太陽能電池制造工藝2

3.3太陽能電池制造工藝

3.3.1硅片的加工—晶體硅硅片硅片的加工，是將硅錠經(jīng)表面整形、定向、切割、研磨、腐蝕、拋光、清洗等工藝，加工成具有一定直徑、厚度、晶向和高度、表面平行度、平整度、光潔度，表面無缺陷、無崩邊、無損傷層，高度完整、均勻、光潔的鏡面硅片。

圖3-23硅片加工工藝流程3.3太陽能電池制造工藝

3.3.1硅片的加工

1.切片工藝技術(shù)的原則要求：

（1）切割精度高、表面平行度高、翹曲度和厚度公差??；（2）斷面完整性好，消除拉絲、刀痕和微裂紋；（3）提高成品率，縮小刀(鋼絲)切縫，降低原材料損耗；（4）提高切割速度，實現(xiàn)自動化切割。

2.切片方法：外圓切割、內(nèi)圓切割、線切割以及激光切割等。

3.3太陽能電池制造工藝

內(nèi)圓切割：用內(nèi)圓切割機將硅錠切割成0.2~0.4mm的薄片。其刀體的厚度0.1mm左右，刀刃的厚度0.20~0.25mm，刀刃上黏有金剛砂粉。切割過程中，每切割一片，硅材料有0.3~0.35mm的厚度損失，因此硅材料的利用率僅為40~50%。內(nèi)圓切割刀片的示意圖，如圖3-24所示。

圖3-24內(nèi)圓切割刀片示意圖3.3太陽能電池制造工藝

內(nèi)圓切割方法，可分為4類：（a）刀片水平安裝，硅料水平方向送進切割；

（b）刀片垂直安裝，硅料水平方向送進切割；（c）刀片垂直安裝，硅料垂直方向送進切割；（d）刀片固定，硅片垂直方向送進切割。

圖3-25內(nèi)圓式切割機切割分類方法示意圖3.3太陽能電池制造工藝

線切割機切片一根長達幾千米的線兩頭纏繞在轉(zhuǎn)鼓上，這根線在帶磨料的懸浮液中切割硅晶體。切片更快，硅片更?。?.18~0.2mm），硅損失更少（30%）。

圖3-26硅片線切割示意圖3.3太陽能電池制造工藝

表3-2線切割與內(nèi)圓切割特征的比較

性能線切割內(nèi)圓切割切割方法自由磨削加工固定研磨加工切片表面線鋸痕跡切痕、裂紋、碎屑損傷深度/m5~1520~30切片效率/(cm2/h)110~22010~30每次切片數(shù)/片200~4001損耗/m150~210300~500可切片最薄厚度/m180~200350可切硅錠最大直徑/mm300以上200切片翹曲度輕微嚴重

3.3太陽能電池制造工藝

激光切片機

3.3太陽能電池制造工藝

3.3.2硅太陽能電池的制造—硅片電池片制造晶體硅太陽能電池包括絨面制備、擴散制結(jié)、制作電極和制備蒸鍍減反射膜等主要工序。常規(guī)晶體硅太陽能電池的一般生產(chǎn)制造工藝流程如圖3-27所示。

圖3-27晶體硅太陽能電池生產(chǎn)制造工藝流程3.3太陽能電池制造工藝

3.3.2硅太陽能電池的制造

1.硅片的選擇硅片通常加工成方形、長方形、圓形或半圓形，厚度為0.18~0.4mm。

2.硅片的表面處理

（1）化學(xué)清洗去污，高純水，有機溶劑，濃酸，強堿。（2）硅片的表面腐蝕去除30~50m表面厚的損傷層。①酸性腐蝕濃硝酸與氫氟酸的配比為（10:1）~（2:1）；硝酸、氫氟酸與醋酸的一般配比為5:3:3或5:1:1或6:1:1

。②堿性腐蝕氫氧化鈉、氫氧化鉀等堿溶液。

3.3太陽能電池制造工藝

3.絨面制備單晶硅絨面結(jié)構(gòu)的制備，就是就是利用硅的各向異性腐蝕(NaOH，KOH)，在硅表面形成金字塔結(jié)構(gòu)。絨面結(jié)構(gòu)，使入射光在硅片表面多次反射和折射，有助于減少光的反射，增加光的吸收，提高電池效率。

