晶体硅太阳能电池.ppt
《晶体硅太阳能电池.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《晶体硅太阳能电池.ppt(125页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、第二章第二章 晶体硅太阳能电池晶体硅太阳能电池引言引言 为什么要选硅作为太阳电池材料为什么要选硅作为太阳电池材料 晶硅和非晶硅是制备太阳能电池的理想材料。这首先因为硅材料对入射阳光有很强的吸收。由于a-Si不存在长程的周期性,其能带结构与Si晶体存在一些差别,两者的吸收谱也就不一样。图是晶态硅(c-Si)和非晶态(a-Si)吸收谱的比较,横坐标是光子能量(eV)。可以很清楚地看出,1.5(eV)附近,c-Si 的吸收较 a-Si 略强一些,而高能光子和低能光子,a-Si的吸收都较c-Si强得多。太阳光谱中可见光部分的波长范围400800nm,相应的能量范围为3.11.6eV。当入射光波长进入太
2、阳的可见部分波段时,a-Si的吸收系数已开始大于d-Si的吸收系数。随频率的增加,光子能量的提高,吸收系数还要逐渐增大。总的来说硅材料能较好的匹配太阳光谱、价格低、含量丰富、工艺成熟第二章第二章 晶体硅太阳能电池晶体硅太阳能电池自年研制出具有一定光电转换效率的硅太阳电池后,便被主要应用于空间飞行器的能源系统。最早在尖兵一号卫星上装备了太阳电池,从此,太阳电池在空间的应用不断扩大。相应地,研制了生产满足空间电池的标准电池工艺流程。该工艺在六十年代和七十年代初期一直被沿用。到七十年代中期,由于石油危机,人们将注意力投到新能源上。一些企业开始生产专门用于地面的电池,生产电池的工艺有了某些重大的改变。
3、其基本工艺可以归纳为下列步骤:、砂子还原成治金级硅、治金级硅提纯为半导体级(太阳能级)硅、半导体级(太阳能级)硅转变为硅片、硅片制成太阳电池(重点)、太阳电池封装成电池组件(重点)第一节第一节 硅太阳电池常规工艺硅太阳电池常规工艺 第二章 晶体硅太阳能电池1.1 硅材料的制备与选取硅材料的制备与选取 硅是地球外壳第二位最丰富的元素,提炼硅的原料是iO。在目前工业提炼工艺中,一般采用i的结晶态,即石英砂在电弧炉中(如图3.)用碳还原的方法治炼得反应方程为 工业硅的纯度一般为,所含的杂质主要为、g 等。由工业硅制成硅的卤化物(如三氯硅烷,四氯化硅)通过还原剂还原成为元素硅,最后长成棒状(或针状、块
4、状)多晶硅。习惯上把这种还原沉积出的高纯硅棒叫作多晶硅。多晶硅经过区熔法()和坩埚直拉法()制成单晶硅棒。随着太阳电池的应用从空间扩展到地面,电池生产成本成为推广应用的最大障碍。硅片质量直接影响成品电池的性能,它的价格在很大程度上决定了成品电池的成本。质量和价格是必须要重点考虑的因素。图3.1 生产冶金级硅的电弧炉的断面图 1.碳和石英岩2.内腔3.电极;4.硅;5.碳化硅6.炉床7.电极膏8.铜电极9.出料喷口;10.铸铁壁11.陶瓷12.石墨盖 第二章 晶体硅太阳能电池1.1 硅材料的制备与选取硅材料的制备与选取 降低太阳电池的成本决定于硅材料成本的降低。而硅材料成本的关键在于材料的制造方
5、法。为了能与其它能源竞争,一般要和晶硅太阳电池的转换效率大于。达到这一要求实际上并不需要使用半导体级硅。人们研制、生产太阳电池级硅()。我们知道一些金属(、和)只要很低的浓度就能降低电池的性能,而另一些杂质即便浓度超过仍不成问题,此浓度大约比半导体级硅的杂质浓度高倍,这样就可以选用成本较低的工艺来生产纯度稍低的太阳电池级硅,而仍旧能制造性能比较好的电池。除了价格、成本和来源难易外,根据不同用途,可以从下几方面选用硅材料:、导电类型:从国内外硅太阳电池生产的情况来看,多数采用型硅材料,这是基于型电池在空间的应用及其传统的生产历史。也由于该种材料易得。第一章第一章 太阳能电池的工作原理和基本特性太
