1晶體硅太陽(yáng)電池的基本原理和制造工藝流程精

1、第一章晶體硅太陽(yáng)電池的基本原理和制造工藝流程晶體硅太陽(yáng)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(yáng)電池工廠的新近投資,這種作用還將持續(xù)下去1。從1954年Chapin,Fuller和Pearson研制成功硅PN結(jié)太陽(yáng)電池以來(lái),這一利用p-n結(jié)光伏效應(yīng)工作的器件經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的改進(jìn)和演變,發(fā)展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(yáng)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(yáng)(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(wú)法替代晶體硅太陽(yáng)電池。關(guān)于太陽(yáng)電池的基本特性,Hovel已作出了全面的論述2。我們按照太陽(yáng)電池的器件結(jié)構(gòu)、

2、硅p-n 結(jié)太陽(yáng)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(yáng)電池的器件結(jié)構(gòu)晶體硅太陽(yáng)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(yáng)電池基本結(jié)構(gòu)圖2. PERT太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)高效率晶體硅太陽(yáng)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(yáng)電池PESC (passivated emitter solar cell ,鈍化發(fā)射極和背面太陽(yáng)電池PERC (passivated emitter and rear cell,鈍化發(fā)射結(jié)背面點(diǎn)接觸太陽(yáng)電池PERL (passiv

3、ated emitter, rear locally-diffused cells,鈍化發(fā)射極背面全擴(kuò)散太陽(yáng)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(yáng)電池(HIT TM電池,傾斜蒸發(fā)電極MIS-n+p 太陽(yáng)電池OECO(obliquely-evaporated-contact,V型機(jī)械刻槽埋柵電極太陽(yáng)電池(Buried Contact Solar Cell with V-grooved surface,背面接觸電極太陽(yáng)電池(Backside Contact Solar Cell等

4、等。這些高效率晶體硅太陽(yáng)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(yáng)電池、 PERL太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)。 圖3. PERL太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)圖4.絲網(wǎng)印刷電極太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)電池具有制造過(guò)程簡(jiǎn)單,設(shè)備產(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(wèn)題之間不能令人滿意。激光刻槽埋柵電極太陽(yáng)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,

5、在1980年代將實(shí)驗(yàn)室高效晶體硅太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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)印刷選擇性發(fā)射極太陽(yáng)電池,在器件結(jié)構(gòu)上與激光刻槽埋柵電極太陽(yáng)電池相似,在制造工藝上更加簡(jiǎn)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(yáng)電池的基本工作原理2.2.1 太

6、陽(yáng)輻射3太陽(yáng)發(fā)出的輻射能來(lái)自核聚變反應(yīng)。每秒鐘約有6×1011kg 的H2轉(zhuǎn)變?yōu)镠e ,凈質(zhì)量損失約為4×103kg ,這一質(zhì)量損失通過(guò)愛(ài)因斯坦關(guān)系(E =mc 2轉(zhuǎn)變?yōu)?×1012J 的能量。此能量主要作為從紫外到紅外和無(wú)線電頻段(0.2至3m 的電磁輻射發(fā)射出去。太陽(yáng)的總質(zhì)量目前約為2×1030kg ,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(guò)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(yáng)常數(shù),其值45為1353W/m 2。當(dāng)陽(yáng)光到達(dá)地表時(shí),大氣層要使陽(yáng)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,以及受飛塵和懸浮

7、微粒的散射。大氣層對(duì)地表處接收到的陽(yáng)光的影響程度定義為“大氣質(zhì)量”。太陽(yáng)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(yáng)正當(dāng)頂時(shí)最短路程的相對(duì)值。圖5.示出了與太陽(yáng)光譜輻照度5(單位波長(zhǎng)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(yáng)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(yáng)位于天頂時(shí)地表的陽(yáng)光;入射功率約為925W/m 2。AM2譜是對(duì)于=60而言的,其入射功率約為691W/m 2。大氣質(zhì)量1.5的狀態(tài)(太陽(yáng)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。

8、AM1.5情形單位時(shí)間單位面積的單位能量光子數(shù)6示于圖6.,圖中還一并示出AM0的情形。為了將波長(zhǎng)轉(zhuǎn)變成光子能量,我們應(yīng)用了下述關(guān)系m eV h C(24.1= (1AM1.5情形的總?cè)肷涔β蕿?44 W/m2。 圖5. 與太陽(yáng)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(yáng)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)換效率(引自Henry的參考文獻(xiàn)6要進(jìn)行太陽(yáng)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(yáng)能。2.2.2 光譜響應(yīng)3當(dāng)波長(zhǎng)為的單色光入射到太陽(yáng)電池正面時(shí),光電流和光譜響應(yīng)(在各波長(zhǎng)下每個(gè)入射光子所收集的載流子數(shù)可推導(dǎo)如下

