晶體硅太陽電池的基本原理和制造工藝流程

1、第一章 晶體硅太陽電池的基本原理和制造工藝流程晶體硅太陽電池已經(jīng)成為當(dāng)今光伏工業(yè)的主流，隨著單晶硅、多晶硅太陽電池工廠的新近投資，這種作用還將持續(xù)下去1 Martin A. Green，Present and Future of Crystalline Silicon Solar Cells， Technical Digest of the International PVSEC-14, Bangkok, Thailand, 2004 PL-4。從1954年Chapin，F(xiàn)uller和Pearson研制成功硅PN結(jié)太陽電池以來，這一利用p-n 結(jié)光伏效應(yīng)工作的器件經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的改進(jìn)和演變，發(fā)展

2、成為具有多種幾何結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的制造流程的一類太陽電池產(chǎn)品。到目前為止，盡管被稱為“第二代光伏器件”的薄膜太陽（CdTe、CIS、非晶硅、微晶硅、多晶硅、硅-鍺合金）電池也取得了進(jìn)展，但在短期內(nèi)仍然無法替代晶體硅太陽電池。關(guān)于太陽電池的基本特性，Hovel已作出了全面的論述2 H. J. Hovel, Solar Cells, in R. K. Willardson and A. C. Beer, Eds., Semiconductors and Semimetals. Vol. 11. Academic, New York, 1975: “Photovoltaic Materials and D

3、evices for Terrestrial Applications.” IEEE Tech. Dig. Int. Electron Device Meet.,1979. p. 3.2。我們按照太陽電池的器件結(jié)構(gòu)、硅p-n結(jié)太陽電池的基本工作原理到一般的制造工藝流程的順序進(jìn)行介紹。1. 晶體硅太陽電池的器件結(jié)構(gòu)晶體硅太陽電池的基本結(jié)構(gòu)見圖1.，它由擴(kuò)散法在表面形成的淺PN結(jié)，正面歐姆接觸柵格電極，覆蓋于整個(gè)背面的歐姆接觸電極以及正面減反射膜構(gòu)成。 圖1. 硅PN結(jié)太陽電池基本結(jié)構(gòu) 圖2. PERT太陽電池結(jié)構(gòu)高效率晶體硅太陽電池則有著更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和制造流程，如鈍化發(fā)射極太陽電池PESC (

4、passivated emitter solar cell) ，鈍化發(fā)射極和背面太陽電池PERC (passivated emitter and rear cell)，鈍化發(fā)射結(jié)背面點(diǎn)接觸太陽電池PERL (passivated emitter, rear locally-diffused) cells，鈍化發(fā)射極背面全擴(kuò)散太陽電池PERT (passivated emitter, rear totally-diffused) cells，具有本征層的(a-Si)/ (c-Si)異質(zhì)結(jié)太陽電池(HITTM電池)，傾斜蒸發(fā)電極MIS-n+p 太陽電池OECO（obliquely-evaporat

5、ed-contact），V型機(jī)械刻槽埋柵電極太陽電池(Buried Contact Solar Cell with V-grooved surface)，背面接觸電極太陽電池(Backside Contact Solar Cell)等等。這些高效率晶體硅太陽電池，主要特點(diǎn)是充分考慮到引起光電轉(zhuǎn)換效率損失的因素，在器件結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了仔細(xì)的設(shè)計(jì)。圖2.、 圖3.所示分別為PERT太陽電池、 PERL太陽電池結(jié)構(gòu)。 圖3. PERL太陽電池結(jié)構(gòu) 圖4.絲網(wǎng)印刷電極太陽電池結(jié)構(gòu)目前商業(yè)化生產(chǎn)的大多數(shù)晶體硅太陽電池，采用1970年代開發(fā)出的絲網(wǎng)印刷電極結(jié)構(gòu)，見圖4。這種結(jié)構(gòu)的太陽電池具有制造過程簡單，設(shè)備

