太阳能电池新工艺XXXX14285.docx

太阳能电电池新工工艺一、 半半导体物物理基础础知识1. 物物体的导导电能力力，一般般用材料料电阻率率的大小小来衡量量。电阻阻率越大大，说明明这种材材料的导导电能力力越弱。表表1-11给出以以电阻率率来区分分导体，绝绝缘体和和半导体体的大致致范围。物体导体半导体绝缘体电阻率 · CCM<10ee-410e-3110e99>10ee92. 几几种常见见元素的的原子结结构 硅太阳阳电池生生产中常常用的硅硅（Sii），磷磷（P），硼硼（B）元元素的原原子结构构模型如如图1所所示PBSi 图图13. 单单晶和多多晶在整个晶晶体内，原原子都是是周期性性的规则则排列，称称之为单单晶。由由许多取取向不同同的单晶晶颗粒杂杂乱地排排列在一一起的固固体称为为多晶。4. 硅硅晶体的的金刚石石结构晶体对称称的，有有规则的的排列叫叫做晶体体格子，简简称晶格格，最小小的晶格格叫晶胞胞。图22表示一一些重要要的晶胞胞(a)简单立方（Po）(b)体心立方（Na、W）(c)面心立方（Al、Au） 图22金刚石结结构是一一种复式式格子，它它是两个个面心立立方晶格格沿对角角线方向向上移11/4互互相套构构而成（见见图3）。图3 5. 晶晶面和晶晶向 晶体中中的原子子可以看看成是分分布在一一系列平平行而等等距的平平面上，这这些平面面就称为为晶面。每每个晶面面的垂直直方向称称为晶向向。图11.2-5是几几种常用用到的晶晶面和晶晶向。111晶晶向 1110晶晶向 1100晶晶向 图44比较简单单的一种种包含原原子密排排面的晶晶格是面面心立方方晶格。而而金刚石石晶格又又是两个个面心立立方晶格格套在一一起，相相互之间间。沿着着晶胞体体对角线线方向平平移1/4而构构成的。我我们来看看面心立立方晶格格中的原原子密排排面。按按照硬球球模型可可以区分分在(1100)(1110)(1111)几个个晶 面面上原子子排列的的情况，如如图4所示。金钢石晶晶格是由由面心晶晶格构成成，所以以它的(1111)晶面面也是原原子密排排面，它它的特点点是，在在晶面内内原子密密集、结结合力强强，在晶晶面之间间距离较较大，结结合薄弱弱，由此此产生以以下性质质：(a)由由于(1111)密排面面本身结结合牢固固而相互互间结合合脆弱，在在外力作作用下，晶晶体很容容易沿着着(1111)晶晶面劈裂裂，晶体体中这种种易劈裂裂的晶面面称为晶晶体的解解理面。(b)由由于(1111)密排面面结合牢牢固，化化学腐蚀蚀就比较较困难和和缓慢，而而(1000)面面原子排排列密度度比(1111)面低。所所以(1100)面比(1111)面的的腐蚀速速度快，选选择合适适的腐蚀蚀液和腐腐蚀温度度，(1100)面腐蚀蚀速度比比(1111)面面大的多多，因此此，用(1000)面硅硅片采用用这种各各向异性性腐蚀的的结果，可可以使硅硅片表面面产生许许多密布布表面为为(1111)面面的四面面方锥体体，形成成绒面状状的硅表表面。6.半导导体之所所以得到到广泛的的应用，是是因为它它存在着着一些导导体和绝绝缘体所所没有的的独特性性能。(1) 导电能能力随温温度灵敏敏变化导体，绝绝缘体的的电阻率率随温度度变化很很小，（导导体温度度每升高高一度，电电组率大大约升高高0.44%）。