9、。在距半導(dǎo)體表面x 處的電子空穴對(duì)產(chǎn)生率示于圖8.(a ,表達(dá)式可以寫成:(exp(1(,(x R F x G -= (2 圖8. (a 對(duì)于長(zhǎng)波和短波光,電子空穴對(duì)產(chǎn)生率與到半導(dǎo)體表面距離的關(guān)系。(b 太陽(yáng)電池尺寸和少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度。(c 太陽(yáng)電池的假設(shè)突變摻雜分布。式中(為吸收系數(shù),(F 為單位帶寬每cm 2每s 的入射光子數(shù),(R 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(duì)p 型半導(dǎo)體中的電子,一維穩(wěn)態(tài)連續(xù)性方程為010=+-dx dJ q n n G n np p n (3 對(duì)n 型半導(dǎo)體中的空穴,為 010=+-dxdJ q p

10、 p G p p n n p (4 電流密度方程為 dxdn qDE n q J p p n n += (5 dx dp qD E p q J n n p p += (6 對(duì)于結(jié)每側(cè)為恒定摻雜的突變p n 結(jié)太陽(yáng)電池,在圖8.(b 和(c 耗盡區(qū)以外沒(méi)有電場(chǎng),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:0exp(1(022=-+p n n p p p x R F dxp d D (7 此方程的一般解為(exp(11(220x L R F L x Bsh L x Ach p p p p p p n n -+=- (8 式中,(21p p p D

11、 L =,為擴(kuò)散長(zhǎng)度。有兩個(gè)邊界條件。在表面,有復(fù)合速度為p S 的表面復(fù)合:(00n n p n n pp p S dxp p d D -=- (9在耗盡層邊緣,因受耗盡區(qū)電場(chǎng)的作用,過(guò)剩載流子密度很低:00-n n p p 在j x x =處 (10 在方程(8中代入這些邊界條件,得到空穴密度為-+ - +-=-x p j p j p p p p p p p p x p j p p p p p p n n e L x ch L x sh D L S L x ch L x sh D L S e L x x sh L D L S L R F p p j /(/(/(11(220(11最終得到耗

12、盡區(qū)邊緣的空穴光電流密度為-+ +-=-j j jx p j p j p p p p j p j p p p x p p p p p p x n p p e L x ch L x sh D L S L x ch L x sh D L S e L D L S L R F q dx dp qD J /(/(/(11(22(12假定該p-n 結(jié)太陽(yáng)電池的正面區(qū)域在壽命、遷移率和摻雜濃度等方面都是均勻的,在給定波長(zhǎng)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:00-p p n n 在W x x j +=處 (13dxdn D

13、 n n S p np p n -=-(0 在H x =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(shuō)明,在耗盡層邊緣,過(guò)剩少數(shù)載流子密度接近于零,而方程(14說(shuō)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 - + + +- - -+-=-n j n n n n n H n n H n nn n W x x n j j n np p L W x x sh L H ch L H sh D L S e L L H sh e L H ch D L S e L W x x ch W x L R F n n j '''

14、(220'(exp 11( (15 在耗盡區(qū)邊緣W x x j +=處被收集到的電子所產(chǎn)生的光電流為 + + +- -+-= =-+n n n n n H n n H n n n n n j n n Wx pn n L H ch L H sh D L S eL L H sh e L H ch D L S L W x L R F q dxdn qD J j '''22'(exp 11( (16 式中'H 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(lái)的。若這些量是距離的函數(shù),就必

15、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(chǎng)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)。(W x R F q J j dr -=exp 1exp 1( (17于是,在給定波長(zhǎng)下的總光電流為方程(15、(16、(17之和:(dr n p J J J J += (18對(duì)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(duì)于內(nèi)部光譜響應(yīng),光譜響應(yīng)等于方程(18除以qF (1-R 。(1(1(dr n p J J J R qF SR +-=(19對(duì)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Eg h <

16、時(shí)等于零,在Eg h >時(shí)等于1(如圖9.(a 的點(diǎn)劃線所示。對(duì)于Si n/p 太陽(yáng)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(duì)光譜響應(yīng)的貢獻(xiàn)。器件參數(shù)為N D =5×1019cm -3,N A =1.5×1016cm -3,p =0.4s ,n =10s ,x j =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(shì),超出3.5eV 時(shí),

17、變得大于106cm -1,光譜響應(yīng)完全來(lái)自正面區(qū)域,因?yàn)榧僭O(shè)S p 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)1>>p L 并且1>>j x 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:(p j p j p p p pp L x ch L x sh D L S D S SR +=1 (20表面復(fù)合速度S p 在光子能量高時(shí)對(duì)光譜響應(yīng)尤有顯著的影響,對(duì)于與圖9.(a 有同樣參數(shù)(只是S p 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S p 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(guò)增

18、加擴(kuò)散長(zhǎng)度L p 來(lái)改善光譜響應(yīng)。一般來(lái)說(shuō),為了增加有用波段的SR 值,應(yīng)同時(shí)增加L p 和L n 并同時(shí)降低S p 和S n 。 圖9.(a Si p-n 結(jié)太陽(yáng)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(duì)于理想響應(yīng)而言的。(b Si p-n 結(jié)太陽(yáng)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(yáng)光譜分布F (得到的總光電流密度為d SR R F q J mL (1(0-= (21式中m 為對(duì)應(yīng)于半導(dǎo)體帶隙的最長(zhǎng)波長(zhǎng)。為了得到最大的J L 值,應(yīng)使m <<0波段的R (值增至最大。2.

