第九章其它器件结构课件.ppt

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1、第九章其它器件结构2023/4/61第1页，此课件共54页哦 内容内容9.3 半导体异质结半导体异质结9.5 实用的低电阻接触实用的低电阻接触9.4 金属金属-半导体异质结半导体异质结9.2 同质结同质结29.6 MIS 太阳能电池太阳能电池9.7 光电化学电池光电化学电池9.1 引言引言第2页，此课件共54页哦9.1 引言光伏半导体的基础是电子学不对称性产生这种不对称性的方法有多种除了经典p-n结外还有其它的一些器件结构从最原始的光伏器件到今天的电池从最原始的光伏器件到今天的电池第3页，此课件共54页哦 艾艾德德蒙蒙贝贝克克勒勒被被认认为为是是第第一一个个向向世世人人展展示示光光伏伏效效应应

2、的的人人。十十九九岁岁那那年年在在父父亲亲的的实实验验室室工工作作，他他尝尝试试用用不不同同的的光光（包包括括太太阳阳光光）去去照照射射电电极极来来产产生生电电流流。他他发发现现，在在电电极极表表面面涂涂上上感感光光材材料料如如AgCl或或AgBr时时，电电流流产产生生效效果果最最好好的的是是蓝蓝光光或或紫紫外外光光。虽虽然然他他很很常常使使用用铂铂电电极极，但但偶偶尔尔也也会会使使用用银银电电极极来来观观察察光光的的响响应应。随随后后，他他便便发发明明了了一一项项利利用用光光伏伏效效应应的的技技术术，即即使使用用“辐辐射射仪仪”来来记录辐射的强度以测量物体的温度。记录辐射的强度以测量物体的温

3、度。9.1 第一个光伏器件第一个光伏器件Edmund Becquerel(1820-1891)光伏效应发现者第4页，此课件共54页哦Cesar Becquerel(1788-1878)电化学的鼻祖Edmund Becquerel(1820-1891)光伏效应发现者Henri Becquerel(1852-1908)放射性的发现者，1903年与居利夫妇共获获得诺贝尔物理奖Jean Becquerel(1878-1953)著名物理学家，研究晶体的光学和电学特性与发现光伏效应有关的与发现光伏效应有关的法国法国Becquere家族。家族。第5页，此课件共54页哦 9.1 第一个光伏器件第一个光伏器件1

4、839年，贝克勒描述年，贝克勒描述的仪器示意图。的仪器示意图。铂电极铂电极薄膜薄膜酸性溶液酸性溶液黑箱黑箱 光光伏伏效效应应的的另另一一个个重重要要进进展展来来自自于于人人们们对对硒硒的的光光导导效效应应的的关关注注。在在研研究究此此效效应应的的时时候候，亚亚当当斯斯和和日日发发现现了了一一个个奇奇怪怪的的现现象象，已已加加热热的的铂铂电电极极被被推推进进到到透透明明硒硒瓶瓶的的另另一一端端，他他们们解解释释其其中中的的原原因因，认认为为内内部部有有电电压压产产生生。亚亚当当斯斯和和日日(1877)利利用用下下面面的的仪仪器器进进行行试试验验的的目目的的之之一一就是，观察能否只用光照就能使硒产

5、生电流。就是，观察能否只用光照就能使硒产生电流。第6页，此课件共54页哦铂丝铂丝透明硒透明硒标记标记玻璃管玻璃管亚当斯和日用以观察硒的光电效应的样本图亚当斯和日用以观察硒的光电效应的样本图 实实验验结结果果令令人人鼓鼓舞舞。这这是是首首次次全全部部利利用用固固体体来来演演示示光光电电效效应应的的试试验验。亚亚当当斯斯和和日日认认为为，光光能能产产生生电电流流是是因因为为光光照照射射使使得得硒硒条条的的表表面面结结晶晶化化。几几十十年年过过后后，物物理理学学的的发发展展让让人人们们能能进进一一步步了了解解这这一一现现象。象。9.1 第一个光伏器件第一个光伏器件第7页，此课件共54页哦金箔金箔硒薄