而而半导体体则不一一样，温温度每升升高或降降低1度度，其电电阻就变变化百分分之几，甚甚至几十十，当温温度变化化几十度度时，电电阻变化化几十，几几万倍，而而温度为为绝对零零度（-2733）时，则则成为绝绝缘体。(2) 导电能能力随光光照显著著改变当光线照照射到某某些半导导体上时时，它们们的导电电能力就就会变得得很强，没没有光线线时，它它的导电电能力又又会变得得很弱。(3) 杂质的的显著影影响在纯净的的半导体体材料中中，适当当掺入微微量杂质质，导电电能力会会有上百百万的增增加。这这是最特特殊的独独特性能能。(4)其其他特性性温差电效效应，霍霍尔效应应，发光光效应，光光伏效应应，激光光性能等等。 7. 半半导体中中的“电子”和“空穴”(1) 本征征半导体体纯净的半半导体，在在不受外外界作用用时，导导电能力力很差。而而在一定定的温度度或光照照等作用用下，晶晶体中的的价电子子有一部部分可能能会冲破破共价键键的束缚缚而成为为一个自自由电子子。同时时形成一一个电子子空位，称称之为“空穴”。从能能带图上上看，就就是电子子离开了了价带跃跃迁到导导带，从从而在价价带中留留下了空空穴，产产生了一一对电子子和空穴穴。通常常将这种种只含有有“电子空空穴对”的半导导体称为为本征半半导体。“本征”指只涉及半导体本身的特性。半导体就是靠着电子和空穴的移动来导电的，因此，电子和空穴被统称为载流子。(2) 产生和和复合由于热或或光激发发而成对对地产生生电子空空穴对，这这种过程程称为“产生”。空穴穴是共价价键上的的空位，自自由电子子在运动动中与空空穴相遇遇时，自自由电子子就可能能回到价价键的空空位上来来，而同同时消失失了一对对电子和和空穴，这这就是“复合”。在一一定温度度下，又又没有光光照射等等外界影影响时，产产生和复复合的载载流子数数相等，半半导体中中将在产产生和复复合的基基础上形形成热平平衡。此此时，电电子和空空穴的浓浓度保持持稳定不不变，但但是产生生和复合合仍在持持续的发发生。(3) 杂质和和杂质半半导体纯净的半半导体材材料中若若含有其其它元素素的原子子，那么么，这些些其它元元素的原原子就称称为半导导体材料料中的杂杂质原子子。对硅硅的导电电性能有有决定影影响的主主要是三三族和五五族元素素原子。还还有些杂杂质如金金，铜，镍镍，锰，铁铁等，在在硅中起起着复合合中心的的作用，影影响寿命命，产生生缺陷，有有着许多多有害的的作用。N型半半导体磷（P)，锑（ssb )等五族族元素原原子的最最外层有有五个电电子，它它在硅中中是处于于替位式式状态，占占据了一一个原来来应是硅硅原子所所处的晶晶格位置置，如图图1.66-2。磷磷原子最最外层五五个电子子中只有有四个参参加共价价键，另另一个不不在价键键上，成成为自由由电子，失失去电子子的磷原原子是一一个带正正电的正正离子，没没有产生生相应的的空穴。正正离子处处于晶格格位置上上，不能能自由运运动，它它不是载载流子。因因此，掺掺入磷的的半导体体起导电电作用的的，主要要是磷所所提供的的自由电电子，这这种依靠靠电子导导电的半半导体称称为电子子型半导导体，简简称N型型半导体体。图11.6-3表示示N型半半导体材材料的能能带图。而而为半导导体材料料提供一一个自由由电子的的v族杂杂质原子子，通常常称为施施主杂质质。 P型型半导体体硼（B）铝铝（ALL）镓（GGA）等等三族元元素原子子的最外外层有三三个电子子，它在在硅中也也是处于于替位式式状态，如如图1.6-44所示。