6、阳能电池的工作原理和基本特性 之半导体物理基础之半导体物理基础、电阻率:由硅太阳电池的原理知道,在一定范围内,电池的开路电压随着硅基体电阻率的下降而增加,材料电阻率较低时,能得到较高的开路电压,而短路电流则略低,总的转换效率较高。所以,地面应用倾向于.的材料。太低的电阻率。反而使开路电压降低,并且导致填充因子下降。、晶向、位错、寿命 太阳电池较多选用()和()晶向生长的单晶。由于绒面电池相对有较高的吸光性能,较多采用()间的硅衬底材料。在不要求太阳电池有很高转换效率的场合,位错密度和电子寿命不作严格要求。第二章 晶体硅太阳能电池1.2 单体电池的制造单体电池的制造 可分为两大工序:硅片生产工艺
7、(及主要设备)和太阳能电池片生产制造工艺、硅片生产工艺(及主要设备、硅片生产工艺(及主要设备)工艺流程:硅锭(硅棒)-切块(切方)-倒角抛光-粘胶-切片-脱胶清洗-分选检验包装 工艺简介:切块切方:将硅锭或者硅棒切成适合切片的尺寸,一般硅锭切成25块(主流)。倒角抛光:将晶柱的圆面棱角研磨成符合要求的尺寸,对表面进行抛光处理,从而获得高度平坦的晶片。粘胶:用粘附剂把晶柱固定在由铝板和玻璃板组成的夹具上,自然硬化或用恒温炉使其硬化。切片:把晶柱切割成硅片,切割的深度要达到夹具上的玻璃板,以便在之后的程序中把硅片和玻璃板分开。脱胶清洗:用清水清洗切成的硅片,再用热水浸泡,使硅片与玻璃板分开。分选检
8、验包装:抽样检查厚度、尺寸、抗阻值等指标,全部检查破损、裂痕、边缘缺口,挑选出符合要求的硅片进行包装。第二章 晶体硅太阳能电池主要设备介绍主要设备介绍1、切方机切方机是用来对硅棒、硅锭进行切割的设备。该设备目前在国内已实现规模化生产,上海日进、上海汉虹、大连连城、北京京仪世纪等公司已有成熟的产品投入市场。一条50MW的硅片生产线需要配1台切方机即可,国产设备价格为280万元左右。2、多线切割机多线切割机是目前市场上用于切片最主流,也是最先进的设备。它的基本原理是通过一根高速运动的钢线带动附着在钢丝上的切割刃料对硅棒进行摩擦,从而将硅棒等硬脆材料一次同时切割为数千片薄片的一种切割加工方法。多线切
9、割由于其更高效、更小切割损失以及更高精度的优势,适用于切割贵重、超硬材料。近十年来已取代传统的内圆切割成为硅片切割加工的主要方式。在光伏行业切片领域,到2009年底国内市场基本被瑞士的HCT、MeyerBurger(梅耶博格)和日本的NTC所统治。近年来国内设备厂家上海日进、电子集团45所、兰州瑞德、无锡开源、大连连城、北京京联发、湖南宇晶等也陆续推出了多线切割机样机。第二章 晶体硅太阳能电池从样机来看,技术原理和设计主要都是借鉴了日本的NTCMWM442D机型的很多理念,样机基本属于小型机。国内开发的多线切割机样机都面临着类似的问题,成品率低、断线率高、控制精度差等。加上硅料价格高昂,客户尝
10、试新机器的成本非常高,每次的损失可能动辄几万甚至几十万,这也是制约设备制造企业获得更多的生产性实验数据来改进设备的原因之一。硅片的厚度对硅片成本的影响很大,如今市场上的硅片以180um和200um为主导,同时各企业正在不停地探索更薄硅片的切割工艺。目前国内小部分企业硅片的硅耗量已经达到5.8g/w。一条50MW的硅片生产线需要配置57台(单晶生产线所需切割机比多晶少)多线切割机,每台价格为200400万元,国外同类产品的价格为500600万元。据估算,一条50MW的硅片生产线,设备总成本大概为20003000万元。第二章 晶体硅太阳能电池、太阳能电池片生产制造工艺、太阳能电池片生产制造工艺硅单