6、层硒薄层金属层金属层 9.1 第一个光伏器件第一个光伏器件 另另一一个个重重要要的的进进展展来来自自弗弗里里茨茨的的研研究究工工作作。通通过过用用两两种种不不同同材材料料的的金金属属板板来来压压制制融融化化的的硒硒，硒硒能能与与其其中中一一块块板板紧紧紧紧黏黏住住，并并形形成成薄薄片片。然然后后再再用用金金箔箔压压制制硒硒薄薄片片的的另另一一面面，于于是是，历历史史第第一一块光伏器件就制成了。此薄膜器件大概有块光伏器件就制成了。此薄膜器件大概有30cm2大。大。Fritts1883年年 制作的硒薄膜制作的硒薄膜1883年美国科学家弗里茨发明太阳能电池，是19世纪的最高成就 第8页，此课件共54

7、页哦 9.1 第一个光伏器件第一个光伏器件 他他也也是是第第一一个个认认识识到到光光伏伏器器件件有有巨巨大大潜潜力力的的人人。他他知知道道光光伏伏器器件件能能以以非非常常低低的的成成本本制制作作，并并说说：“产产生生的的电电流流如如果果不不是是马马上上使使用用，可可以以在在蓄电池中储存起来，或者传送到另外一个地方，被使用或者储存。蓄电池中储存起来，或者传送到另外一个地方，被使用或者储存。”然然而而，在在大大约约50年年后后，一一轮轮新新的的进进展展才才开开始始在在这这个个领领域域掀掀起起。当当研研究究在在铜铜表表面面生生长长氧氧化化亚亚铜铜层层的的光光电电导导效效应应时时，发发现现了了铜铜-氧

8、氧化化亚亚铜铜交交界界处处的的整整流流效效应应。这这一一结结果果引引领领了了大大面面积积整整流流器器的的发发展展，紧紧接接着着又又促促进进了了大大面面积积光光电电池池的的发发展展。格格朗朗道道尔尔描描述述了了铜铜-氧氧化化亚亚铜铜整整流流器器和和光光电池的发展。电池的发展。第9页，此课件共54页哦 下下图图描描述述了了基基于于铜铜-氧氧化化亚亚铜铜结结的的早早期期光光电电池池的的简简单单结结构构图图。一一圈圈圈圈的的铅铅线线作作为为电电极极连连接接电电池池的的入入光光面面。这这种种方方法法随随后后被被修修改改成成在在表表面面溅溅射射金金属属层层，然然后后移移走走一一部部分分，最最后后形形成成由

9、由金金属属线线构构成成的的网网格格。这这些些发发展展吸吸引引了了人人们们在在这这个个领领域域的的积积极极研研究究。在在1930到到1932年年间间，格格朗朗道道尔尔发发表表了了38篇有关铜篇有关铜-氧化亚铜光伏太阳能电池的论文。氧化亚铜光伏太阳能电池的论文。覆盖玻璃层覆盖玻璃层铅线圈铅线圈铜层铜层氧化亚铜氧化亚铜 9.1 第一个光伏器件第一个光伏器件第10页，此课件共54页哦 9.1 第一个光伏器件第一个光伏器件 这这些些研研究究活活动动也也似似乎乎重重新新唤唤起起了了人人们们对对把把硒硒作作为为光光电电池池材材料料的的兴兴趣趣。特特别别是是在在1931年年伯伯格格曼曼的的研研究究论论文文提提

10、高高了了硒硒电电池池的的质质量量。此此材材料料被被证证明明是是比比Cu-Cu2O更更好好的的光光伏伏材材料料，且且更更具具商商业业优优势势。1939年年，Nix发发表表了了性性能能相相似似的的砣砣-硫硫化化物物光光电电池池。下下图图展展示示了了由由硒硒、砣砣-硫硫化化物物和和Cu-Cu2O共共同组成的电池。同组成的电池。1930年年代代效效率率最最高高的太阳能电池。的太阳能电池。第11页，此课件共54页哦 1930年年代代，几几乎乎在在硒硒电电池池迅迅速速发发展展的的同同一一时时间间，硅硅也也因因为为在在点点接接触触整整流流器器上上的的应应用用逐逐渐渐引引起起人人们们的的重重视视。从从1874

11、年年起起，各各种种晶晶体体和和金金属属点点电电极极的的整整流流特特性性逐逐渐渐为为人人所所知知。在在收收音音机机发发展展的的早早期期，晶晶体体整整流流器器是是最最常常使使用用的的探探测测器器，但但是是随随着着热热电电子子管管的的发发展展，除除了了在在超超高高频频率率应应用用方方面面，晶晶体体整整流流器器几几乎乎在在所所有有应应用用上上都都被被取取代代了了。而而钨钨则则被被认认为为是是最最适适合合制制作作硅硅表表面面电电极极的的材材料料。随随着着对对硅硅的的纯纯净净化化的的研研究究，人人们们对对它它的的特特性性也也了解地更加深刻。了解地更加深刻。在在研研究究纯纯净净硅硅的的再再结结晶晶化化的的时

