提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率,降低生產(chǎn)成本：應(yīng)用微電子領(lǐng)域的經(jīng)

1、引論2008年，太陽能光電產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了第一個實現(xiàn)“電網(wǎng)平價”的光伏系統(tǒng)1。據(jù)預(yù)測，到2012年 2，整個歐洲南部都將實現(xiàn)“電網(wǎng)平價”，而意大利的某些地區(qū)也已經(jīng)實現(xiàn)該目標(biāo)。光伏設(shè)備的廣泛引進將會使價格水平下降到1/Wp以下，而且在這個價格水平下，晶體硅光伏模塊的外觀可能會變得與現(xiàn)在不一樣。許多種分析顯示：要想使晶體硅光伏模塊成本低于1/Wp，就必須做出很多巨大技術(shù)改革3。成本的降低必須依賴以下條件：完善的制造規(guī)范、縱向一體化、規(guī)模經(jīng)濟（工廠規(guī)?？赡軙U大10倍）、地區(qū)生產(chǎn)量的提高和生產(chǎn)過程的標(biāo)準(zhǔn)化，除此之外，技術(shù)的不斷創(chuàng)新也十分重要。就模塊生產(chǎn)成本而言，每產(chǎn)生1個單位的電池輸出功率（Wp）所需要的

2、成本中，硅就大概占了生產(chǎn)成本的40%3。目前，每產(chǎn)生一瓦特的電量，需要使用8-9克的硅，而在不久的將來，我們必須大幅度降低硅的使用量，從而降低成本。而更高效的太陽能電池在降低模塊加工成本方面也起著同樣重要的作用。光伏產(chǎn)業(yè)的ICT技術(shù)：機遇在哪里？現(xiàn)在有很多可用于高級硅基設(shè)備和微系統(tǒng)的加工技術(shù)，但是都還沒有應(yīng)用于光伏產(chǎn)業(yè)，然而這種情況將被改變。圖一中列出了多種加工技術(shù)，研究人員根據(jù)其是否有助于提高電池效率或者減少硅的消耗，對其進行了下述分類。提高發(fā)射極摻雜分布，與POCl3擴散技術(shù)相比，前者效果更好。通過運用外延技術(shù)，可以得到最大的靈活性。接近理想的摻雜曲線分布的形成過程如下：首先，發(fā)射極要低濃

3、度摻雜（以提高對紫外線的反應(yīng)），然后在表面進行高濃度的摻雜（作為前表面場并減少接觸電租）（圖二）。太陽能行業(yè)若要提高生產(chǎn)量，其中一個重要步驟就是使用批次式化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)4。因為離子注入機也能達到所要求的精度，因此該技術(shù)再次被應(yīng)用到光伏行業(yè)5。而對于晶格損傷譜的應(yīng)用，人們經(jīng)常有不同的擔(dān)憂。但是近期研究表明，適量離子濃度，能量和熱退火條件能有效地包容晶格損傷，而且能與單晶硅上的高效器件兼容。我們期望離子注入機的運用能加快高產(chǎn)量工具（比如P3i）的出現(xiàn)，從而彌補半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和光伏產(chǎn)業(yè)間生產(chǎn)力的差距。與運用激光燒蝕法和鍍銅法等完善的金屬化體系相比較（圖三），用摻雜的方法提高效率的幾率就大多了。與復(fù)雜的

4、電鍍銀網(wǎng)格印刷不同，提高太陽能電池光電轉(zhuǎn) 換效率，降低生產(chǎn)成本：應(yīng)用微電子領(lǐng)域的經(jīng)驗Kris Baert & Jef Poortmans IMEC, Leuven, Belgium此技術(shù)文章出自第七期Photovoltaics International雜志。摘要光伏產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)成本將有望降至低于1/Wp。但要達到這個目標(biāo)，晶片、太陽能電池和模塊方面都將面臨諸多重大的技術(shù)改革。為了在眾多可供選擇的解決方案中甄選出具有研究價值的方案、加快新技術(shù)的學(xué)習(xí)速度，光伏產(chǎn)業(yè) （包括設(shè)備經(jīng)銷商，材料供應(yīng)商和光伏生產(chǎn)商）所涉及到的眾多廠商要在國際半導(dǎo)體技術(shù)藍圖（ITRS）的指導(dǎo)下通力合作，共同致力于提高

