其它器件結(jié)構(gòu)

2024/11/51第九章其它器件結(jié)構(gòu)2013011015第十一周2024/11/52

內(nèi)容9.3半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)9.5實(shí)用的低電阻接觸9.4金屬-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)9.2同質(zhì)結(jié)29.6MIS太陽(yáng)能電池9.7光電化學(xué)電池9.1引言2024/11/539.1引言光伏半導(dǎo)體的基礎(chǔ)是電子學(xué)不對(duì)稱(chēng)性產(chǎn)生這種不對(duì)稱(chēng)性的方法有多種除了經(jīng)典p-n結(jié)外還有其它的一些器件結(jié)構(gòu)從最原始的光伏器件到今天的電池2024/11/54

艾德蒙?貝克勒被認(rèn)為是第一個(gè)向世人展示光伏效應(yīng)的人。十九歲那年在父親的實(shí)驗(yàn)室工作，他嘗試用不同的光（包括太陽(yáng)光）去照射電極來(lái)產(chǎn)生電流。他發(fā)現(xiàn)，在電極表面涂上感光材料如AgCl或AgBr時(shí)，電流產(chǎn)生效果最好的是藍(lán)光或紫外光。雖然他很常使用鉑電極，但偶爾也會(huì)使用銀電極來(lái)觀察光的響應(yīng)。隨后，他便發(fā)明了一項(xiàng)利用光伏效應(yīng)的技術(shù)，即使用“輻射儀”來(lái)記錄輻射的強(qiáng)度以測(cè)量物體的溫度?！?.1

第一個(gè)光伏器件EdmundBecquerel(1820-1891)光伏效應(yīng)發(fā)現(xiàn)者2024/11/55CesarBecquerel(1788-1878)電化學(xué)的鼻祖EdmundBecquerel(1820-1891)光伏效應(yīng)發(fā)現(xiàn)者HenriBecquerel(1852-1908)放射性的發(fā)現(xiàn)者，1903年與居利夫婦共獲獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)JeanBecquerel(1878-1953)著名物理學(xué)家，研究晶體的光學(xué)和電學(xué)特性與發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)有關(guān)的法國(guó)Becquere家族。2024/11/56§9.1

第一個(gè)光伏器件1839年，貝克勒描述的儀器示意圖。鉑電極薄膜酸性溶液黑箱

光伏效應(yīng)的另一個(gè)重要進(jìn)展來(lái)自于人們對(duì)硒的光導(dǎo)效應(yīng)的關(guān)注。在研究此效應(yīng)的時(shí)候，亞當(dāng)斯和日發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象，已加熱的鉑電極被推進(jìn)到透明硒瓶的另一端，他們解釋其中的原因，認(rèn)為內(nèi)部有電壓產(chǎn)生。亞當(dāng)斯和日(1877)利用下面的儀器進(jìn)行試驗(yàn)的目的之一就是，觀察能否只用光照就能使硒產(chǎn)生電流。2024/11/57鉑絲透明硒標(biāo)記玻璃管亞當(dāng)斯和日用以觀察硒的光電效應(yīng)的樣本圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人鼓舞。這是首次全部利用固體來(lái)演示光電效應(yīng)的試驗(yàn)。亞當(dāng)斯和日認(rèn)為，光能產(chǎn)生電流是因?yàn)楣庹丈涫沟梦鴹l的表面結(jié)晶化。幾十年過(guò)后，物理學(xué)的發(fā)展讓人們能進(jìn)一步了解這一現(xiàn)象。§9.1

第一個(gè)光伏器件2024/11/58金箔硒薄層金屬層§9.1

第一個(gè)光伏器件

另一個(gè)重要的進(jìn)展來(lái)自弗里茨的研究工作。通過(guò)用兩種不同材料的金屬板來(lái)壓制融化的硒，硒能與其中一塊板緊緊黏住，并形成薄片。然后再用金箔壓制硒薄片的另一面，于是，歷史第一塊光伏器件就制成了。此薄膜器件大概有30cm2大。Fritts1883年制作的硒薄膜1883年美國(guó)科學(xué)家弗里茨發(fā)明太陽(yáng)能電池，是19世紀(jì)的最高成就2024/11/59§9.1