19、2.3 I-V 特性晶體硅太陽(yáng)電池的等效電路可以表示成圖10.所示的形式。R se 表示來(lái)自電極接觸、基體材料等歐姆損耗的串聯(lián)電阻,R sh 表示來(lái)自泄漏電流的旁路電阻,R L 表示負(fù)載電阻,I D 表示二極管電流,I L 表示光生電流。圖10. 晶體硅太陽(yáng)電池的等效電路根據(jù)等效電路,可以寫出p n 結(jié)太陽(yáng)電池的I V 特性方程如下:shseD L R IR V I I I += (22 將p -n 結(jié)二極管電流方程-=10nkT qV D e I I (23 代入方程(22可以得到輸出電流為:sh senkT IR V q L R IR V e I I I se +- -=+1(0 (24式

20、中q 為電子電量, k 為波爾茲曼常數(shù),T 為絕對(duì)溫度,n 為二極管質(zhì)量因子。對(duì)于實(shí)際的太陽(yáng)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(shì)時(shí),因子n =2,當(dāng)擴(kuò)散電流占優(yōu)勢(shì)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)R sh 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:-+-=se L IR I I I q nkT I IV P 1ln 0 (25 圖11所示為絲網(wǎng)印刷電極晶體硅太陽(yáng)電池典型的I V 曲線和P V 曲線。短路電流I sc 表示太陽(yáng)電池輸出端短路情況下能夠輸出的電流,開路電壓V oc 表示輸出端負(fù)載電阻無(wú)

21、窮大即輸出端開路狀況下的輸出電壓,最大功率P m 表示輸出的最大功率,V pm 和I pm 分別表示與最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出電壓和輸出電流。填充因子FF 定義為ocsc pm pm V I V I FF (26光電轉(zhuǎn)換效率定義為inocsc in m P V I FF P P Eff =(27 式中P in 為輸入太陽(yáng)電池的光功率。要獲得最高的轉(zhuǎn)換效率,應(yīng)使FF 、I sc 和V oc 都最大。提高FF和V oc 的途徑是減小復(fù)合電流;改善電極歐姆接觸,減小串聯(lián)電阻R se ;提高并聯(lián)電阻,減小旁路漏電流。提高I sc 的途徑是提高太陽(yáng)電池對(duì)陽(yáng)光的吸收效率,提高非平衡少數(shù)載流子壽命,減小復(fù)合電流

22、損失。 圖11. 實(shí)際測(cè)量的絲網(wǎng)印刷電極晶體硅太陽(yáng)電池典型I V 曲線和P V 曲線。3. 晶體硅太陽(yáng)電池的制造工藝流程印刷電極晶體硅太陽(yáng)電池的制造工藝流程如圖12.所示。大體上可以劃分為硅材料制造和硅晶體生長(zhǎng)、硅片制造、太陽(yáng)電池片制造、組件封裝等4部分。礦石(石英開采和精選硅冶煉硅提純(半導(dǎo)體級(jí)或太陽(yáng)級(jí)鑄造多晶硅 單晶硅生長(zhǎng) 多晶帶硅生長(zhǎng)切割制造硅片 切割制造硅片 切割制造硅片硅片表面化學(xué)腐蝕 硅片表面化學(xué)腐蝕 硅片表面化學(xué)腐蝕 擴(kuò)散制作p-n 結(jié) 擴(kuò)散制作p-n 結(jié) 擴(kuò)散制作p-n 結(jié) 腐蝕清洗去除PSG 腐蝕清洗去除PSG腐蝕清洗去除PSG 腐蝕去除寄生p-n 結(jié) 腐蝕去除寄生p-n 結(jié) PECVD 生長(zhǎng)Si 3N 4膜PECVD 生長(zhǎng)Si 3N 4膜 氧化腐蝕去除寄生p-n 結(jié)印刷正面銀電極 電極共燒結(jié) 電池片測(cè)試分選 印刷鋁背面場(chǎng) 印刷正面銀電極 電極共燒結(jié) 電池片測(cè)試分選 印刷正面銀電極 電極共燒結(jié) 電池片測(cè)試分選 電池片焊接互連 迭層組裝 層壓封裝 外框組裝 檢驗(yàn)測(cè)試 電池片焊接互連 迭層組裝 層壓封裝 外框組裝 檢驗(yàn)測(cè)試 圖 12. 印刷電極晶體硅太陽(yáng)電池的制造工藝流程 電池片焊接互連 迭層組裝 層壓封裝 外框組裝 檢驗(yàn)測(cè)試 參考文獻(xiàn) Mar