5、太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率，降低生成成本的技術(shù)革新，從而使整個產(chǎn)業(yè)從中受益。本文介紹了微電子研究中心（IMEC）的路線圖，明確其的目的是在將電池效率提高20%和大幅減少晶片厚度的前提下，大幅度減少每Wp (Watt Peak純硅的使用量。 這個體系可以實現(xiàn)獨立的發(fā)射濃度分布和金屬化體系的最優(yōu)化。而轉(zhuǎn)化率高達18.5%的太陽能電池也已面市 6。剩下的挑戰(zhàn)就是要開發(fā)能保用25年以上的自對準(zhǔn)種子層阻擋層。為了防止銅在硅片中擴散，現(xiàn)有的幾種擴散阻擋層均能有效地阻止銅在硅片中擴散。要超越單結(jié)太陽能電池的極限，也許最終還需要用到量子裝置技術(shù)，比如可以在全硅連結(jié)太陽能電池中使用寬帶隙(1.7eV的納米線7。改善

6、電介質(zhì)對于提高轉(zhuǎn)化率和減少活性硅的用量同樣重要。典型的氮化硅作為表面鈍化層不提供能在表面重組的條件。原子層沉積技術(shù)（比如，熱的醛固酮使三氧化二鋁沉積）因其獨特的電鈍化和化學(xué)鈍化的有效結(jié)合而被廣泛推行，而且其過程的重復(fù)性也與其他處理方式相兼容。經(jīng)證明，其重組的速度低至10厘米每秒8。這些阻擋層已經(jīng)在工業(yè)太陽能電池上得到了廣泛應(yīng)用9。而對于很薄的太陽能電池，超越紋理化的光學(xué)增強體系對保持紅外線高收集率有很大幫助，比如（亞微米級的）光柵也許將被用于實際生產(chǎn)過程中。可以說，我們至今還不能大量生產(chǎn)薄晶片的一個最重要的原因，是我們?nèi)狈梢陨a(chǎn)比150微米薄的晶片的設(shè)備。但這不是新出現(xiàn)的問題。如果把薄晶片的

7、轉(zhuǎn)移和處理系統(tǒng)發(fā)展為3D集成一體化，這樣就可以加工厚度只有50微米甚至20微米的硅晶片了。這些運載和轉(zhuǎn)移技術(shù)的一部分可以運用到光伏領(lǐng)域?？梢酝耆苊馐褂镁囊粋€方法是利用外延太陽能電池，這些外延太陽能電池是以低成本的硅作為基底的。將這個方法工業(yè)化的最大難點在于是否能得到如此高產(chǎn)量的外延生產(chǎn)系統(tǒng)。而現(xiàn)在光伏產(chǎn)業(yè)正在研發(fā)高產(chǎn)量外延系統(tǒng)的不同的反應(yīng)爐概念和模型。超薄晶硅太陽能電池產(chǎn)品規(guī)劃圖上述技術(shù)的潛力顯而易見，但是要把它們引進到光伏生產(chǎn)線的話，所面臨的費用是巨大的，需要各廠商共同努力解決。為了在眾多可供選擇的解決方案中甄選出具有研究價值的方案、加快新技術(shù)的學(xué)習(xí)速度，光伏產(chǎn)業(yè)（包括設(shè)備經(jīng)銷商，材料