第一個(gè)光伏器件

他也是第一個(gè)認(rèn)識(shí)到光伏器件有巨大潛力的人。他知道光伏器件能以非常低的成本制作，并說(shuō)：“產(chǎn)生的電流如果不是馬上使用，可以在蓄電池中儲(chǔ)存起來(lái)，或者傳送到另外一個(gè)地方，被使用或者儲(chǔ)存?！比欢?，在大約50年后，一輪新的進(jìn)展才開(kāi)始在這個(gè)領(lǐng)域掀起。當(dāng)研究在銅表面生長(zhǎng)氧化亞銅層的光電導(dǎo)效應(yīng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了銅-氧化亞銅交界處的整流效應(yīng)。這一結(jié)果引領(lǐng)了大面積整流器的發(fā)展，緊接著又促進(jìn)了大面積光電池的發(fā)展。格朗道爾描述了銅-氧化亞銅整流器和光電池的發(fā)展。2024/11/510

下圖描述了基于銅-氧化亞銅結(jié)的早期光電池的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)圖。一圈圈的鉛線作為電極連接電池的入光面。這種方法隨后被修改成在表面濺射金屬層，然后移走一部分，最后形成由金屬線構(gòu)成的網(wǎng)格。這些發(fā)展吸引了人們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域的積極研究。在1930到1932年間，格朗道爾發(fā)表了38篇有關(guān)銅-氧化亞銅光伏太陽(yáng)能電池的論文。覆蓋玻璃層鉛線圈銅層氧化亞銅§9.1

第一個(gè)光伏器件2024/11/511§9.1

第一個(gè)光伏器件

這些研究活動(dòng)也似乎重新喚起了人們對(duì)把硒作為光電池材料的興趣。特別是在1931年伯格曼的研究論文提高了硒電池的質(zhì)量。此材料被證明是比Cu-Cu2O更好的光伏材料，且更具商業(yè)優(yōu)勢(shì)。1939年，Nix發(fā)表了性能相似的砣-硫化物光電池。下圖展示了由硒、砣-硫化物和Cu-Cu2O共同組成的電池。1930年代效率最高的太陽(yáng)能電池。2024/11/5121930年代，幾乎在硒電池迅速發(fā)展的同一時(shí)間，硅也因?yàn)樵邳c(diǎn)接觸整流器上的應(yīng)用逐漸引起人們的重視。從1874年起，各種晶體和金屬點(diǎn)電極的整流特性逐漸為人所知。在收音機(jī)發(fā)展的早期，晶體整流器是最常使用的探測(cè)器，但是隨著熱電子管的發(fā)展，除了在超高頻率應(yīng)用方面，晶體整流器幾乎在所有應(yīng)用上都被取代了。而鎢則被認(rèn)為是最適合制作硅表面電極的材料。隨著對(duì)硅的純凈化的研究，人們對(duì)它的特性也了解地更加深刻。在研究純凈硅的再結(jié)晶化的時(shí)候，奧爾（1941）發(fā)現(xiàn)了硅錠生長(zhǎng)中攔在商業(yè)利用和高純硅之間的清晰屏障。§9.2

早期硅太陽(yáng)能電池2024/11/513文獻(xiàn)報(bào)道的效率超過(guò)5%的共軛聚合物2024/11/514§9.2

早期硅太陽(yáng)能電池（a）圖：鑄錠，在硅融化期間摻雜以形成天然的pn結(jié)（b）圖：光伏器件垂直pn結(jié)切割（c）圖：器件平行pn結(jié)切割（d）圖：器件表面平行pn結(jié)切割2024/11/515