圖3-28絨面結(jié)構(gòu)減少光的反射

3.3太陽能電池制造工藝

4.擴散制結(jié)

制結(jié)過程：在一塊基體材料上生成導(dǎo)電類型不同的擴散層。

制結(jié)方法：熱擴散法、離子注入法、薄膜生長法、合金法、激光法和高頻電注入法等。

熱擴散法制結(jié)：采用片狀氮化硼作源，在氮氣保護下進行擴散。擴散前，氮化硼片先在擴散溫度下通氧30min，使其表面的三氧化二硼與硅發(fā)生反應(yīng)，形成硼硅玻璃沉積在硅表面，硼向硅內(nèi)部擴散。擴散溫度為950~l000℃，擴散時間為15~30min，氮氣流量為2L/min。

擴散要求：獲得適合于太陽能電池p-n結(jié)需要的結(jié)深(0.3~0.5m)和擴散層方塊電阻R□(平均為20~l00/囗)。

3.3太陽能電池制造工藝

5.去除背結(jié)

在擴散過程中，硅片的背面也形成了p-n結(jié)，所以在制作電極前需要去除背結(jié)。去除背結(jié)的常用方法，主要有化學(xué)腐蝕法、磨片法和蒸鋁或絲網(wǎng)印刷鋁漿燒結(jié)法等。（1）化學(xué)腐蝕法

掩蔽前結(jié)后用腐蝕液蝕去其余部分的擴散層。該法可同時除去背結(jié)和周邊的擴散層，因此可省去腐蝕周邊的工序。腐蝕后，背面平整光亮，適合于制作真空蒸鍍的電極。前結(jié)的掩蔽一般用涂黑膠的方法。硅片腐蝕去背結(jié)后用溶劑去真空封蠟，再經(jīng)濃硫酸或清洗液煮沸清洗，最后用去離子水洗凈后烤干備用。

3.3太陽能電池制造工藝

（2）磨片法用金剛砂磨去背結(jié)。也可將攜帶砂粒的壓縮空氣噴射到硅片背面以除去背結(jié)。背結(jié)除去后，磨片后背面形成一個粗糙的硅表面，適用于化學(xué)鍍鎳背電極的制造。（3）蒸鋁或絲網(wǎng)印刷鋁漿燒結(jié)法前兩種方法對n+/p型和p+/n型電池制造工藝均適用，本法則僅適用于n+/p型電池制造工藝。此法是在擴散硅片背面真空蒸鍍或絲網(wǎng)印刷一層鋁，加熱或燒結(jié)到鋁-硅共熔點(577℃)以上使它們成為合金。經(jīng)過合金化以后，隨著降溫，液相中的硅將重新凝固出來，形成含有少量鋁的再結(jié)晶層。實際上是一個對硅摻雜過程。在足夠的鋁量和合金溫度下，背面甚至能形成與前結(jié)方向相同的電場，稱為背面場。

3.3太陽能電池制造工藝

6.制備減反射膜硅表面對光的反射損失率高達35%左右。

減反射膜作用：減反射膜不但具有減少光反射的作用，而且對電池表面還可起到鈍化和保護的作用。制備方法：采用真空鍍膜法、氣相生長法或其它化學(xué)方法等，在已制好的電池正面蒸鍍一層或多層二氧化硅或二氧化鈦或五氧化二鉭或五氧化二鈮減反射膜。技術(shù)要求：膜對入射光波長范圍的吸收率要小，膜的理化能穩(wěn)定，膜層與硅粘接牢固，膜耐腐蝕，制作工藝簡單、價格低廉。

二氧化硅膜，鍍一層減反射膜可將入射光的反射率減少到10%左右，鍍兩層則可將反射率減少到4%以下。

3.3太陽能電池制造工藝

7.腐蝕周邊在擴散過程中，硅片的周邊表面也有擴散層形成。硅片周邊表面的擴散層會使電池上下電極形成短路環(huán)，必須將其去除。周邊上存在任何微小的局部短路，都會使電池并聯(lián)電阻下降，以致成為廢品。去邊的方法：主要有腐蝕法和擠壓法。腐蝕法是將硅片兩面掩好，在硝酸、氫氟酸組成的腐蝕液中腐蝕30s左右；擠壓法則是用大小與硅片相同而略帶彈性的耐酸橡膠或塑料與硅片相間整齊地隔開，施加一定壓力阻止腐蝕液滲入縫隙，以取得掩蔽的方法。