8、供應(yīng)商和 光伏生產(chǎn)商）所涉及到的眾多廠商要 在國際半導(dǎo)體技術(shù)藍圖（ITRS）的指導(dǎo)下通力合作，共同致力于提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率，降低生成成本的技術(shù)革新，從而使整個產(chǎn)業(yè)從中受益。圖四展現(xiàn)了未來二十年內(nèi)硅薄膜厚度的預(yù)期發(fā)展曲線。今天，以薄膜為基礎(chǔ)的處理概念看起來還任重道遠，但一旦成功，就可以生產(chǎn)出厚度僅為40微米的太陽能電池。為了實現(xiàn)這個終極目標(biāo)，還需要經(jīng)過幾個發(fā)展階段。PERL與背接觸式太陽能電池PERC與類PERL概念從邏輯上來說，是當(dāng)今前接觸太陽能電池生產(chǎn)線的發(fā)展趨勢，即工業(yè)效率為20%的120微米的晶片，所以我們希望這些概念能盡早進入市場。但是，因為背接觸太陽能電池自身轉(zhuǎn)化率的優(yōu)越性（

9、無陰影），再加上它們的平面加工性質(zhì)（因為很多加工過程只能促進薄膜電池嵌入模塊的晶片的單面），所以我們相信背接觸太陽能電池能在這條路上走得更遠。如今所用的180微米晶片制作的背接觸太陽能電池仍對擴散長度有著很高的要求，它需要用到更昂貴的晶片。但是，因為現(xiàn)在薄晶片的使用更廣泛了，在市場份額的占有上，硅可能會取代前端接觸式太陽能電池的地位。超薄晶片，太陽能電池和模塊集成說到超薄太陽能電池（40微米的超薄型太陽能電池），到目前為止還沒有能以低成本生產(chǎn)出高質(zhì)量超薄晶片的技術(shù)，雖然線鋸切割加工技術(shù)或整線全聯(lián)線電池片生產(chǎn)能力高達每小時3300片或100MW ，95%的設(shè)備源于您的一站式供應(yīng)商。Catch t

10、he Power.Gebr. Schmid GmbH + Co. | 72250 Freudenstadt | Germany | phone: +49 7441 538-0 | fax: -121 | infoschmid- | www.schmid-現(xiàn)在使用選擇性發(fā)射極技術(shù) ！許能將晶片厚度限制在100微米以內(nèi)，但是所導(dǎo)致的切損也差不多相當(dāng)于這個寬度。帶鋸要么受到材料使用壽命的限制，要么受工業(yè)批量生產(chǎn)的限制。全球都在研究相關(guān)技術(shù)，Silicon Genesis開發(fā)的技術(shù)當(dāng)屬此列10。而大學(xué)微電子中心(IMEC正在研究另一個可行方案，該方案將應(yīng)力感應(yīng)剝離技術(shù)裁削出100微米以下無切損的薄晶片

11、11。該無切損晶片制造技術(shù)前途光明，已能制造出50微米以下的晶片，而且整個工藝可節(jié)省6倍的材料。而生產(chǎn)如此薄的硅層難點在于加工過程中要以新型的晶片操作概念為依靠，晶片在某種程度上需要有支撐體，而對可運用的支持體是有限制的，所以這就需要回顧整個加工過程。在這種情況下，很有可能會運用到3D集成場效應(yīng)的載流子支持技術(shù)。因為太陽能電池的晶片越來越薄，它對模塊集成提出的要求就更具體了。在裝配過程中，因為存在熱應(yīng)力，傳統(tǒng)的串接和印刷過程很可能在已經(jīng)變薄的太陽能電池上造成裂痕。而就背接觸式太陽能電池而言，已經(jīng)制造出了一種模塊集成體系，這種體系是在“flip-wafers”覆晶裝置的Laminate（一種薄片

12、材料，用來保護電池板芯片，例如EVA或Tedlar通過該物質(zhì)將電池板芯片整個用透）襯底上加入導(dǎo)電粘合劑或者軟焊球，但是這種體系還沒有廣泛使用。一個值得關(guān)注的替代方法就是用平面加工把背接觸式太陽能薄片電池嵌入模塊玻璃，這種超層內(nèi)連結(jié)技術(shù)也很具吸引力。這是一個應(yīng)用新概念的方法，已經(jīng)有效地生產(chǎn)出了超薄半導(dǎo)體集成電路12。與襯底基板集成相比，這個方法在減少材料消耗和降低生產(chǎn)成本方面更具優(yōu)勢。由于模塊集成技術(shù)對于光伏系統(tǒng)的使用壽命來說是一個非常重要的因素，所以只有經(jīng)過深思熟慮，對各相關(guān)方面百般斟酌，才能將改進的電池模塊集成概念成功地引入市場。這需要建立光伏模塊的老化模型，而這種模型可以通過測量熱力和化學(xué)