在1941年，即使是在對(duì)摻雜技術(shù)的有限了解之前，奧爾就已經(jīng)向世人描述了基于這種天然pn結(jié)的光伏器件。在上面的圖示中，（a）顯示了在硅鑄錠時(shí)自然生長(zhǎng)pn結(jié)。硅錠生產(chǎn)自酸浸出冶金級(jí)硅材料，即上圖所示的從熔融到冷卻后的材料。切割硅錠便可制備太陽(yáng)能電池了。此外，也可以平行著pn結(jié)切割硅錠。這種自然形成的pn結(jié)是在切割硅錠以測(cè)量電阻時(shí)被發(fā)現(xiàn)的。切割的下來(lái)硅棒顯示了良好的光電響應(yīng)，熱電系數(shù)非常高，且具有良好的整流特性。當(dāng)被光照射或被加熱時(shí)，硅棒的其中一端形成負(fù)電勢(shì)，且必定處于負(fù)偏壓以降低電流流過(guò)pn結(jié)或流過(guò)電極時(shí)所遇到的電阻。具有這種特性的材料就是后來(lái)被人們熟知的n（negative）型硅，而擁有與之相反特性的材料叫p（positive）型硅。隨后，制成這些材料的施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)都被人們所認(rèn)識(shí)?！?.2

早期硅太陽(yáng)能電池2024/11/516§9.2

早期硅太陽(yáng)能電池

盡管這些光伏器件的性能與薄膜器件相似，然而其制備方法并不適合高效率的工業(yè)制造。然而，有一點(diǎn)是很清楚的，即如果能找到合適的方法制備大面積的均勻硅片，則有競(jìng)爭(zhēng)力的太陽(yáng)能電池就能制造出來(lái)。到了1950年，金斯伯里和奧爾共同發(fā)表了性能更好的硅太陽(yáng)能電池，他們使用純硅來(lái)阻止擴(kuò)大結(jié)的形成，并用離子轟擊表面以形成整流pn結(jié)。2024/11/517

與此同時(shí)，晶體生長(zhǎng)技術(shù)和通過(guò)擴(kuò)散形成pn結(jié)技術(shù)的發(fā)展促使蔡平、富勒和皮爾遜于1954共同研制出了第一塊現(xiàn)代太陽(yáng)能電池。這種電池有雙背電極結(jié)構(gòu)（如下頁(yè)圖所示），其效率達(dá)到6%，是早期電池的15倍，并第一次真正打開(kāi)光伏發(fā)電的廣闊前景。引起巨大的關(guān)注。然而，因?yàn)楣柚苽涔に嚨牟怀墒欤芸烊藗儽惆l(fā)現(xiàn)那最初的熱情有點(diǎn)為時(shí)過(guò)早了。但不管怎樣，太陽(yáng)能電池已經(jīng)被證明適合太空使用，而這也成為了它們的主要應(yīng)用之一，直到1970年代早期?！?.2

早期硅太陽(yáng)能電池2024/11/518

太陽(yáng)能電池所使用的硅或其它半導(dǎo)體材料可以是單晶體、多晶體、微晶體或者非晶體。這些材料之間最主要的不同就是晶體結(jié)構(gòu)的規(guī)則、有序程度不同，因此，半導(dǎo)體材料可以通過(guò)組成材料的晶體大小來(lái)分類(lèi)?！?.2

硅晶片和襯底

硅的種類(lèi)早期太陽(yáng)能結(jié)構(gòu)2024/11/519§9.2

硅晶片和襯底硅的種類(lèi)晶體類(lèi)型符號(hào)晶粒尺寸生長(zhǎng)技術(shù)單晶硅Singlecrystallsc-Si>10cm浮區(qū)拉晶法Mc-多晶硅（multicrystallinesilicon）mc-Si1mm-10cm鑄模，切片Pc多晶硅(Polycrystalline-siliconpc-Si1μm-1mm化學(xué)氣相沉積微晶硅(microcrystallinesilicon)μc-Si<1μm等離子沉積

各類(lèi)晶體硅的術(shù)語(yǔ)：2024/11/520

大多數(shù)的太陽(yáng)能電池都是由硅片制成的，要么單晶硅要么多晶硅。單晶硅片通常都擁有比較好的材料性能，但是成本也比較高。單晶硅的晶體結(jié)構(gòu)規(guī)則、有序，每個(gè)原子都理想地排列在預(yù)先確定的位置上。單晶硅表現(xiàn)的行為可預(yù)見(jiàn)且十分同一，但因?yàn)樾枰_和緩慢的制造過(guò)程，也使得它成為最昂貴的硅材料?！?.2

