硅太阳电池工艺研究光伏毕业论文设计.doc

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1、课程设计论文（设计）题 目:硅太阳电池工艺研究 姓 名: 学 院:光伏工程学院 专 业:光伏材料加工与应用技术 班 级:08级光伏（2）班 学 号:2085110204 指导教师: 目 录 摘要 1 1 引言 2 2 丝网印刷电极穿透二氧化钛膜的太阳电池 2 3 二氧化硅钝化膜的应用 4 4 辉光放电法制作氮化硅减反射膜 5 5 纳米二氧化硅的制备方法 5 5.1 干法制备纳米二氧化硅 6 5.2 溶胶一凝胶法制备纳米二氧化硅 6 5.3 碱金属的硅酸盐制备纳米二氧化硅 7 5.4 微乳液法制备纳米二氧化硅 7 5.5 超重力法制备纳米二氧化硅 7 5.6 利用自然资源制备纳米二氧化硅 8 5

2、.6.1 利用蛇纹石制备纳米二氧化硅 8 5.6.2 利用硅灰石制取二氧化硅 8 5.6.3 由稻壳提取高纯二氧化硅 8 6 讨论及结论 9 7 致谢 10 8 参考文献 11 硅太阳能电池工艺的研究摘要: 采用热氧化法在多晶硅及单晶硅大面积太阳电池上生长二氧化硅钝化膜, 结合丝网印刷制电极及二氧化钛减反射膜工艺, 使太阳电池的扩散长度及效率得到改进。也进行了在多晶硅太阳电池上采用等离子沉积法制作氮化硅减反射膜的研究。关键词: 钝化膜, 晶体硅太阳电池, 氮化硅膜, 丝网印刷法1引言近年来在太阳电池表面制作氧化膜进行表面钝化, 以进一步提高太阳电池的性能, 颇为人们关注。但报道的大部分实验都采

3、用真空蒸镀金属膜的方法, 且金属膜与硅表面间的氧化膜用光刻工序去除, 以避免因电极与氧化膜间的接触电阻而影响钝化效果。此外, 钝化作用在高质量的硅片上才具有明显的效果。而目前实用型太阳电池大部分采用丝网印刷工艺制作电极, 且常用太阳级硅片, 因而有必要从实用角度来进行硅表面钝化的研究。1984 年日本京都陶瓷公司采用PECVD 法沉积氮化硅膜, 并用于生产线, 使太阳电池性能有了较大提高。但世界上其它多晶硅太阳电池生产厂并没有采用该法制备减反射膜, 因而其实际效果有待更多的研究来进行评估。在我们的试验中, 用多晶硅及太阳级单晶硅片作样品, 用丝网印刷制作电极, 用烧透氧化膜, 即增高烧结温度的

4、方法, 使银厚膜穿过氧化膜与硅表面形成欧姆接触, 以探讨简化工艺, 降低成本的途径。2 丝网印刷电极穿透二氧化钛膜的太阳电池首先进行将电极印刷在喷涂法制作的二氧化钛减反射膜上并在800下进行烧结实验,以证明银厚膜可以穿透氧化物膜而形成良好电接触。实验中, 先用有添加N 型掺杂剂的银浆,后用未经掺杂的银浆, 两者均能得到性能良好的太阳电池。丝网印刷电极前后镀二氧化钛膜的太阳电池, 其效率对比见表1。表1 列出的两种太阳电池, 其丝网印刷电极均采用一次烧结法,单晶硅太阳电池的面积为96cm2, 两者的效率比较接近。先镀减反射膜对大批量自动化生产电池是有利的, 焊接导带时不需要穿透氧化膜, 易于进行

5、自动化焊接。两种电池的典型电性能列于表2。表1丝网印刷电极前后镀减反射膜的太阳电池效率对比Table 1 before and after screen-printed electrodes coated anti-reflection film solar cell efficiency comparison后镀膜 效率(% ) 前镀膜 效率(% )1 13. 3 2 13. 6 3 13. 3 4 13. 25 12. 26 13. 67 13. 08 13. 2 9 11. 8 10 12. 9平均 13. 1平均 12. 9表2丝网印刷电极前后镀减反射膜的太阳电池典型电性能Table

6、2 screen-printed electrodes coated anti-reflection film before and after a typical electrical properties of solar cells进行多晶硅太阳电池钝化等试验的硅片, 质量应比较稳定, 且具有工业化生产意义。本试验采用从国外公司制造的145kg 铸锭上用多线切割机切下来的硅片, 片厚为350m, 少子寿命约为26s, 制成电池后测得的有效少子扩散长度约为120m (在晶粒上)。在我们的丝网印刷烧结工艺试制线上制备的多晶硅太阳电池, 平均效率达11% , 其10cm 10cm 多晶硅太阳电