12、时候候，奥奥尔尔（1941）发发现现了了硅硅锭锭生生长中拦在商业利用和高纯硅之间的清晰屏障。长中拦在商业利用和高纯硅之间的清晰屏障。9.2 早期硅太阳能电池早期硅太阳能电池第12页，此课件共54页哦文献报道的效率超过文献报道的效率超过5%的共轭聚合物的共轭聚合物第13页，此课件共54页哦 9.2 早期硅太阳能电池早期硅太阳能电池（a）图：铸锭，在硅融化期间掺杂以形成天然的）图：铸锭，在硅融化期间掺杂以形成天然的pn结结（b）图：光伏器件垂直）图：光伏器件垂直pn结切割结切割（c）图：器件平行）图：器件平行pn结切割结切割（d）图：器件表面平行）图：器件表面平行pn结切割结切割第14页，此课件共

13、54页哦 在在1941年年，即即使使是是在在对对掺掺杂杂技技术术的的有有限限了了解解之之前前，奥奥尔尔就就已已经经向向世世人人描描述述了了基基于于这这种种天天然然pn结结的的光光伏伏器器件件。在在上上面面的的图图示示中中，（a）显显示示了了在在硅硅铸铸锭锭时时自自然然生生长长pn结结。硅硅锭锭生生产产自自酸酸浸浸出出冶冶金金级级硅硅材材料料，即即上上图图所所示示的的从从熔熔融融到到冷冷却却后后的材料。切割硅锭便可制备太阳能电池了。此外，也可以平行着的材料。切割硅锭便可制备太阳能电池了。此外，也可以平行着pn结切割硅锭。结切割硅锭。这这种种自自然然形形成成的的pn结结是是在在切切割割硅硅锭锭以以

14、测测量量电电阻阻时时被被发发现现的的。切切割割的的下下来来硅硅棒棒显显示示了了良良好好的的光光电电响响应应，热热电电系系数数非非常常高高，且且具具有有良良好好的的整整流流特特性性。当当被被光光照照射射或或被被加加热热时时，硅硅棒棒的的其其中中一一端端形形成成负负电电势势，且且必必定定处处于于负负偏偏压压以以降降低低电电流流流流过过pn结结或或流流过过电电极极时时所所遇遇到到的的电电阻阻。具具有有这这种种特特性性的的材材料料就就是是后后来来被被人人们们熟熟知知的的n（negative）型型 硅硅，而而 拥拥 有有 与与 之之 相相 反反 特特 性性 的的 材材 料料 叫叫p（positive）型

15、型硅硅。随随后后，制制成成这这些些材材料料的的施施主主杂杂质质和和受受主主杂杂质质都都被被人人们们所认识。所认识。9.2 早期硅太阳能电池早期硅太阳能电池第15页，此课件共54页哦 9.2 早期硅太阳能电池早期硅太阳能电池 尽尽管管这这些些光光伏伏器器件件的的性性能能与与薄薄膜膜器器件件相相似似，然然而而其其制制备备方方法法并并不不适适合合高高效效率率的的工工业业制制造造。然然而而，有有一一点点是是很很清清楚楚的的，即即如如果果能能找找到到合合适适的的方方法法制制备备大大面面积积的的均均匀匀硅硅片片，则则有有竞竞争争力力的的太太阳阳能能电电池池就就能能制制造造出出来来。到到了了1950年年，金

16、金斯斯伯伯里里和和奥奥尔尔共共同同发发表表了了性性能能更更好好的的硅硅太太阳阳能能电电池池，他他们们使使用用纯纯硅硅来来阻阻止止扩扩大大结结的的形形成成，并用离子轰击表面以形成整流并用离子轰击表面以形成整流pn结。结。第16页，此课件共54页哦 与与此此同同时时，晶晶体体生生长长技技术术和和通通过过扩扩散散形形成成pn结结技技术术的的发发展展促促使使蔡蔡平平、富富勒勒和和皮皮尔尔逊逊于于1954共共同同研研制制出出了了第第一一块块现现代代太太阳阳能能电电池池。这这种种电电池池有有双双背背电电极极结结构构（如如下下页页图图所所示示），其其效效率率达达到到6%，是是早早期期电电池池的的15倍倍，并