硅晶片和襯底

單晶硅2024/11/521§9.2

硅晶片和襯底

單晶硅單晶硅原子的規(guī)則排列形成了清晰可見(jiàn)的價(jià)帶結(jié)構(gòu)。每個(gè)硅原子的最外層都有四個(gè)電子。與相鄰原子共享電子對(duì)，所以每個(gè)原子都與周?chē)庸蚕硭膫€(gè)共價(jià)鍵。單晶硅通常被制成大的圓筒形硅錠，然后切割成圓形或半方的太陽(yáng)能電池。半方太陽(yáng)能電池成型于圓片，但是應(yīng)把邊緣切掉這樣才能在矩形模塊中裝入更多電池。2024/11/522

雖然直拉法是制備商業(yè)硅晶片最常用的方法，但它對(duì)于高效率實(shí)驗(yàn)室太陽(yáng)能電池和特定市場(chǎng)的太陽(yáng)能電池，還是有些不足之處。直拉法制晶片內(nèi)含有大量的氧。雜質(zhì)氧會(huì)降低少數(shù)載流子的壽命，繼而減小電壓、電流以及轉(zhuǎn)換效率。此外，氧原子以及氧和其它元素共同形成的化合物可能在高溫時(shí)變得十分活躍，使得晶片對(duì)高溫處理過(guò)程非常敏感。為了克服這些問(wèn)題，人們使用了懸浮區(qū)熔法制硅片。它的過(guò)程是，熔融區(qū)域緩慢的通過(guò)硅棒或硅條。熔融區(qū)的雜質(zhì)卻留在熔融區(qū)內(nèi)，而不是一同過(guò)去混合在凝結(jié)區(qū)內(nèi)，因此，當(dāng)熔融區(qū)的硅都過(guò)去后，一塊非常純凈的單晶硅錠就形成了?！?.2

硅晶片和襯底

直拉單晶硅；懸浮區(qū)熔單晶硅2024/11/523§9.2

硅晶片和襯底

懸浮區(qū)熔單晶硅多晶硅錠熔融區(qū)的硅射頻線圈生長(zhǎng)好的單晶材料單晶種子懸浮區(qū)熔法制硅片法原理圖2024/11/524

制備多晶硅的技術(shù)相對(duì)要簡(jiǎn)單一些，成本也因此比單晶硅更低一些。然而由于有晶界的存在，所以多晶硅材料的性能比不上單晶硅材料。晶界的存在導(dǎo)致了局部高復(fù)合區(qū)，因?yàn)樗杨~外的能級(jí)缺陷引入到了禁帶中，也因此減少了總的少數(shù)載流子壽命。此外，晶界還通過(guò)阻礙載流子的流動(dòng)以及為穿過(guò)pn結(jié)的電流提供分流路徑的方式來(lái)降低太陽(yáng)能電池的性能?！?.2

硅晶片和襯底

多晶硅2024/11/525

為了避免晶界處的過(guò)度復(fù)合損失，晶界尺寸必須控制在幾毫米以上。這也能讓電池從前到后擴(kuò)大單個(gè)晶界的規(guī)模，減少對(duì)載流子流動(dòng)的阻礙，同時(shí)也減小了電池單位面積上的總晶界長(zhǎng)度。這種多晶硅材料被廣泛使用在商業(yè)太陽(yáng)能電池制造中。在兩個(gè)晶粒之間的掛鍵是很不友善的，它們能降低電池的性能。多晶硅片§9.2