7、池的效率见表3。典型的电性能: V oc= 586mV , I sc= 2. 89A , V m = 420mV , Im = 2. 67A ,FF = 68% , G= 11. 2%。表310cm10cm 多晶硅太阳电池的效率Table 3 10cm 10cm efficiency polycrystalline silicon solar cells3 二氧化硅钝化膜的应用制作二氧化硅膜采用热氧化方法, 温度为800, 膜厚7. 510nm。10cm 10cm 单晶硅太阳电池的效率统计结果见表4, 其典型的电性能列于表5。进行统计的太阳电池, 其电极经烧结穿过二氧化钛膜及薄氧化膜。实际上在

8、多次进行的生产性实验中, 氧化膜的存在对电池效率的提高比估计更明显, 即容易得到等于或高于4% 的增益, 这可能是由于钝化工序具有退火或吸杂及阻挡杂质向硅片内部扩散作用, 即增益也许不单纯是钝化膜造成的, 其原因还需要进一步确认, 但经过多批实验, 钝化膜确有提高效率的作用。表4单晶硅太阳电池的效率统计Table 4 Statistical efficiency monocrystalline silicon solar cell表5单晶硅太阳电池典型电性能Table 5 Typical electrical properties of silicon solar cells钝化实验中用干氧进

9、行热氧化, 其氧化膜的质量最好。丝印电极同时穿过二氧化钛膜和氧化膜或仅穿透过氧化膜。测量了具有不同厚度氧化膜的单晶硅和多晶硅太阳电池的少子扩散长度。测试电池的氧化膜厚度比常规电池厚, 以得到更稳定的测试结果。由表6 数据可见, 有氧化膜的少子扩散长度有很小增益, 这可能是由于氧化膜工艺中附带产生的吸杂作用7 所致。同时, 由于采用短路电流法测试扩散长度, 测得的是有效扩散长度, 硅片背表面氧化膜的钝化作用也会对扩散长度产生轻微的影响。表6晶体硅太阳电池的二氧化硅钝化对少子扩散长度的影响(多片电池平均后的统计结果)Table 6 passivation of crystalline silico

10、n solar cells silicon dioxide impact on the minority carrier diffusion length (multi-chip average, the statistical results of the battery)4 辉光放电法制作氮化硅减反射膜在多晶硅太阳电池上具有较好钝化效果的减反射膜是氮化硅膜。因为氮化硅膜在制作中使用的硅烷含有氢原子, 在辉光放电制膜过程中可能对多晶硅起钝化作用。用我院经丝网印刷制电极的多晶硅太阳电池, 在美国GIT 制备减反射膜, 其结果见表7。该表中样品2、4、5, 在350的含氢气氛中经35m in 热

11、处理, 其它样品均未经氢热处理。表7 的结果显示在常规的范围内, 减反射膜的钝化作用对效率的影响尚不明显, 估计需在350400等离子沉积时, 由于氢原子的作用氮化硅膜才能得到更好的钝化。制成膜后在350的氢气氛中烧结, 对丝网印刷制电极的多晶硅太阳电池, 其电性能没有明显的增益。表7氮化硅减反射膜对多晶硅太阳电池(5cm5cm) 电性能的影响Table 7 silicon nitride antireflection coating on silicon solar cell (5cm 5cm) of the electrical properties5 纳米二氧化硅的制备方法二氧化硅的制备

12、按工艺可分为干法和湿法两大类。干法工艺制备的产品虽然具有纯度高，性能好的特点，但生产过程中能耗大，成本高。相比而言，湿法所用原材料广泛、价廉，产品经过硅烷偶联剂化学改性后，补强性能接近于炭黑。无论采用哪种方法，人们追求的目标是相同的，即制备出粒度均匀、分布窄、纯度高、分散性好、比表面积大的超细纳米二氧化硅。5.1 干法制备纳米二氧化硅干法 生 产 工艺的原料一般采用有机卤硅烷、氧(或空气)和氢，在高温下反应制备纳米二氧化硅。以四氯化硅为例，其反应式为:SiC14+ (n+2)H2+ (n/2 +1) 02SiO2n H2O + 4HC1干法中还有硅砂和焦炭的电弧加热法，有机硅化合物分解法等。主