3.3太陽能電池制造工藝

8.制作上、下電極

所謂電極，就是與電池p-n結(jié)形成緊密歐姆接觸的導(dǎo)電材料。通常對電極的要求有：①接觸電阻??；②收集效率高；③遮蔽面積??；④能與硅形成牢固的接觸；⑤穩(wěn)定性好；⑥宜于加工；⑦成本低；⑧易于引線，可焊性強；⑨體電阻??；⑩污染小。

制作方法：真空蒸鍍法、化學(xué)鍍鎳法、銀/鋁漿印刷燒結(jié)法等。所用金屬材料：鋁、鈦、銀、鎳等。

電池光照面的電極稱為上電極（窄細的柵線狀，有利于收集光生電流，并保持較大受光面積

），制作在電池背面的電極稱為下電極或背電極（全部或部分布滿背面，減小電池的串聯(lián)電阻

）。

n+/p型電池上電極是負極，下電極是正極；p+/n型電池上電極是正極，下電極是負極。

3.3太陽能電池制造工藝

鋁漿印刷燒結(jié)法工藝：把硅片置于真空鍍機的鐘罩內(nèi)，當真空度抽到足夠高時，便凝結(jié)成一層鋁薄膜，其厚度控制在30~l00nm；然后，再在鋁薄膜上蒸鍍一層銀，厚度為2~5m，為便于電池的組合裝配，電極上還需釬焊一層錫-鋁-銀合金焊料；此外，為得到柵線狀的上電極，在蒸鍍鋁和銀時，硅表面需放置一定形狀的金屬掩膜。上電極柵線密度一般為2~4條/cm，多的可達10~19條/cm，最多的可達60條/cm。

絲網(wǎng)印刷技術(shù)制作上電極，是用滌綸薄膜等制成所需電極圖形的掩膜，貼在絲網(wǎng)上，然后套在硅片上，用銀漿、鋁漿印刷出所需電極的圖形，經(jīng)過在真空和保護氣氛中燒結(jié)，形成牢固的接觸電極。成本低，便于自動化連續(xù)生產(chǎn)

3.3太陽能電池制造工藝

9.檢驗測試太陽電池制作經(jīng)過上述工藝完成后，在作為成品電池入庫前，必須通過測試儀器測量其性能參數(shù)，以檢驗其質(zhì)量是否合格。一般需要測量的參數(shù)有最佳工作電壓、最佳工作電流、最大功率(也稱峰值功率)、轉(zhuǎn)換效率、開路電壓、短路電流、填充因子等，通常還要畫出太陽電池的伏安（I-U）特性曲線?，F(xiàn)代測試方法：

圖3-29太陽電池測試設(shè)備系統(tǒng)框圖

3.3太陽能電池制造工藝

典型晶硅電池片技術(shù)參數(shù)尺寸：156mm156mm0.5mm厚度（Si）：190m20m正面（）：氮化硅減反膜；1.9mm銀柵線背面（+）：AL背場；3mm銀背極開路電壓(V)：0.625%短路電流(A)：9.015%最大功率點電壓：0.515V最大功率點電流：7.914A

溫度系數(shù)：TkVoltage0.349%/KTkCurrent0.033%/KTkPower0.44%/K

3.3太陽能電池制造工藝

3.3.3新型太陽能電池簡介1.新型高效單晶硅太陽電池

（1）發(fā)射極鈍化及背表面局部擴散太陽電池(PERL)

圖3-30PERL太陽電池

3.3太陽能電池制造工藝

（2）埋柵太陽電池(BCSC)采用激光刻槽或機械刻槽。激光在硅片表面刻槽，然后化學(xué)鍍銅，制作電極。如圖3-31所示。批量生產(chǎn)這種電池的光電效率已達17%，我國實驗室光電效率為19.55%。

圖3-31BCSC太陽電池

3.3太陽能電池制造工藝

（3）高效背表面反射器太陽電池(BSR)這種電池的背面和背面接觸之間用真空蒸鍍的方法沉積一層高反射率的金屬表面（一般為鋁）。背反射器就是將電池背面做成反射面，它能發(fā)射透過電池基體到達背表面的光，從而增加光的利用率，使太陽電池的短路電流增加。（4）高效背表面場和背表面反射器太陽電池(BSFR)

BSFR電池也稱為漂移場太陽電池，它是在BSR電池結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再做一層p+層。這種場有助于光生電子-空穴對的分離和少數(shù)載流子的收集。目前BSFR電池的效率為14.8%.