17、并第第一一次次真真正正打打开开光光伏伏发发电电的的广广阔阔前前景景。引引起起巨巨大大的的关关注注。然然而而，因因为为硅硅制制备备工工艺艺的的不不成成熟熟，很很快快人人们们便便发发现现那那最最初初的的热热情情有有点点为为时时过过早早了了。但但不不管管怎怎样样，太太阳阳能能电电池池已已经经被被证证明明适适合合太太空使用，而这也成为了它们的主要应用之一，直到空使用，而这也成为了它们的主要应用之一，直到1970年代早期。年代早期。9.2 早期硅太阳能电池早期硅太阳能电池第17页，此课件共54页哦 太太阳阳能能电电池池所所使使用用的的硅硅或或其其它它半半导导体体材材料料可可以以是是单单晶晶体体、多多晶晶

18、体体、微微晶晶体体或或者者非非晶晶体体。这这些些材材料料之之间间最最主主要要的的不不同同就就是是晶晶体体结结构构的的规规则则、有有序序程程度度不不同同，因因此此，半半导导体体材材料料可可以以通通过过组成材料的晶体大小来分类。组成材料的晶体大小来分类。9.2 硅晶片和衬底硅晶片和衬底硅的种类硅的种类早期太阳能结构早期太阳能结构第18页，此课件共54页哦 9.2 硅晶片和衬底硅的种类硅晶片和衬底硅的种类晶体类型晶体类型符号符号晶粒尺寸晶粒尺寸生长技术生长技术单晶硅单晶硅Single crystallsc-Si10cm浮区拉晶法浮区拉晶法Mc-多晶硅多晶硅（multicrystalline sili

19、con）mc-Si1mm-10cm铸模，切片铸模，切片Pc多晶硅多晶硅(Polycrystalline-siliconpc-Si1m-1mm化学气相沉积化学气相沉积微晶硅微晶硅(microcrystalline silicon)c-Si1m等离子沉积等离子沉积 各类晶体硅的术语：各类晶体硅的术语：第19页，此课件共54页哦 大大多多数数的的太太阳阳能能电电池池都都是是由由硅硅片片制制成成的的，要要么么单单晶晶硅硅要要么么多多晶晶硅硅。单单晶晶硅硅片片通通常常都都拥拥有有比比较较好好的的材材料料性性能能，但但是是成成本本也也比比较较高高。单单晶晶硅硅的的晶晶体体结结构构规规则则、有有序序，每每个

20、个原原子子都都理理想想地地排排列列在在预预先先确确定定的的位位置置上上。单单晶晶硅硅表表现现的的行行为为可可预预见见且且十十分分同同一一，但但因因为为需需要要精精确确和和缓缓慢慢的的制制造造过过程程，也使得它成为最昂贵的硅材料。也使得它成为最昂贵的硅材料。9.2 硅晶片和衬底硅晶片和衬底单晶硅单晶硅第20页，此课件共54页哦 9.2 硅晶片和衬底硅晶片和衬底单晶硅单晶硅 单单晶晶硅硅原原子子的的规规则则排排列列形形成成了了清清晰晰可可见见的的价价带带结结构构。每每个个硅硅原原子子的的最最外外层层都都有有四四个个电电子子。与与相相邻邻原原子子共共享享电电子子对对，所所以以每每个个原原子都与周围原

21、子共享四个共价键。子都与周围原子共享四个共价键。单单晶晶硅硅通通常常被被制制成成大大的的圆圆筒筒形形硅硅锭锭，然然后后切切割割成成圆圆形形或或半半方方的的太太阳阳能能电电池池。半半方方太太阳阳能能电电池池成成型型于于圆圆片片，但但是是应应把把边边缘缘切切掉掉这这样样才才能在矩形模块中装入更多电池。能在矩形模块中装入更多电池。第21页，此课件共54页哦 虽虽然然直直拉拉法法是是制制备备商商业业硅硅晶晶片片最最常常用用的的方方法法，但但它它对对于于高高效效率率实实验验室室太太阳阳能能电电池池和和特特定定市市场场的的太太阳阳能能电电池池，还还是是有有些些不不足足之之处处。直直拉拉法法制制晶晶片片内内