硼硼原子最最外层只只有三个个电子参参加共价价键，在在另一个个价键上上因缺少少一个电电子而形形成一个个空位邻邻近价键键上的价价电子跑跑来填补补这个空空位，就就在这个个邻近价价键上形形成了一一个新的的空位，这这就是“空穴”。硼原原子在接接受了邻邻近价键键的价电电子而成成为一个个带负电电的负离离子，它它不能移移动，不不是载流流子。因因此在产产生空穴穴的同时时没有产产生相应应的自由由电子。这这种依靠靠空穴导导电的半半导体称称为空穴穴型半导导体，简简称P型型半导体体。图11.6-5表示示P型半半导体材材料的能能带图，为为半导体体材料提提供一个个空穴的的族杂质质原子，通通常称之之为受主主杂质。实际上，一一块半导导体中并并非仅仅仅只存在在一种类类型的杂杂质，常常常同时时含有施施主和受受主杂质质，此时时，施主主杂质所所提供的的电子会会通过“复合”而与受受主杂质质所提供供的电子子相抵消消，使总总的载流流子数目目减少，这这种现象象就成为为“补偿”。在有有补偿的的情况下下，决定定导电能能力的是是施主和和受主浓浓度之差差。若施施主和受受主杂质质浓度近近似相等等时，通通过复合合会几乎乎完全补补偿，这这时半导导体中的的载流子子浓度基基本上等等于由本本征激发发作用而而产生的的自由电电子和空空穴的浓浓度。这这种情况况的半导导体称之之为补偿偿型本征征半导体体。在半导体体器件产产生过程程中，实实际上就就是依据据补偿作作用，通通过掺杂杂而获得得我们所所需要的的导电类类型来组组成所要要生产的的器件。在在掺有杂杂质的半半导体中中，新产产生的载载流子数数量远远远超过原原来未掺掺入杂质质前载流流子的数数量，半半导体的的导电性性质主要要由占大大多数的的新产生生的载流流子来决决定，所所以，在在P型半半导体中中，空穴穴是多数数载流子子，而电电子是少少数载流流子。在在N型半半导体中中，电子子是多数数载流子子，空穴穴是少数数载流子子。掺入入的杂质质越多，多多载流子子的浓度度（单位位体积内内载流子子的数目目）越大大，则半半导体的的电阻率率越低，它它的导电电能力越越强。一一块半导导体材料料处于某某一均匀匀的温度度中，且且不受光光照等外外界因素素的作用用，即这这块半导导体处于于平衡状状态，此此时半导导体中的的载流子子称为平平衡态载载流子。半半导体一一旦受到到外界因因素作用用（如光光照，电电流注入入或其它它能量传传递形式式）时，它它内部载载流子浓浓度就多多于平衡衡状态下下的载流流子浓度度。半导导体就从从平衡状状态变为为非平衡衡状态，人人们把处处于非平平衡状态态时，比比平衡状状态载流流子增加加出来的的一部分分载流子子成为非非平衡载载流子。8. 平平衡PNN结在一块完完整的半半导体晶晶体中，如如果一部部分是NN型半导导体，另另一部分分是P型型半导体体。在NN型半导导体中，多多数载流流子是电电子，电电子浓度度远远超超过少数数载流子子空穴的的浓度，而而在P型型半导体体中，空空穴是多多数载流流子，空空穴浓度度远远超超过少数数载流子子电子的的浓度，如如图 55所示。P型N型图5空间电荷区图6在N型和和P型半半导体的的交界面面处存在在有电子子和空穴穴浓度梯梯度，NN区中的的电子就就向P区区渗透扩扩散，扩扩散的结结果是NN型区域域中邻近近P型区区域一边边的薄层层内有一一部分电电子扩散散到N型型中去了了。由于于这个薄薄层失去去了一些些电子，在在N区就就形成带带正电荷荷的区域域。