11、体太阳电池的主要制造工艺主要包包括表面准备、扩散制结、制作电极和减反射膜几道工序,下面分别作一叙述:1.2.2.1 硅片的表面处理硅片的表面处理 硅片的表面准备是制造硅太阳电池的第一步主要工艺,它包括硅片的化学清洗和表面腐蚀。硅片的化学处理 通常,由单晶棒所切割的硅片表面可能污染的杂质大致可归纳为三类:1、油脂、松香、蜡等有机物质。2、金属、金属离子及各种无机化合物。3、尘埃以及其它可溶性物质,通过一些化学清洗剂可以达到去污的目的。如硫酸、王水、酸性和碱性过氧化氢溶液等。第二章 晶体硅太阳能电池硅片的表面腐蚀 硅片经过初步清洗去污后,要进行表面腐蚀,这是由于机械切片后,在硅片表面留下的平均为3
12、050m 厚的损伤层,腐蚀液有酸性和碱性两类。1、酸性腐蚀法 硝酸和氢氟酸的混合液可以起到很好的腐蚀作用,其溶液配比为浓硝酸:氢氟酸=10:1 到2:1。硝酸的作用是使单质硅氧化为二氧化硅,其反应为 而氢氟酸使在硅表面形成的二氧化硅不断溶解,使反应不断进行,其反应为 生成的络合物六氟硅酸溶于水,通过调整硝酸和氢氟酸的比例,溶液的温度可控制腐蚀速度,如在腐蚀液中加入醋酸作缓冲剂,可使硅片表面光亮。一般酸性腐蚀液的配比为 硝酸:氢氟酸:醋酸=5:3:3 或5:1:1 第二章 晶体硅太阳能电池2、碱性腐蚀 硅可与氢氧化钠、氢氧化钾等碱的溶液起作用,生成硅酸盐并放出氢气,化学反应 为出于经济上的考虑,
13、通常用较廉价的NaOH溶液,图3.4为100C下不同浓度的NaOH溶液对(100)晶向硅片的腐蚀速度。碱腐蚀的硅片表面虽然没有酸腐蚀光亮平整,但制成的电池性能完全相同,目前,国内外在硅太阳电池生产中的应用表明,碱腐蚀液由于成本较低,对环境污染较小,是较理想的硅表面腐蚀液,另外碱腐蚀还可以用于硅片的减薄技术,制造薄型硅太阳电池。图3.4 硅片在不同浓度NaOH溶液中的腐蚀速率 第二章 晶体硅太阳能电池3、碱面硅表面的制备、碱面硅表面的制备 太阳电池主要进展之一是应用了绒面硅片,绒面状的硅表面是利用硅的各向异性腐蚀,在硅表面形成无数的四面方锥体,图3.5为扫描电子显微镜观察到的绒面硅表面。由于入射
14、光在表面的多次反射和折射,增加了光的吸收,其反射率很低,故绒面电池也称为黑电池或无反射电池。图3.5 在扫描电镜下绒面电池表面的外貌 高10m的峰是方形底面金字塔的顶。这些金字塔的 侧面是硅晶体结构中相交的(111)面 第二章 晶体硅太阳能电池各向异性腐蚀即腐蚀速度随单晶的不同结晶方向而变化,一般说来,晶面间的共价健密度越高,也就越难腐蚀。对于硅而言,如选择合适的腐蚀液和腐蚀温度,(100)面可比(111)面腐蚀速度大数十倍以上。因此,(100)硅片的各向异性腐蚀最终导致在表面产生许多密布的表面为(111)面的四面方锥体,由于腐蚀过程的随机性,方锥体的大小不等,以控制在36m为宜。硅的各向异性
15、腐蚀液通常用热的碱性溶液,如氢氧化钠,氢氧化钾,氢氧化锂,联氨和乙二胺等,商品化电池的生产中,通常使用廉价的氢氧化钠稀溶液(浓度为12%)来制备绒面硅,腐蚀温度为80C左右,为了获得均匀的绒面,还应在溶液中添加醇类(如无水乙醇或异丙醇等)作为络合剂,加快硅的腐蚀。第二章 晶体硅太阳能电池、扩散制结扩散制结 制结过程是在一块基体材料上生成导电类型不同的扩散层,它和制结前的表面处理均是电池制造过程中的关键工序。制结方法有热扩散,离子注入,外延,激光及高频电注入法等。本节主要介绍热扩散法。扩散是物质分子或原子运动引起的一种自然现象,热扩散制pn结法为用加热方法使V族杂质掺入P型或族杂质掺入n型硅。硅