13、要流程是:将上述硅化合物在空气和氢气中均匀混合，于高温下水解，再通过旋风分离器，分离出大的凝集颗粒，最后脱酸制得气相Si仇，其反应式为:H2 +02 +硅化合物 气相SiO2+ 4H+段先健等利用一定的比例氧气、氢气和有机卤硅烷，连续地输进燃烧喷嘴，在反应室中燃烧反应;同时在反应室中输人一种保护气体;卤硅烷利用燃烧生成的水以及产生的热量进行高温水解缩合反应;反应产物经过聚集、气固分离、脱酸等后处理工艺，得到的纳米SiO2，其原生粒径在740nm之间，比表面积在100400 m2/g之间。该工艺的特点是:它因采用燃烧喷嘴和反应室，可防止生产过程中纳米SiO2在反应室壁上的沉积，提高了生产的连续性

14、以及产品的稳定性;又因采用了媛烧脱酸工艺，同时通人水蒸气和惰性气体，保证脱酸后产品的声值为3.8一4.5之间，整个生产过程形成一个封闭的系统，没有粉尘污染，SiO2的收率大于99%。5.2 溶胶一凝胶法制备纳米二氧化硅该工艺是将硅酸醋与无水乙醇按一定的摩尔比搅拌成均匀的混合溶液，在搅拌状态下缓慢加人适量的去离子水，然后调节溶液的pH值，再加人合适的表面活性剂，将所得溶液搅拌后在室温下陈化制得凝胶，凝胶在马弗炉中干燥得所需纳米SiO2粉体。张立德等采用硅酸脂加无水乙醇、盐酸、去离子水，在酸性环境下加人1M L十六烷胺，生成SiO2凝胶;再将凝胶烘干，高温处理，即得到尺寸可控，量大的白色非晶态纳米

15、SiO2粉体。用此方法制备的SiO2粉量大、纯度高、颗粒分布均匀、粒径单一、无硬团聚，并且它可以通过反应物的配比、水解温度及退火温度，有效地控制SiO2粉体尺寸;有着极高的实用价值。霍玉秋等研究了正硅酸乙醋在碱的催化下与水反应，通过水解聚合制备纳米二氧化硅。该工艺是制备纳米二氧化硅简便易行的方法，于常温下即可快速反应;制得纳米二氧化硅为粒径分布均匀的球型颗粒，平均粒径在40nm以下。5.3 碱金属的硅酸盐制备纳米二氧化硅131芳琼研究了从碱金属的硅酸盐制备纳米二氧化硅颗粒的方法。该法采用将表面活性剂溶解在非极性有机溶剂中，配成溶液;依据纳米SiO2颗粒的大小所要求的Rw(水与表面活性剂的摩尔浓

16、度比)及配制碱金属硅酸盐水溶液与表面活性剂的摩尔浓度比)来配制碱金属硅酸盐的水溶液;此水溶液在搅拌下加人到表面活性剂的非极性有机溶剂溶液中，制成碱金属硅酸盐的反胶束溶液;将此反胶束溶液加到酸化了的极性有机溶液分散相中，陈化一段时间;离心分离，制出粒径在5100nm二氧化硅颗粒。汪国忠等用商品级水玻璃和碱金属盐类为原料，在表面活性剂的调制下，混合合成后，再经带酸性的溶液和去离子水洗涤至无Cl- ,Fe2+和Fe3+;最后烘干得到粒度可控的非晶球形二氧化硅纳米粉。该法生产的制备的纳米SiO2颗粒分布均匀、纯度高、多孔、具有球形和高表面积。可用作超薄膜中的填料;能改善橡胶填料的性质，使之耐磨，硬度增

17、强;在半导体技术中可用作绝缘层，掩埋层，衬底层的材料以及用作光学复合玻璃等。5.4 微乳液法制备纳米二氧化硅人们对纳米SiO2的合成已作过许多研究。其中，受控合成法(如在微乳液系统中)制备的纳米粒子粒度均一，越来越激起人们的兴趣。王玉棍等以TritonX一100/正辛醇/环己烷/水(或氨水)形成微乳液，在考察该微乳液系统稳定相行为的基础上，由正硅酸乙醋(TEOS)水解反应制备纳米粒子。该工艺的分析结果表明:选择适当的R(水与表面活性剂量比)和h(水与正硅酸乙醋量比)，可以合成具有无定形结晶的疏松球形纳米级SiO2粒子，且反应后处理较简便。粒径大小则可由改变R和h控制，在R=6.5,h=4的条件