13、屬性、失效機制、效果分析和有限元模擬得到結(jié)果，然后就可以進行加速老化測試。外延薄膜太陽能電池但是在對光捕獲的了解不深的情況下，我們怎么能知道太陽能電池究竟能做到多薄呢？當(dāng)我們用外延薄膜太陽能電池的時候就發(fā)現(xiàn)了令人驚喜的成果（參見圖四第二行）。只需薄薄的一層硅膜（外延生長）即可取代太陽能電池的作用。這里運用了精細的光學(xué)增強體系，在電池的背面（外延層與襯底之間）有一層多孔可滲透的硅層作為光柵。這個光柵反射光伏產(chǎn)業(yè)的開放式創(chuàng)新過去，與微電子行業(yè)的快速發(fā)展相比，在現(xiàn)有的太陽能電池生產(chǎn)線基礎(chǔ)上的實現(xiàn)生產(chǎn)變更和引進的過程是相當(dāng)緩慢的。除了可靠性問題以外，投資收益也是一個問題。因為現(xiàn)有的光伏公司眾多，還有新

14、的投資者不斷從微電子行業(yè)涌入，他們半導(dǎo)體操作的強大背景和對于新處理方式的快速洞察力，可以促進新技術(shù)的引進。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的不斷擴大，光伏相關(guān)設(shè)備的花費就降低了。大學(xué)微電子中心（IMEC）根據(jù)這個硅光伏路線圖，推出了一個用晶片制作的太陽能硅電池（硅光伏）項目。這個項目目的在于應(yīng)用新一代晶體硅太陽能電池所需的主要加工技術(shù)。這個概念，結(jié)合了財富與智力資源，是合作模型的創(chuàng)新。這個模型在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為了一個固定的方法，用以提高IC生產(chǎn)者經(jīng)銷商和供應(yīng)商之間的合作。要把這個模型運用到光伏行業(yè)里，項目中各光伏生產(chǎn)合作伙伴間需要特別注意是否會造成關(guān)系的分化。參考文獻1 Wang, U. 2008, “Firs

15、t Solar Reaches Grid-Parity Milestone, Says Report”, Greentech Media Repor t , December 16, 2008 available online at http:/www. .2 Milner, A. 2008, “The Solar Industry within the SET-Plan”, 5th EU PV Industry Forum, Valencia, Spain.3 del Canizo, C. et al. W. C. 2008, “Crystalline silicon solar modul

16、e technology: towards the 1 Euro per Watt-peak goal”, Progress in Photovoltaics.4 Ritter, G. et al. Z.J. 2000, “Low temperature Si epitaxy in a vertical LPCVD batch reactor”, Materials Science and Engineering, B73, pp.203-207.5 Janssens, T. et al . J. 2009, “Advanced phosphorus emitters for high eff

17、iciency Si solar Cells”, 24th EUPVSEC, Hamburg, Germany.6 Pos thuma, N.E. et al . 2009,“Investigation of Cu plated contacts for Silicon solar cells”, 24th EUPVSEC, Hamburg, Germany.7 Kurstjens, R. et al. 2009, MRS Fall meeting, Boston, MA, USA.8 Agostinelli, G. et al. 2006, Sol. Energ. Mat. Sol. C.,

18、 90, pp. 3438-3443.9 Vermang , B. et al . 2009, “Characterization and implementation of thermal ALD Al2O3 as surface passivation for industrial Si solar cells, 24th EUPVSEC, Hamburg, Germany.13 Van Nieuwenhuysen, K. et. al. “Epitaxial thin film silicon solar cells with 16% efficiency by combining advanced light trapping methods and CVD emitters”, 24th EUPVSEC, Hamburg, Germany.關(guān)于作者Dr. Kris Baert于1990年在比利時Leuven大學(xué)取得博士學(xué)位，主要從事晶體硅薄