同样样，P型型区域中中邻近NN型区域域一边的的薄层内内有一部部分空穴穴扩散到到N型区区域一边边去了。由由于这个个薄层失失去了一一空穴，在在P区就就形成了了带负电电荷的区区域。这这样在NN型区和和P型区区交界面面的两侧侧形成了了带正，负负电荷的的区域，叫叫做空间间电荷区区。如图图6。空间间电荷区区中的正正负电荷荷间形成成电场。电电场的方方向是由由N型区区域指向向P型区区域，这这个由于于载流子子浓度不不均匀而而引起扩扩散运动动后形成成的电场场称为自自建电场场。 我们知知道，载载流子在在电场作作用下，会会产生漂漂移运动动。自建建电场将将N区向向P区扩扩散的电电子接回回到N区区，把PP区向NN区扩散散的空穴穴接回到到P区，由由此可见见，在空空间电荷荷区内，自自建电场场引起电电子和空空穴的漂漂移运动动方向与与它们各各自的扩扩散运动动方向正正好 相相反。 开始时时，电子子和空穴穴的扩散散占优势势，随着着电子和和空穴的的不断扩扩散。空空间电荷荷的数量量不断增增强自建建电场也也越来越越强，直直到载流流子的漂漂移运动动和扩散散运动相相抵消时时（即大大小相等等，方向向相反），这这时，NN型区域域内的电电子和PP型区域域的空穴穴不再减减少，空空间电荷荷区也不不再加厚厚，达到到了动态态平衡。 空间电电荷区也也叫阻挡挡层，（意意思时阻阻止电子子和空穴穴的继续续扩散），就就是我们们通常讲讲的PNN结。PPN结时时许多半半导体组组件的核核心，PPN结的的性质集集中反映映了半导导体导电电性能的的特点，如如：存在在两种载载流子，载载流子有有漂移扩扩散和产产生，复复合等基基本运动动的形成成。所以以，P-N结是是半导体体组件入入门的基基础。二、新工工艺介绍绍1 高高效单晶晶硅太阳阳电池工工艺流程程如下：SiN共共烧工艺艺流程： 1) 制备绒面面2) 发射区扩扩散3) 边缘p-n结刻刻蚀、去去磷硅玻玻璃4) PECVVD沉积积SiNN5) 丝网印刷刷背电极极、背电电场以及及正面电电极6) 共烧形成成金属接接触7) 电池片测测试2. 绒面制制备硅片采用用0.552·cmm，P型型晶向为为<1000>的的单晶硅硅片。利利用氢氧氧化钠溶溶液可对对单晶硅硅片进行行各向异异性腐蚀蚀的特点点来制备备绒面。当当各向异异性因子子100时（所所谓各向向异性因因子就是是（1000）面面与（1111）面面单晶硅硅腐蚀速速率之比比），可可以得到到均匀的的金字塔塔形的角角锥体组组成的绒绒面。绒绒面具有有受光面面积大，反反射率低低的特点点，可提提高单晶晶硅太阳阳电池的的短路电电流Issc，从从而提高高太阳电电池的光光电转换换效率。金字塔形形角锥体体的表面面积S00等于四四个边长长为a正正三角形形S之和和 由此可见见有绒面面的受光光面积比比光面提提高了倍倍即1.7322倍。当一束强强度为EE0的光投投射到图图中的AA点，产产生反射射光1和进入入硅中的的折射光光2。反射射光1可以继继续投射射到另一一方锥的的B点，产产生二次次反射光光3和进入入半导体体的折射射光4；而对对平面光光电池就就不产生生这第二二次的入入射。经经计算可可知还有有11的二次次反射光光可能进进行第三三次反射射和折射射，由此此可算得得绒面的的反射率率为9.04。3. 发射区区扩散采用三氯氯氧磷气气体携带带源方式式，这个个工艺的的特点是是生产高高，有利利于降低低成本。新新购的88寸硅片片扩散炉炉、石英英管口径径达2770mmm，可以以扩散1150××1500（mmm）的硅硅片。