎn)生不利的影響。到目前為至，區(qū)域背場(chǎng)已應(yīng)用于單晶硅電池工藝中，但在多晶硅中，還是應(yīng)用全鋁背表面場(chǎng)結(jié)構(gòu)。3 雙面 Mc Si 電池Me Si雙面電池其正面為常規(guī)結(jié)構(gòu)，背面為N +和P +相互交叉的結(jié)構(gòu)，這樣，正面光照產(chǎn)生的但位于背面附近的光生少子可由背電極有效吸收。背電極作為對(duì)正面電極的有效補(bǔ)充，也作為據(jù)報(bào)道， 在 AM1.5 條件下， 轉(zhuǎn)換效率超過個(gè)獨(dú)立的栽流子收集器對(duì)背面光照和散射光產(chǎn)生作用， 19 。2.4 表面和體鈍化技術(shù)Si-SiO2 界面的復(fù)合速度大大下降，其鈍對(duì)于Me Si，因存在較高的晶界、點(diǎn)缺陷（

12、空位、填隙原子、金屬雜質(zhì)、氧、氮及他們的復(fù)合 物）對(duì)材料表面和體內(nèi)缺陷的鈍化尤為重要，除前面提到的吸雜技術(shù)外，鈍化工藝有多種方法， 通 過熱氧化使硅懸掛鍵飽和是一種比較常用的方法，可使 化 效果取決于發(fā)射區(qū)的表面濃度、界面態(tài)密度和電子、空穴的浮獲截面。在氫氣氛中退火可使鈍化 效 果更加明顯。采用 PECVD 淀積氮化硅近期正面十分有效，因?yàn)樵诔赡さ倪^程中具有加氫的效果。 該 工藝也可應(yīng)用于規(guī)?；a(chǎn)中。應(yīng)用 Remote PECVD Si3N4 可使表面復(fù)合速度小于 20em/s 。3 工業(yè)化電池工藝太陽電池從研究室走向工廠，實(shí)驗(yàn)研究走向規(guī)?；a(chǎn)是其發(fā)展的道路，所以能夠達(dá)到工業(yè) 化生產(chǎn)的特征

13、應(yīng)該是：1電池的制作工藝能夠滿足流水線作業(yè)；2能夠大規(guī)模、現(xiàn)代化生產(chǎn)；3達(dá)到高效、低成本。當(dāng)然，其主要目標(biāo)是降低太陽電池的生產(chǎn)成本。目前多晶硅電池的主要發(fā)展方向朝著大面積、薄襯底。例如，市場(chǎng)上可見到125X 125mm2 、150X 150mm2 甚至更大規(guī)模的單片電池，厚度從原來的 300 微米減小到目前的 250 、 200 及 200 微米以下。效率得到大幅度的提高。日本京磁（Kyocera ）公司150X 150的電池小批量生產(chǎn)的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到17.1% ，該公司1998年的生產(chǎn)量達(dá)到 25.4MW 。1 ）絲網(wǎng)印刷及其相關(guān)技術(shù) 多晶硅電池的規(guī)?；a(chǎn)中廣泛使用了絲網(wǎng)印刷工藝，該工藝

14、可用于擴(kuò)散源的印刷、正面金 屬電極、背接觸電極，減反射膜層等，隨著絲網(wǎng)材料的改善和工藝水平的提高，絲網(wǎng)印刷工藝在 太陽電池的生產(chǎn)中將會(huì)得到更加普遍的應(yīng)用。a. 發(fā)射區(qū)的形成 利用絲網(wǎng)印刷形成 PN 結(jié)，代替常規(guī)的管式爐擴(kuò)散工藝。一般在多晶硅的正面印刷含磷的漿 料、在反面印刷含鋁的金屬漿料。印刷完成后，擴(kuò)散可在網(wǎng)帶爐中完成（通常溫度在 900 度）， 這 樣，印刷、烘干、擴(kuò)散可形成連續(xù)性生產(chǎn)。絲網(wǎng)印刷擴(kuò)散技術(shù)所形成的發(fā)射區(qū)通常表面濃度比較 高，則表面光生載流子復(fù)合較大，為了克服這一缺點(diǎn)，工藝上采用了下面的選擇發(fā)射區(qū)工藝技術(shù)， 使電池的轉(zhuǎn)換效率得到進(jìn)一步的提高。b. 選擇發(fā)射區(qū)工藝 在多晶硅電池的

15、擴(kuò)散工藝中，選擇發(fā)射區(qū)技術(shù)分為局部腐蝕或兩步擴(kuò)散法。局部腐蝕為用干 法（例如反應(yīng)離子腐蝕）或化學(xué)腐蝕的方法，將金屬電極之間區(qū)域的重?cái)U(kuò)散層腐蝕掉。最初，Solarex 應(yīng)用反應(yīng)離子腐蝕的方法在同一臺(tái)設(shè)備中，先用大反應(yīng)功率腐蝕掉金屬電極間的重?fù)诫s 層，再用小功率沉積一層氮化硅薄膜， 該膜層發(fā)揮減反射和電池表面鈍化的雙重作用。 在 100cm2 的多晶上作出轉(zhuǎn)換效率超過 13 的電池。在同樣面積上，應(yīng)用兩部擴(kuò)散法，未作機(jī)械絨面的情況 下轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 16 。c. 背表面場(chǎng)的形成 背 PN 結(jié)通常由絲網(wǎng)印刷 A 漿料并在網(wǎng)帶爐中熱退火后形成，該工藝在形成背表面結(jié)的同時(shí)，對(duì) 多晶硅中的雜質(zhì)具有良好的吸除

16、作用，鋁吸雜過程一般在高溫區(qū)段完成，測(cè)量結(jié)果表明吸雜作用 可 使前道高溫過程所造成的多晶硅少子壽命的下降得到恢復(fù)。良好的背表面場(chǎng)可明顯地提高電池的 開 路電壓。d. 絲網(wǎng)印刷金屬電極 在規(guī)?；a(chǎn)中，絲網(wǎng)印刷工藝與真空蒸發(fā)、金屬電鍍等工藝相比，更具有優(yōu)勢(shì)，在目前的工藝 中，正面的印刷材料普遍選用含銀的漿料，其主要原因是銀具有良好的導(dǎo)電性、可焊性和在硅中 的) 如柵線) 不適合表面鈍化，主50 微米的柵線，有人在15X 15平方厘低擴(kuò)散性能。經(jīng)絲網(wǎng)印刷、退火所形成的金屬層的導(dǎo)電性能取決于漿料的化學(xué)成份、玻璃體的含 量、絲網(wǎng)的粗糟度、燒結(jié)條件和絲網(wǎng)版的厚度。八十年度初，絲網(wǎng)印刷具有一些缺陷，i 寬度較大，通常大于 150微米；ii )造成遮光較大，電池填充因子較低；iii 要 是表面擴(kuò)散濃度較高，否則接觸電阻較大。目前用先進(jìn)的方法可絲網(wǎng)印出線寬達(dá) 厚 度超過15微米，方塊電阻為2.54mQ ，該參數(shù)可滿足高效電池的要