6、產(chǎn)能較高的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是采用絲網(wǎng)印刷的正面電極在解決金屬半導(dǎo)體接觸電阻和PN結(jié)的光電特性以及遮光問題之間不能令人滿意。激光刻槽埋柵電極太陽電池，見圖5，是澳大利亞新南威爾士大學(xué)光伏研究中心Martin A. Green教授及其研究團(tuán)組，在1980年代將實(shí)驗(yàn)室高效晶體硅太陽電池技術(shù)低成本應(yīng)用于商業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)范例。這種太陽電池的優(yōu)點(diǎn)是正面兼有輕摻雜的受光區(qū)域和重?fù)诫s的電極接觸區(qū)域（激光刻槽），因此，在改善金屬半導(dǎo)體接觸電阻時(shí)，不必犧牲正面受光區(qū)域的PN結(jié)光電特性，同時(shí)可以最大限度地減小電極的遮光面積。缺點(diǎn)是設(shè)備產(chǎn)能較低。 圖3. 激光刻槽埋柵電極太陽電池結(jié)構(gòu) 圖4. 絲網(wǎng)印刷選擇性發(fā)射極示意絲網(wǎng)印刷

7、選擇性發(fā)射極太陽電池，在器件結(jié)構(gòu)上與激光刻槽埋柵電極太陽電池相似，在制造工藝上更加簡化，電極接觸的“重”摻雜區(qū)和接收光照的“輕”摻雜區(qū)使用絲網(wǎng)印刷磷漿在一次擴(kuò)散步驟中形成，見圖4.。2.硅PN結(jié)太陽電池的基本工作原理2.2.1 太陽輻射3 施敏. 著，黃振崗 譯，半導(dǎo)體器件物理，電子工業(yè)出版社，1987年12月第一版。太陽發(fā)出的輻射能來自核聚變反應(yīng)。每秒鐘約有61011kg的H2轉(zhuǎn)變?yōu)镠e，凈質(zhì)量損失約為4103kg，這一質(zhì)量損失通過愛因斯坦關(guān)系（E=mc2）轉(zhuǎn)變?yōu)?1012J的能量。此能量主要作為從紫外到紅外和無線電頻段（0.2至3m）的電磁輻射發(fā)射出去。太陽的總質(zhì)量目前約為21030kg，

8、估計(jì)有近乎恒定輻射能輸出的相當(dāng)穩(wěn)定的壽命要超過100億年。在日地平均距離的自由空間內(nèi)的同樣輻射強(qiáng)度定義為太陽常數(shù)，其值4 C. E. Backus, Ed., Solar Cells, IEEE Press, New York, 1976.45 M. P. Thekaekara, “Date on Incident Solar Energy.” Suppl. Proc. 20th Annu. Meet. Inst. Environ. Sci., 1974. p.21.5為1353W/m2。當(dāng)陽光到達(dá)地表時(shí)，大氣層要使陽光減弱，主要原因是在紅外波段的水汽吸收，紫外波段的臭氧層吸收，以及受飛塵和懸

9、浮微粒的散射。大氣層對地表處接收到的陽光的影響程度定義為“大氣質(zhì)量”。太陽與天頂夾角的正割（sec）稱為大氣質(zhì)量，用以度量大氣層路程與太陽正當(dāng)頂時(shí)最短路程的相對值。圖5.示出了與太陽光譜輻照度5（單位波長單位面積的功率）相關(guān)的四條曲線。上部的曲線代表地球大氣層以外的太陽光譜，是大氣質(zhì)量為零的狀態(tài)（AM0）。此狀態(tài)可用5800K的黑體近似。AM0譜是與人造衛(wèi)星和宇宙飛船應(yīng)用相關(guān)的光譜。AM1譜代表太陽位于天頂時(shí)地表的陽光；入射功率約為925W/m2。AM2譜是對于=60而言的，其入射功率約為691W/m2。大氣質(zhì)量1.5的狀態(tài)（太陽與地平線成45角）代表地面應(yīng)用的滿意的加權(quán)能量平均值。AM1.5

10、情形單位時(shí)間單位面積的單位能量光子數(shù)6 C.H.Henry, “Limiting Efficiency of Ideal Single and Multiple Energy Gap Terrestrial Solar Cells,” J. Appl. Phvs.51 4494 (1980) 示于圖6.，圖中還一并示出AM0的情形。為了將波長轉(zhuǎn)變成光子能量，我們應(yīng)用了下述關(guān)系 （1）AM1.5情形的總?cè)肷涔β蕿?44 W/m2。圖5. 與太陽光譜相關(guān)的四條曲線（引自Thekaekara 的參考文獻(xiàn)5）圖6. 在AM0和AM1.5狀態(tài)的太陽光譜與光子能量的關(guān)系及相關(guān)半導(dǎo)體材料的帶隙、理論光電轉(zhuǎn)換