硅晶片和襯底

多晶硅2024/11/526§9.3

硅晶片和襯底

非晶硅amorphoussilicon

非晶硅（α-si），是一種結(jié)構(gòu)中有許多不受價(jià)鍵束縛的原子、缺少長(zhǎng)程有序排列，但是制造成本卻比多晶硅還低的硅材料。原子排列中缺少長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)是由于“懸掛鍵”的存在。在把非晶硅材料制成太陽(yáng)能電池之前，需要對(duì)這些懸掛鍵進(jìn)行鈍化處理。即把氫原子與非晶硅材料結(jié)合，使氫原子的比例達(dá)到5-10%，讓?xiě)覓戽I處于飽和狀態(tài)，因此提高了材料的質(zhì)量。盡管如此，非晶硅的材料性能與那些晶體硅還是有顯著的不同。例如，禁帶寬度從晶體硅的1.1eV上升到了非晶硅的1.7eV，且非晶硅的吸收系數(shù)要比晶體硅高的多。此外，大量懸掛鍵的存在導(dǎo)致了高缺陷密度和低擴(kuò)散長(zhǎng)度。2024/11/527§9.2

硅晶片和襯底

非晶硅額外的懸掛鍵額外的懸掛鍵被氫原子終結(jié)

非晶硅結(jié)構(gòu)的短程無(wú)序影響了它的半導(dǎo)體特性。氫原子終結(jié)了額外的懸掛鍵。平均原子間距的改變以及氫的存在導(dǎo)致了非晶硅的電特性與多晶硅的不同。2024/11/528

對(duì)于α-Si太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，非晶硅的不同材料性質(zhì)需要不同的設(shè)計(jì)方法。特別是，硅-氫合金的少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1μm。因此，要獲得高的收集效率就必須在pn結(jié)耗盡區(qū)產(chǎn)生盡可能多的光生載流子。結(jié)果是，耗散區(qū)就成為了收集光生載流子最主要的區(qū)域。非晶硅的高吸收系數(shù)使得電池的材料只有幾微米厚，也意味著，比起發(fā)射區(qū)和基區(qū)來(lái)，耗散區(qū)的厚度要大得多。本征硅（無(wú)摻雜）存在強(qiáng)電場(chǎng)的耗散區(qū)a-Si:H太陽(yáng)能電池示意圖?！?.2

硅晶片和襯底

非晶硅2024/11/529§9.2

硅晶片和襯底

非晶硅

結(jié)構(gòu)的不相同，意味著α-Si和晶體硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)也不相同。在α-Si和其它薄膜電池的制造技術(shù)中，一層非常薄的半導(dǎo)體材料被沉積在玻璃表面或其他便宜的襯底上。薄膜太陽(yáng)能電池被運(yùn)用在許多小型消費(fèi)產(chǎn)品中，比如計(jì)算機(jī)、手表以及不是很重要的戶(hù)外產(chǎn)品?？偟膩?lái)說(shuō)，薄膜為太陽(yáng)能電池提供了一種成本非常低的制造途徑。然而，在戶(hù)外或在含有紫外線的光源下使用的非晶硅電池會(huì)有降低效率的可能，因?yàn)樽贤饩€會(huì)破壞Si-H的價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。對(duì)薄膜和其它潛在低成本太陽(yáng)能電池的研究為在使用非晶硅電池時(shí)所出現(xiàn)的問(wèn)題提供了解決辦法。結(jié)果是，這一研究為高效率、穩(wěn)定和低成本太陽(yáng)能電池的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。2024/11/530

絲網(wǎng)印刷太陽(yáng)能電池在1970年代開(kāi)始發(fā)展起來(lái)。它們是建立的最好、最成熟的太陽(yáng)能電池制造技術(shù)，且絲網(wǎng)印刷電池在如今的陸地用光伏電池市場(chǎng)中占據(jù)統(tǒng)治地位。這種技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)就是制造過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單。下面的動(dòng)畫(huà)展示了制造絲網(wǎng)印刷太陽(yáng)能電池的一系列步驟。動(dòng)畫(huà)中展示的制造技術(shù)是最簡(jiǎn)單的一種，現(xiàn)在已被許多制造商和研究實(shí)驗(yàn)室改進(jìn)了?！?.2

硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)