18、下，TEOS受控水解制得的SiO2粒子99.7%粒径为40一50 nm.5.5 超重力法制备纳米二氧化硅该工艺是将一定浓度的水玻璃溶液静置过滤后置于超重力反应器中，升温至反应温度后，加人絮凝剂和表面活性剂，开启旋转填充床和液料循环泵不断搅拌和循环回流，温度稳定后，通人C02气体进行反应，当pH值稳定后停止进气。加酸调节料液的声值，并保温陈化，最后经过洗涤、抽滤、干燥、研磨、过筛等操作，制得粒度为30 n 的二氧化硅粉体。采用超重力法制备的纳米二氧化硅粒子大小均匀，平均粒径小于30min。传质过程和微观混合过程得到了极大的强化，大大缩短了反应时间。5.6 利用自然资源制备纳米二氧化硅5.6.1

19、利用蛇纹石制备纳米二氧化硅蛇纹 石 主 要成分含MgO39.5% , SiO240.4 % ，是一种很有利用价值的含镁矿物资源。刘福来等利用蛇纹石制备纳米二氧化硅:首先将蛇纹石酸浸提镁后的浸渣(主要是多孔二氧化硅及少量未反应的矿物)在100温度和常压下，加人烧碱，将多孔二氧化硅溶出，形成水玻璃溶液，再加人一定量的酸，最终制得纳米二氧化硅。5.6.2 利用硅灰石制取二氧化硅硅灰石溶解于盐酸能形成酸性硅溶胶。因而可利用硅灰石采用酸溶法生产二氧化硅。陈庆春等在该方面进行了多年探索研究。取1:2盐酸加人盛硅灰石的容器中，按1.05过量系数加人盐酸并不断搅拌，待反应完全后用自来水稀释;接着加热至90，再

20、用石灰缓慢中和至声值为78，在90下保温一段时间;然后将上述絮状沉淀抽滤，母液蒸发、浓缩、结晶，得到副产品氛化钙;固体洗至无Cl-，然后将固体干燥、研磨得到纳米二氧化硅。该工艺的特点是:省去制取水玻璃的高温熔融过程，且可在生产二氧化硅的同时得到副产品氯化钙。5.6.3 由稻壳提取高纯二氧化硅稻壳是一种硅含量丰富的天然材料，其SiO2含量一般在18%22.1%，其余为有机物和微量金属元素。稻壳在高温、高压、氧化性的酸性介质中，有机物可分解，微量金属元素可变成可溶性离子去除。稻壳炭化后的主要成分是二氧化硅，由于其本身的硅骨架是蜂窝状的结构，具有极强的活性，是生产白炭黑的优质原料。在环境保护呼声越来

21、越高、能源日趋紧张的今天，新能源、新材料的开发势在必行，本发明正填补了国家在该领域的空白。利用稻壳所生产的白炭黑系列产品的具有成本低、质量高、效益好的特点，堪称一代绿色精细化工产品6 讨论及结论在丝网印刷法制电极的晶体硅太阳电池上用氧化硅钝化膜是可行的, 并易于进行工业化低成本生产, 其技术关键是烧结条件, 应保证电极穿过两层介质膜与硅表面接触时仍能保持良好的欧姆接触。PECVD 法制作的氮化硅膜必须在400左右的温度下沉积才有可能获得比其它常规减反射膜更高的增益。采用常规丝网印刷电池工艺在400下钝化, 其增益可达10% , 该工艺可应用于生产。 7 致谢本论文是在所有专业老师的亲切关怀和悉

22、心指导下完成的。他们严肃的教学态度，严谨的治学精神，精益求精的 工作 作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，老师们都始终给予我细心的指导和不懈的支持。两年多来，老师们不仅在学业上给我以精心指导， 同时 还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向老师们致以诚挚的谢意和崇高的敬意。在此，我还要感谢在一起愉快的度过学习生生活的08光伏（2）班的各位同门，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！8

23、参考文献1RohatgiA. Rai2Cjp idjiry P. A nnual Repo rt, SER ISTR 221122451,DE85000507, 19842Chen Z, RohatgiA. F irstWCPEC, 199413313U ematsu T , Kanda K, Kokunai S, et al. 21th IEEE Pho tovo lt. Special. Conf. , 19902994King R R, Gruenbaum P E, Sinton R A , et al. 21th IEEE Pho tovo lt. Special. Conf. , 19902275Gruenbaum P E, King R R, Sw anson R M. 21th IEEE Pho tovo lt. Special. Conf. , 19903176Kmura K. P roc. 1st PV SEC, 1984377M art inuzzi S. 8th European PV SEC, 198814126