3.3太陽能電池制造工藝

2.多晶硅薄膜太陽電池多晶硅薄膜是由許多大小不等和具有不同晶面取向的小晶粒構(gòu)成，其特點是在長波段具有高光敏性，對可見光能有效吸收，又具有與晶體硅一樣的光照穩(wěn)定性，因此被認為是高效、低耗的理想光伏器件材料。

目前多晶硅薄膜太陽電池光電效率達16.9%，但仍處于實驗室階段，如果能找到一種好的方法在廉價的襯底上制備性能良好的多晶硅薄膜太陽電池，該電池就可以進入商業(yè)化生產(chǎn)，這也是目前研究的重點。多晶硅薄膜太陽電池由于其良好的穩(wěn)定性和豐富的材料來源，是一種很有前途的地面用廉價太陽電池。

3.3太陽能電池制造工藝

3.非晶硅太陽電池（1）非晶硅的優(yōu)點①有較高的光學(xué)吸收系數(shù)，在0.315~0.75m的可見光波長范圍內(nèi)，其吸收系數(shù)比單晶硅高一個數(shù)量級，因此，很薄(1m左右)的非晶硅就能吸收大部分的可見光，制備材料成本也低；②禁帶寬度為1.5~2.0eV，比晶體硅的1.l2eV大，與太陽光譜有更好的匹配；③制備工藝和所需設(shè)備簡單，沉積溫度低(300~400℃)，耗能少；④可沉積在廉價的襯底上，如玻璃、不銹鋼甚至耐溫塑料等，可做成能彎曲的柔性電池。

3.3太陽能電池制造工藝

（2）非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)及性能①非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)性能較好的非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)有p-i-n結(jié)構(gòu)，如圖3-32所示。

圖3-32非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)3.3太陽能電池制造工藝

②非晶硅太陽電池的性能a.非晶硅太陽電池的電性能非晶硅太陽電池的實驗室光電轉(zhuǎn)換效率達15%，穩(wěn)定效率為13%。商品化非晶硅太陽電池的光電效率一般為6%~7.5%。溫度升高，對其效率的影響比晶體硅太陽電池要小。b.光致衰減效應(yīng)非晶硅太陽電池經(jīng)光照后，會產(chǎn)生10%～30%的電性能衰減——光致衰減效應(yīng)，此效應(yīng)限制了非晶硅太陽電池作為功率發(fā)電器件的大規(guī)模應(yīng)用。為減小這種光致衰減效應(yīng)又開發(fā)了雙結(jié)和三結(jié)的非晶硅疊層太陽電池，目前實驗室光致衰減效應(yīng)已減小至10%。

3.3太陽能電池制造工藝

4.化合物薄膜太陽電池薄膜太陽電池由沉積在玻璃、不銹鋼、塑料、陶瓷襯底或薄膜上的幾微米或幾十微米厚的半導(dǎo)體膜構(gòu)成。由于其半導(dǎo)體層很薄，可以大大節(jié)省太陽電池材料，降低生產(chǎn)成本，是最有前景的新型太陽電池。（1）化合物多晶薄膜太陽電池除上面介紹過的a-Si太陽電池和多晶Si薄膜太陽電池外，目前已開發(fā)出化合物多晶薄膜太陽電池，主要有：硫化鎘/碲化鎘(CdS/CdTe)、硫化鎘/銅鎵銦硒(CdS/CuGalnSe2).硫化鎘/硫化亞銅(CdS/Cu2S)等，其中相對較好的有CdS/CdTe電池和CdS/CuGalnSe2電池。