11、效率（引自Henry的參考文獻(xiàn)6）要進(jìn)行太陽能發(fā)電，還必須了解在不同地點(diǎn)預(yù)計(jì)全年有多少太陽能。2.2.2 光譜響應(yīng)3當(dāng)波長為的單色光入射到太陽電池正面時(shí)，光電流和光譜響應(yīng)（在各波長下每個(gè)入射光子所收集的載流子數(shù)）可推導(dǎo)如下。在距半導(dǎo)體表面x處的電子空穴對產(chǎn)生率示于圖8.（a），表達(dá)式可以寫成： （2）圖8. （a）對于長波和短波光，電子空穴對產(chǎn)生率與到半導(dǎo)體表面距離的關(guān)系。（b）太陽電池尺寸和少數(shù)載流子擴(kuò)散長度。（c）太陽電池的假設(shè)突變摻雜分布。式中為吸收系數(shù)，為單位帶寬每cm2每s的入射光子數(shù)，為這些光子的表面反射率2。硅的光吸收系數(shù)見圖9.。圖9. 晶體硅的光吸收系數(shù)在小注入條件下，對p型

12、半導(dǎo)體中的電子，一維穩(wěn)態(tài)連續(xù)性方程為 （3）對n型半導(dǎo)體中的空穴，為 （4）電流密度方程為 （5） （6）對于結(jié)每側(cè)為恒定摻雜的突變pn結(jié)太陽電池，在圖8.（b）和（c）耗盡區(qū)以外沒有電場，在有n型正面和p型底面的p-n結(jié)的情形，可將方程（2）、（4）、（6）聯(lián)立解得到接上側(cè)的表達(dá)式： （7）此方程的一般解為 （8）式中，為擴(kuò)散長度。有兩個(gè)邊界條件。在表面，有復(fù)合速度為的表面復(fù)合： （9）在耗盡層邊緣，因受耗盡區(qū)電場的作用，過剩載流子密度很低： 在處 （10）在方程（8）中代入這些邊界條件，得到空穴密度為 （11）最終得到耗盡區(qū)邊緣的空穴光電流密度為 （12）假定該p-n結(jié)太陽電池的正面區(qū)域在

13、壽命、遷移率和摻雜濃度等方面都是均勻的，在給定波長下，這一光電流就可以從電池的正面被收集到。為了求得從電池底面收集到的電子光電流，要采用方程式（2）、（3）、（5），其邊界條件為： 在處 （13） 在處 （14）式中，W為耗盡層寬度，H為整個(gè)電池的寬度。方程（13）說明，在耗盡層邊緣，過剩少數(shù)載流子密度接近于零，而方程（14）說明，背表面復(fù)合在歐姆接觸處發(fā)生。引用這些邊界條件后，在均勻摻雜p型底面的電子分布為 （15）在耗盡區(qū)邊緣處被收集到的電子所產(chǎn)生的光電流為 （16）式中為圖8.(b)所示的p型底面中性區(qū)。方程（16）是在假定底面區(qū)域在壽命、遷移率和摻雜濃度都是均勻分布的情況下推導(dǎo)出來的。

14、若這些量是距離的函數(shù)，就必須應(yīng)用數(shù)值分析。在耗盡區(qū)內(nèi)也產(chǎn)生一些光電流。該區(qū)內(nèi)的電場通常很高，光生載流子在能夠復(fù)合之前就受到加速而被掃出耗進(jìn)區(qū)。單位帶寬的光電流等于被吸收的光子數(shù)。 （17）于是，在給定波長下的總光電流為方程（15）、（16）、（17）之和： （18）對于從外部觀察到的光譜響應(yīng)，此光譜響應(yīng)（SR）等于方程（18）除以qF；對于內(nèi)部光譜響應(yīng)，光譜響應(yīng)等于方程（18）除以qF（1R）。 （19）對于能隙為Eg的半導(dǎo)體，理想的內(nèi)部響應(yīng)是一階躍函數(shù)，在時(shí)等于零，在時(shí)等于1（如圖9.（a）的點(diǎn)劃線所示）。對于Si n/p太陽電池，計(jì)算得到的逼真的內(nèi)部光譜響應(yīng)示于圖9.(a)，此光譜響應(yīng)在高