絲網(wǎng)印刷太陽(yáng)能電池2024/11/531磷擴(kuò)散

絲網(wǎng)印刷太陽(yáng)能電池通常使用簡(jiǎn)單且均勻的擴(kuò)散方法以形成發(fā)射區(qū)，此區(qū)域的摻雜情況都是相同的。要保持低電極電阻，就需要在絲網(wǎng)印刷電極下面的表面摻雜進(jìn)高濃度的磷。然而，表面高濃度的磷將會(huì)導(dǎo)致“死層”形成，并降低電池的藍(lán)光響應(yīng)。最新的電池設(shè)計(jì)能制備更淺的發(fā)射區(qū)，因此提高電池的藍(lán)光響應(yīng)。選擇性發(fā)射區(qū)，即金屬電極下面進(jìn)行更高濃度的摻雜，也已經(jīng)被研究者提出來(lái)了，但依然沒(méi)有一項(xiàng)被運(yùn)用到商業(yè)制造中。

§9.2

硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)

絲網(wǎng)印刷太陽(yáng)能電池2024/11/532

表面制絨以減少反射對(duì)于多晶硅材料的隨機(jī)取向界面來(lái)說(shuō)，化學(xué)刻蝕的效果很有限。于是，人們又研究了許多不同的制絨多晶硅的方案：

1）使用切割工具或激光在晶片表面進(jìn)行機(jī)械制絨；

2）基于缺陷結(jié)構(gòu)而不是晶面取向的各向同性化學(xué)刻蝕；

3）各向同性化學(xué)刻蝕與光刻掩模技術(shù)相結(jié)合；

4）等離子刻蝕。雖然許多制絨多晶硅材料的方法都展示了相當(dāng)大的前景，但是至今還沒(méi)有一項(xiàng)被實(shí)施在大規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)線中?！?.2

硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)

2024/11/533減反射膜

減反射膜非常有利于不容易制絨的多晶硅材料。二氧化鈦（TiO2）與氮化硅（SiNx）是兩種常見(jiàn)的減反射膜材料。膜的制造適用于簡(jiǎn)單的技術(shù)，如噴灑或化學(xué)氣相沉積。除了有利于光的吸收外，絕緣膜還能夠使表面鈍化，提高電池的電學(xué)特性。依靠一種帶有切割試劑的膠粘劑對(duì)減反射膜進(jìn)行絲網(wǎng)印刷，金屬電極能夠腐蝕膜材料并最終與底層的硅相連接。過(guò)程非常簡(jiǎn)單，且有利于連接淺層的發(fā)射區(qū)。邊界隔離如今有許多邊界隔離技術(shù)，比如等離子刻蝕、激光切割或者首先用膜掩蓋住邊界以阻止擴(kuò)散的發(fā)生?！?.2

硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)2024/11/534背電極

背電極是在一般pn結(jié)電池背面用擴(kuò)散法或合金法加制一層與基區(qū)導(dǎo)電類(lèi)型相同的重?fù)诫s區(qū)，然后再在重?fù)诫s區(qū)上面制作金屬接觸電極，一般為鋁電極。襯底絲網(wǎng)印刷技術(shù)已經(jīng)被使用在許多不同的襯底上。排序的簡(jiǎn)單化使得絲網(wǎng)印刷技術(shù)非常適合于質(zhì)量較差的襯底，比如多晶硅材料甚至直拉單晶硅。總的趨勢(shì)是向襯底面積的擴(kuò)大化發(fā)展，多晶硅晶片達(dá)到15x15cm2，厚度達(dá)到200μm。§9.2

硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)

2024/11/535

對(duì)印刷電池前端電極的鏡頭特寫(xiě)。在印刷期間，金屬漿料穿過(guò)絲網(wǎng)，到達(dá)沒(méi)被遮蓋的區(qū)域。絲網(wǎng)的尺寸決定了柵條的最小寬度。柵條寬度通常為100到200μm。對(duì)已經(jīng)完成絲網(wǎng)印刷的太陽(yáng)能電池的鏡頭特寫(xiě)。柵條間距大于有3mm。在包裝的時(shí)候，在母柵上焊接一個(gè)額外的金屬接觸帶以減少電池串聯(lián)電阻?！?.2

硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)

2024/11/536擁有完整絲網(wǎng)印刷的太陽(yáng)能電池的正面圖。由于電池是由多晶硅制造的，晶粒的不同界面取向清晰可見(jiàn)。多晶硅電池的正方形形狀使電池的組裝變得簡(jiǎn)化。§9.2硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)

2024/11/537§9.2

硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)

擁有完整絲網(wǎng)印刷的太陽(yáng)能電池的背面圖。電池要么是由Al/Ag粘貼成網(wǎng)格（左），要么全部由鋁構(gòu)成并形成背面電場(chǎng)（右），但是需要第二道印刷工序。2024/11/538

下面的幾幅圖將向你展示商業(yè)絲網(wǎng)印刷太陽(yáng)能電池的制造設(shè)備。全部圖片承蒙歐洲太陽(yáng)能公司SPA提供。制造的多晶硅錠的結(jié)晶爐。大面積硅板，大約0.5mx0.5m，20cm厚。精確控制冷卻液體，能夠制造出大晶粒少缺陷的的硅材料。從結(jié)晶爐出來(lái)的大塊多晶硅錠被切割成10cmx10cm的小磚塊。然后小磚塊又被切割成同樣面積的薄片?！?.2

硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)

2024/11/539歐洲太陽(yáng)能公司的生產(chǎn)線。雖然太陽(yáng)能電池制造需要處在潔凈的環(huán)境中，但是比起集成電路芯片的制造環(huán)境來(lái)，還是較為寬松一些。因此不需要員工穿上全套潔凈服。上圖為自動(dòng)上料的擴(kuò)散爐以及已經(jīng)摻雜了磷的硅晶片。點(diǎn)擊圖片能轉(zhuǎn)換不同圖片。需要注意的是，圖中即將進(jìn)入右邊擴(kuò)散爐的晶片都是出自同一塊硅錠，它們擁有相似的晶粒分布。§9.2

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2024/11/540自動(dòng)上料的擴(kuò)散爐。使用機(jī)器人設(shè)備能夠提升電池制造的可靠性，并降低成本。絲網(wǎng)印刷的生產(chǎn)線。點(diǎn)擊圖片能進(jìn)距離觀察藍(lán)色塑料屏下的絲網(wǎng)印刷過(guò)程。§9.2

硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)

2024/11/541先進(jìn)的絲網(wǎng)印刷機(jī)器，使用攝像機(jī)來(lái)快速準(zhǔn)確地排布金屬電極網(wǎng)的圖案。在完成每個(gè)電池的效率測(cè)量工作后，對(duì)它們進(jìn)行排序以盡量減小模塊錯(cuò)配。用鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖片觀看另一幅圖片?！?.2

硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)

2024/11/542在進(jìn)行壓片之前排列電池片?！?.2

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制造太陽(yáng)能電池2024/11/543

埋電極太陽(yáng)能電池（如圖）是一種高效率的商業(yè)用太陽(yáng)能電池，其特點(diǎn)是把金屬電極鍍到激光形成槽內(nèi)。埋電極技術(shù)克服了絲網(wǎng)印刷電極的許多缺點(diǎn)，這也使得埋電極太陽(yáng)能電池的效率能達(dá)到25%，比商業(yè)絲網(wǎng)印刷電池要高。埋電極太陽(yáng)能電池，激光刻槽的橫截圖。氧化物背金屬電極§9.2埋電極電池2024/11/544§9.2埋電極電池

埋電極大大增加了金屬柵條的高-寬比例。大的高-寬比意味著能夠在接觸電極中使用大量的金屬，而不需要在表面鋪上寬大的金屬條。因此，金屬柵條的大高-寬比允許窄的柵條間距，同時(shí)保持高的透明度。例如，一塊大面積的絲網(wǎng)印刷電池，其被阻擋的光就可能達(dá)到10%到15%，而如果使用埋電極結(jié)構(gòu)，則其損失就只有2%到3%。這樣低的光損失能降低光反射并因此提高短路電流。部分激光刻槽的橫截圖2024/11/545