3.3太陽能電池制造工藝

（2）化合物薄膜太陽電池的制備①CdS/CdTe薄膜太陽電池

CdS/CdTe薄膜太陽電池制造工藝完全不同于硅太陽電池，不需要形成單晶，可以連續(xù)大面積生產(chǎn)，與晶體硅太陽電池相比，雖然效率低，但價格比較便宜。這類電池目前存在性能不穩(wěn)定問題，長期使用電性能嚴重衰退，技術(shù)上還有待于改進。②CdS/CulnSe2薄膜太陽電池

CdS/CulnSe2薄膜太陽電池，是以銅銦硒三元化合物半導(dǎo)體為基本材料制成的多晶薄膜太陽電池，性能穩(wěn)定，光電轉(zhuǎn)換效率較高，成本低，是一種發(fā)展前景良好的太陽電池。

3.3太陽能電池制造工藝

5.砷化鎵太陽電池（1）砷化鎵太陽電池的優(yōu)點①砷化鎵的禁帶寬度(1.424eV)與太陽光譜匹配好，效率較高；②禁帶寬度大，其太陽電池可適應(yīng)高溫下工作；③砷化鎵的吸收系數(shù)大，只要5m厚度就能吸收90%以上太陽光，太陽電池可做得很?。虎苌榛壧栯姵啬洼椛湫阅芎?，由于砷化鎵是直接躍遷型半導(dǎo)體，少數(shù)載流子的壽命短，所以，由高能射線引起的衰減較?。虎菰谏榛壎嗑П∧ぬ栯姵刂?，晶粒直徑只需幾個微米；

3.3太陽能電池制造工藝

⑥在獲得同樣轉(zhuǎn)換效率的情況下，砷化鎵開路電壓大，短路電流小，不容易受串聯(lián)電阻影響，這種特征在大倍數(shù)聚光、流過大電流的情況下尤為優(yōu)越。（2）砷化鎵太陽電池的缺點①砷化鎵單晶晶片價格比較昂貴；②砷化鎵密度為5.318g/cm3

（298K），而硅的密度為2.329g/cm3（298K），這在空間應(yīng)用中不利；③砷化鎵比較脆，易損壞。采用液相外延技術(shù)，在砷化鎵表面生長一層光學(xué)透明的寬禁帶鎵鋁砷（Ga1xAlxAs）異質(zhì)面窗口層，阻礙少數(shù)載流子流向表面發(fā)生復(fù)合，使效率明顯提高。

3.3太陽能電池制造工藝

（3）砷化鎵太陽電池的結(jié)構(gòu)砷化鎵異質(zhì)面太陽電池的結(jié)構(gòu)如圖3-33所示，目前單結(jié)砷化鎵太陽電池的轉(zhuǎn)換效率已達27%，GaP/GaAs疊層太陽電池的轉(zhuǎn)換效率高達30%(AM1.5，l000W/m2,25℃)。由于GaAs太陽電池具有較高的效率和良好的耐輻照特性，國際上已開始在部分衛(wèi)星上試用，轉(zhuǎn)換效率為17%~18%（AM0）。

圖3-33砷化鎵異質(zhì)面太陽電池的結(jié)構(gòu)3.3太陽能電池制造工藝

6.聚光太陽電池聚光太陽電池是在高倍太陽光下工作的太陽電池。通過聚光器，使大面積聚光器上接受的太陽光匯聚在一個較小的范圍內(nèi)，形成“焦斑”或“焦帶”。位于焦斑或焦帶處的太陽電池得到較高的光能，使單體電池輸出更多的電能，其潛力得到了發(fā)揮。輸出功率、短路電流等基本上與光強成比例增加。要求特殊的密柵線設(shè)計和制造工藝。

圖3-34聚光太陽電池的電極

3.3太陽能電池制造工藝

跟蹤裝置：為了更加充分地利用太陽光，使太陽總是能夠精確地垂直入射在聚光電池上，尤其是對于高倍聚光系統(tǒng)，必須配備跟蹤裝置。跟蹤方法：單軸跟蹤：只在東西方向跟蹤太陽，180/天；雙軸跟蹤：東西方向和南北方向（46.90°/年

）跟蹤。跟蹤裝置：機械結(jié)構(gòu)和控制部分石英晶體為振蕩源，驅(qū)動步進機構(gòu)，每隔4min驅(qū)動一次，每次立軸旋轉(zhuǎn)1，每晝夜旋轉(zhuǎn)360的時鐘運動方式，進行單軸、間歇式主動跟蹤。光