16、太阳电池中最常用的V族杂质元素为磷,族杂质元素为硼。对扩散的要求是获得适合于太阳电池pn结需要的结深和扩散层方块电阻,浅结死层小,电池短波响应好,而浅结引起串联电阻增加,只有提高栅电极的密度,才能有效提高电池的填充因子,这样,增加了工艺难度,结深太深,死层比较明显,如果扩散浓度太大,则引起重掺杂效应,使电池开路电压和短路电流均下降,实际电池制作中,考虑到各个因素,太阳电池的结深一般控制在0.30.5m,方块电阻均2070/,硅太阳电池所用的主要热扩散方法有涂布源扩散,液态源扩散,固态源扩散等,下面分别对这几种方法作简单介绍。第二章 晶体硅太阳能电池1、涂布源扩散 涂布源扩散一般分简单涂源扩散和
17、二氧化硅乳胶源涂布扩散。简单涂源扩散是用一、二滴五氧化二磷或三氧化二硼在水(或乙醇)中稀溶液,预先滴涂于p型或n型硅片表面作杂质源与硅反应,生成磷或硼硅玻璃。沉积在硅表面的杂质元素在扩散温度下向硅内部扩散。因而形成pn或np结。工业生产中,涂布源方法有喷涂,刷涂,丝网印刷,浸涂,旋转涂布等。该方法成本低廉,适宜于小批量生产涂源扩散工艺的主要控制因素是扩散温度,扩散时间和杂质源浓度,最佳扩散条件常随硅片的性质和扩散设备而变化。实例实例:p型硅片 晶向(111);电阻率 1.0cm 扩散温度 9009500C;扩散时间 1015min 氮气流量 3070ml/min;杂质源为特纯P2O5在水或乙醇
18、中的溶液 表面方块电阻2040/第二章 晶体硅太阳能电池二氧化硅乳胶实际上是一种有机硅氧烷的水解聚合物,能溶于乙醇等有机溶剂中,形成有一定粘度的溶液,它在100400C下烧烘烤后逐步形成无定型的二氧化硅。二氧化硅乳胶可在硅酸乙酯中加水和无水乙醇经过水解而成,也可将四氯化硅通入醋酸后加乙醇制得。乳胶中适量溶解五氧化二磷或三氧化二硼等杂质,并经乙醇稀释成可用的二氧化硅乳胶源。实例实例 1cm P型硅片中,将掺杂五氧化二磷的这种源涂布,干燥温度 2000C 扩散温度 8009500C 扩散时间 1560min 则可使方块电阻为1040/结深0.5m左右。第二章 晶体硅太阳能电池2、液态源扩散 液态源
19、扩散有三氯氧磷液态源扩散和硼的液态源扩散,它是通过气体携带法将杂质带入扩散炉内实现扩散。其原理如图3.6:图3.6 三氯氧磷扩散装置示意图 第二章 晶体硅太阳能电池对于p型10cm硅片,三氯氧磷扩散过程举例如下:(1)将扩散炉预先升温至扩散温度(8509000C)。先通入大流量的氮气(5001000ml/min),驱除管道内气体。如果是新处理的石英管,还应接着通源,即通小流量氮气,(40100ml/min)和氧气(3090ml/min),使石英壁吸收饱和。(2)取出经过表面准备的硅片,装入石英舟,推入恒温区,在大流量氮气(5001000ml/min)保护下预热5分钟。(3)调小流量,氮气401
20、00ml/min、氧气流量3090ml/min。通源时间1015min。(4)失源,继续通大流量的氮气min,以赶走残存在管道内的源蒸气。(5)把石英舟拉至炉口降温分钟,取出扩散好的硅片,硼液态源扩散时,其扩散装置与三氯氧磷扩散装置相同,但不通氧气。第二章 晶体硅太阳能电池3、固态氮化硼源扩散 固态氮化硼扩散通常采用片状氮化硼作源,在氮气保护下进行扩散。片状氮化硼可用高纯氮化硼棒切割成和硅片大小一样的薄片,也可用粉状氮化硼冲压成片。扩散前,氮化硼片预先在扩散温度下通氧分钟使氮化硼表面的三氧化二硼与硅发生反应,形成硼硅玻璃沉积下在硅表面,硼向硅内部扩散。扩散温度为0,扩散时间分钟,氮气流量以下,