除了具有良好的減反射特性之外，埋電極電池技術(shù)還能降低寄生電阻損耗，因?yàn)樗慕饘贃艞l具有高的高-寬比、柵條的間距適當(dāng)，以及良好的金屬電極材料。因?yàn)闁艞l之間的距離越窄，發(fā)射區(qū)的電阻損耗也越小。同時(shí)，金屬網(wǎng)格的電阻也減小了，因?yàn)樵诩す饪滩壑惺褂玫慕饘倭看蟠笤黾恿耍医饘龠€是電阻率比鋁低的銅。此外，由于在半導(dǎo)體-金屬交界面處形成銅硅化物以及它們交界面積的擴(kuò)大，使得埋電極的接觸電阻也比絲網(wǎng)印刷電池的小?？偟膩?lái)說(shuō)，這些電阻損耗的減小使得大面積電池?fù)碛懈叩奶畛湟蜃?。?.2埋電極電池

2024/11/546埋電極電池的金屬化方案同樣提升了發(fā)射區(qū)的性能。為了盡量減少電阻損耗。絲網(wǎng)印刷，要對(duì)絲網(wǎng)印刷電池的發(fā)射區(qū)進(jìn)行重?fù)诫s，而這也導(dǎo)致了電池表面“死層”的出現(xiàn)。因?yàn)槁耠姌O結(jié)構(gòu)的發(fā)射區(qū)電阻很小，所以能夠通過(guò)優(yōu)化發(fā)射區(qū)的摻雜來(lái)獲得高開(kāi)路電壓和短路電流。此外，埋電極結(jié)構(gòu)還包括了自我對(duì)準(zhǔn)、自我選擇的發(fā)射區(qū)，能夠因此減小接觸復(fù)合和提高開(kāi)路電壓。

§9.2埋電極電池

2024/11/547§9.2埋電極電池

埋電極電池的高效率顯著降低了成本，并提高了電池性能。就成本﹩/w而言，埋電極電池與絲網(wǎng)印刷電池是不相上下的。然而，由于PV系統(tǒng)中包括了與面積相關(guān)的成本和固定成本，則效率高的太陽(yáng)能電池的發(fā)電成本更低。埋電極電池技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是能夠在聚光太陽(yáng)能系統(tǒng)中使用。2024/11/548

高效率太陽(yáng)能電池制造的成本比普通硅太陽(yáng)能電池要高得多，因此通常使用在太陽(yáng)能車(chē)或空間應(yīng)用上。Hondadream，1996年世界太陽(yáng)能汽車(chē)挑戰(zhàn)賽的冠軍車(chē)。此車(chē)的太陽(yáng)能電池效率超過(guò)20%?！?.2

硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)

高效率太陽(yáng)能電池2024/11/549§9.2

硅太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)

高效率太陽(yáng)能電池

為了獲得最高效率，實(shí)驗(yàn)室制造硅太陽(yáng)能電池時(shí)所使用的一些技術(shù)和工藝特點(diǎn)：在發(fā)射區(qū)擴(kuò)散低濃度的磷，既能盡量減小復(fù)合損失又能避免電池表面“死層”的出現(xiàn)?？s窄金屬柵條的距離以減小發(fā)射區(qū)橫向電阻的功率損耗。非常好的金屬柵條，通常小于20μm，以減小陰影損失。打磨或拋光晶片表面后進(jìn)行激光雕刻并鋪上金屬網(wǎng)格。

小的電池面積和好的金屬導(dǎo)電性，以盡量減小金屬網(wǎng)格電阻損失。2024/11/550

小的金屬接觸面積和在金屬電極下面進(jìn)行重?fù)诫s，以盡量減小復(fù)合效應(yīng)。使用精密加工的金屬，如鈦/鈀/銀，盡量降低接觸電阻。良好的背面鈍化以減少?gòu)?fù)合。使用減反射膜，能使反射光從30%減少到10%。

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