15、光子能量下大大偏離理想化階躍函數(shù)2。此圖還示出了三個(gè)區(qū)域各自對光譜響應(yīng)的貢獻(xiàn)。器件參數(shù)為ND=51019cm-3，NA=1.51016cm-3，p=0.4s，n=10s，xj=0.5m，H=450m，S（正面）=104cm/s和S（背面）=。當(dāng)光子能量低時(shí)，由于硅的吸收系數(shù)低，在底面區(qū)域產(chǎn)生大部分載流子，當(dāng)光子能量增加到2.5eV 以上，正面區(qū)域的載流子產(chǎn)生占優(yōu)勢，超出3.5eV時(shí)，變得大于106cm-1，光譜響應(yīng)完全來自正面區(qū)域，因?yàn)榧僭O(shè)Sp很高，在正面區(qū)域的表面復(fù)合導(dǎo)致與理想光譜響應(yīng)的很大偏離。當(dāng)并且時(shí)，光譜響應(yīng)趨近于漸近值（即從方程（12）正面光電流得到的值）： （20）表面復(fù)合速度Sp

16、在光子能量高時(shí)對光譜響應(yīng)尤有顯著的影響，對于與圖9.(a)有同樣參數(shù)（只是Sp從102變化到106cm/s）的器件，表面復(fù)合速度效應(yīng)示于圖9.(b)。隨著Sp的增加，光譜響應(yīng)劇烈下降。方程（20）還表明，當(dāng)Sp給定時(shí)，可通過增加擴(kuò)散長度Lp來改善光譜響應(yīng)。一般來說，為了增加有用波段的SR值，應(yīng)同時(shí)增加Lp和Ln并同時(shí)降低Sp和Sn。圖9.(a) Si p-n結(jié)太陽電池經(jīng)計(jì)算得到的內(nèi)部光譜響應(yīng)，圖中示出了三個(gè)區(qū)域各自的貢獻(xiàn)（點(diǎn)劃線是對于理想響應(yīng)而言的）。（b）Si p-n結(jié)太陽電池當(dāng)有不同的表面復(fù)合速度時(shí)經(jīng)計(jì)算得到的內(nèi)部光譜響應(yīng)（引自Hovel的參考文獻(xiàn)2）一旦得知光譜響應(yīng)，從圖5.所示的太陽光

17、譜分布F（）得到的總光電流密度為 （21）式中為對應(yīng)于半導(dǎo)體帶隙的最長波長。為了得到最大的JL值，應(yīng)使波段的R()值增至最大。2.2.3 I-V特性晶體硅太陽電池的等效電路可以表示成圖10.所示的形式。Rse表示來自電極接觸、基體材料等歐姆損耗的串聯(lián)電阻，Rsh表示來自泄漏電流的旁路電阻，RL表示負(fù)載電阻，ID表示二極管電流，IL表示光生電流。圖10. 晶體硅太陽電池的等效電路根據(jù)等效電路，可以寫出pn結(jié)太陽電池的IV特性方程如下： （22）將p-n結(jié)二極管電流方程 （23）代入方程（22）可以得到輸出電流為： （24）式中q為電子電量， k為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，n為二極管質(zhì)量因子。對

18、于實(shí)際的太陽電池，二極管正向電流的數(shù)值由中性區(qū)的擴(kuò)散電流和耗盡區(qū)內(nèi)的復(fù)合電流組成。當(dāng)復(fù)合電流占優(yōu)勢時(shí)，因子n=2，當(dāng)擴(kuò)散電流占優(yōu)勢時(shí)，n=1，當(dāng)兩種電流可以比擬時(shí)，n介于1到2之間。當(dāng)Rsh足夠大，并聯(lián)電阻引起的旁路電流可以忽略不記時(shí)。輸出功率可以表示為： （25）圖11所示為絲網(wǎng)印刷電極晶體硅太陽電池典型的IV曲線和PV曲線。短路電流Isc表示太陽電池輸出端短路情況下能夠輸出的電流，開路電壓Voc表示輸出端負(fù)載電阻無窮大即輸出端開路狀況下的輸出電壓，最大功率Pm表示輸出的最大功率，Vpm和Ipm分別表示與最大功率點(diǎn)對應(yīng)的輸出電壓和輸出電流。填充因子FF定義為 （26）光電轉(zhuǎn)換效率定義為 （27）式中Pin為輸入太陽電池的光功率。要獲得最高的轉(zhuǎn)換效率，應(yīng)使FF、Isc和Voc都最大。提高FF和Voc的途徑是減小復(fù)合電流；