由于石英英管口径径大，恒恒温区长长，提高高了扩散散薄层电电阻均匀匀性，有有利于降降低太阳阳电池的的串联电电阻Rss，从而而提高太太阳电池池填充因因子FFF。4. PECCVD淀淀积SiiN多晶硅太太阳电池池广泛使使用PEECVDD淀积SSiN，是是由于PPECVVD淀积积SiNN时，不不光是生生长SiiN作为为减反射射膜，同同时带来来了大量量氢等离离子体，这这种氢离离子体能能对多晶晶硅片具具有表面面钝化和和体钝化化的双重重作用，可可用于大大批量生生产高效效多晶硅硅太阳电电池。由由于生成成的氮化化硅薄膜膜含有大大量的氢氢，可以以很好的的钝化硅硅中的位位错、表表面悬挂挂键，从从而提高高了硅片片中载流流子迁移移率，一一般要提提高200左右右，同时时由于SSiN薄薄膜对单单晶硅表表面有非非常明显显钝化作作用，表表面的少少子寿命命提高了了5倍左左右，用用PECCVD制制造单晶晶硅太阳阳电池效效率较高高于传统统APCCVD制制造单晶晶硅太阳阳电池。5. 共烧形形成金属属接触晶体硅太太阳电池池要通过过三次印印刷金属属浆料，传传统工艺艺要用二二次烧结结才能形形成良好好的带有有金属电电极欧姆姆接触，共共烧工艺艺只需一一次烧结结，同时时形成上上下电极极的欧姆姆接触，是是高效晶晶体硅太太阳能电电池的一一项重要要关键工工艺，国国外著名名的金属属浆料厂厂商非常常卖力推推广共烧烧工艺。这这个工艺艺基础理理论来自自合金法法制PN结工工艺，就就是电极极金属材材料和半半导体单单晶硅在在温度达达到电极极材料的的溶点或或共晶温温度时，单单晶硅原原子按相相图以一一定的比比例量溶溶入到熔熔融的合合金电极极材料中中去，单单晶硅原原子溶入入到电极极金属中中的整个个过程是是相当快快的，一一般只需需几秒钟钟时间，溶溶入的单单晶硅原原子数目目决定于于合金温温度和电电极材料料的体积积，烧结结合金温温度愈高高，电极极金属材材料体积积愈大，则则溶入的的硅原子子数目也也愈多,这时状状态被称称为晶体体电极金金属的合合金系统统，如果果此时温温度降低低，系统统开始冷冷却，这这时原先先溶入到到溶融到到电极金金属材料料中的硅硅原子，重重新以固固态形式式结晶出出来，也也就是在在金属和和晶体接接触界面面上生长长出一层层新的晶晶体层再再结晶层层，如果果再结晶晶层内含含有足够够量的，与与原先晶晶体材料料导电类类型相同同杂质成成份，这这就获得得了用合合金法工工艺形成成欧姆接接触，如如果再结结晶层内内含有足足够量的的与原先先晶体材材料导电电类型异异型的杂杂质成份份，这就就获得了了用合金金法工艺艺形成PPN结结。银桨、银银铝桨、铝铝桨印刷刷过的硅硅片，通通过烘干干有机溶溶剂完全全挥发，膜膜层收缩缩成为固固状物紧紧密粘附附在硅片片上，这这时，可可视为金金属电极极材料层层和硅片片接触在在一起，所所谓共烧烧工艺显显然是采采用银硅的共共晶温度度，同时时在几秒秒钟内，单单晶硅原原子溶入入到熔融融金属电电极材料料里。后后又几乎乎同时冷冷却形成成再结晶晶层，这这个再结结晶层是是较完美美，单晶晶硅的晶晶格点阵阵结构。只只有一次次烧结钝钝化表面面层的氢氢原子，逸逸失是有有限的保保障了氢氢，钝化化表面的的效果，填填充因子子较高，没没有必要要引入氮氮氢烘焙焙工艺（FFGS）这就是当当前较推推崇的高高温快速速烧结（RRTF）共共烧工艺艺。11