21、氮气流量较低,可使扩散更为均匀。第二章 晶体硅太阳能电池4、各种扩散方法的比较 第二章 晶体硅太阳能电池、去边去边 扩散过程中,在硅片的周边表面也形成了扩散层。周边扩散层使电池的上下电极形成短路环,必须将它除去。周边上存在任何微小的局部短路都会使电池并联电阻下降,以至成为废品。去边的方法有腐蚀法,即将硅片两面掩好。在硝酸、氢氟酸组成的腐蚀液中腐蚀秒钟左右。挤压法是用大小与硅片相同,略带弹性的耐酸橡胶或塑料,与硅片相间整齐隔开,施加一定压力后,阻止腐蚀液渗入缝隙取得掩蔽。目前,工业化生产用等离子干法腐蚀,在辉光放电条件下通过氟和氧交替对硅作用,去除含有扩散层的周边。第二章 晶体硅太阳能电池、去除
22、背结去除背结 及边缘结及边缘结去除背结常用下面三种方法,化学腐蚀法,磨沙法和蒸铝烧结,丝网印刷铝烧结法。1、化学腐法 化学腐蚀是一种比较早使用方法,该方法可同时除去背结和周边的扩散层,因此可省去腐蚀周边的工序。腐蚀后背面平整光亮,适合于制作真空蒸镀的电极。前结的掩蔽一般用涂黑胶的方法,黑胶是用真空封蜡或质量较好的沥青溶于甲苯,二甲苯或其它溶剂制成。硅片腐蚀去背结后用溶剂溶去真空封蜡,再经过浓硫酸或清洗液煮清洗。2、磨片法 磨片法是用金钢砂将背结磨去,也可以用压缩空气携带砂粒喷射到硅片背面除去。磨片后背面形成一个粗糙的硅表面,因此适应于化学镀镍制造的背电极。3、蒸铝或丝网印刷铝浆烧结法 前两种去
23、除背结的方法,对于和型电池都适用,蒸铝或丝网印刷铝浆烧结法仅适用于n+/p型太阳电池制作工艺。该方法是在扩散硅片背面真空蒸镀或丝网印刷一层铝,加热或烧结到铝硅共熔点(5770C)以上烧结合金(如图3.7)。经过合金化以后,随着降温,液相中的硅将重新凝固第二章 晶体硅太阳能电池图3.7 硅合金过程示意图 第二章 晶体硅太阳能电池出来,形成含有一定量的铝的再结晶层。实际上是一个对硅掺杂的过程。它补偿了背面n+层中的施主杂质,得到以铝掺杂的p型层,由硅一铝二元相图可知随着合金温度的上升,液相中铝的比率增加。在足够的铝量和合金温度下,背面甚至能形成与前结方向相同的电场,称为背面场,目前该工艺已被用于大
24、批量的生产工艺。从而提高了电池的开路电压和短路电流,并减小了电极的接触电阻。背结能否烧穿与下列因素有关,基体材料的电阻率,背面扩散层的掺杂浓度和厚度,背面蒸镀或印刷铝层的厚度,烧结的温度,时间和气氛等因素。第二章 晶体硅太阳能电池去边缘结去边缘结:由于在扩散过程中,即使采用背靠背扩散,硅片的所有表面包括边缘都将不可避免地扩散上磷。PN结的正面所收集到的光生电子会沿着边缘扩散有磷的区域流到PN结的背面,而造成短路。因此,必须对太阳能电池周边的掺杂硅进行刻蚀,以去除电池边缘的PN结。因此,必须对太阳能电池周边的掺杂硅进行刻蚀,以去除电池边缘的PN结。通常采用等离子刻蚀技术完成这一工艺。等离子刻蚀是
25、在低压状态下,反应气体CF4的母体分子在射频功率的激发下,产生电离并形成等离子体。等离子体是由带电的电子和离子组成,反应腔体中的气体在电子的撞击下,除了转变成离子外,还能吸收能量并形成大量的活性基团。活性反应基团由于扩散或者在电场作用下到达SiO2表面,在那里与被刻蚀材料表面发生化学反应,并形成挥发性的反应生成物脱离被刻蚀物质表面,被真空系统抽出腔体。第二章 晶体硅太阳能电池、制作上下电极制作上下电极 电极就是与pn结两端形成紧密欧姆接触的导电材料。习惯上把制作在电池光照面上的电极称为上电极。把制作在电池背面的电极称为下极或背电极。制造电极的方法主要有真空蒸镀、化学镀镍,铝浆印刷烧结等。铝(银
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 晶体 太阳能电池
限制150内