22、含含有有大大量量的的氧氧。杂杂质质氧氧会会降降低低少少数数载载流流子子的的寿寿命命，继继而而减减小小电电压压、电电流流以以及及转转换换效效率率。此此外外，氧氧原原子子以以及及氧氧和和其其它它元元素素共共同同形形成成的的化化合合物物可可能能在在高高温温时时变变得得十十分分活活跃跃，使使得得晶晶片片对对高高温温处处理理过过程程非非常常敏敏感感。为为了了克克服服这这些些问问题题，人人们们使使用用了了悬悬浮浮区区熔熔法法制制硅硅片片。它它的的过过程程是是，熔熔融融区区域域缓缓慢慢的的通通过过硅硅棒棒或或硅硅条条。熔熔融融区区的的杂杂质质却却留留在在熔熔融融区区内内，而而不不是是一一同同过过去去混混合合

23、在在凝凝结结区区内内，因因此此，当当熔熔融融区区的的硅硅都都过过去去后后，一一块块非非常常纯纯净净的的单单晶晶硅硅锭锭就就形形成成了。了。9.2 硅晶片和衬底硅晶片和衬底直拉单晶硅；悬浮区熔单晶硅直拉单晶硅；悬浮区熔单晶硅第22页，此课件共54页哦 9.2 硅晶片和衬底硅晶片和衬底悬浮区熔单晶硅悬浮区熔单晶硅多晶硅锭多晶硅锭熔融区的硅熔融区的硅射频线圈射频线圈生长好的生长好的单晶材料单晶材料单晶种子单晶种子悬浮区熔法制硅片法原理图悬浮区熔法制硅片法原理图第23页，此课件共54页哦 制制备备多多晶晶硅硅的的技技术术相相对对要要简简单单一一些些，成成本本也也因因此此比比单单晶晶硅硅更更低低一一些些

24、。然然而而由由于于有有晶晶界界的的存存在在，所所以以多多晶晶硅硅材材料料的的性性能能比比不不上上单单晶晶硅硅材材料料。晶晶界界的的存存在在导导致致了了局局部部高高复复合合区区，因因为为它它把把额额外外的的能能级级缺缺陷陷引引入入到到了了禁禁带带中中，也也因因此此减减少少了了总总的的少少数数载载流流子子寿寿命命。此此外外，晶晶界界还还通通过过阻阻碍碍载载流流子子的的流流动动以及为穿过以及为穿过pn结的电流提供分流路径的方式来降低太阳能电池的性能。结的电流提供分流路径的方式来降低太阳能电池的性能。9.2 硅晶片和衬底硅晶片和衬底 多晶硅多晶硅第24页，此课件共54页哦 为为了了避避免免晶晶界界处处

25、的的过过度度复复合合损损失失，晶晶界界尺尺寸寸必必须须控控制制在在几几毫毫米米以以上上。这这也也能能让让电电池池从从前前到到后后扩扩大大单单个个晶晶界界的的规规模模，减减少少对对载载流流子子流流动动的的阻阻碍碍，同同时时也也减减小小了了电电池池单单位位面面积积上上的的总总晶晶界界长长度度。这这种种多多晶晶硅硅材材料料被被广泛使用在商业太阳能电池制造中。广泛使用在商业太阳能电池制造中。在两个晶粒之在两个晶粒之间的挂键是很间的挂键是很不友善的，它不友善的，它们能降低电池们能降低电池的性能。的性能。多晶硅片多晶硅片 9.2 硅晶片和衬底硅晶片和衬底 多晶硅多晶硅第25页，此课件共54页哦 9.3 硅

26、晶片和衬底硅晶片和衬底 非晶硅非晶硅amorphous silicon 非非晶晶硅硅（-si-si），是是一一种种结结构构中中有有许许多多不不受受价价键键束束缚缚的的原原子子、缺缺少少长长程程有有序序排排列列，但但是是制制造造成成本本却却比比多多晶晶硅硅还还低低的的硅硅材材料料。原原子子排排列列中中缺缺少少长长程程有有序序结结构构是是由由于于“悬悬挂挂键键”的的存存在在。在在把把非非晶晶硅硅材材料料制制成成太太阳阳能能电电池池之之前前，需需要要对对这这些些悬悬挂挂键键进进行行钝钝化化处处理理。即即把把氢氢原原子子与与非非晶晶硅硅材材料料结结合合，使使氢氢原原子子的的比比例例达达到到5-10%，

27、让让悬悬挂挂键键处处于于饱饱和和状状态态，因因此此提提高高了了材材料的质量。料的质量。尽尽管管如如此此，非非晶晶硅硅的的材材料料性性能能与与那那些些晶晶体体硅硅还还是是有有显显著著的的不不同同。例例如如，禁禁带带宽宽度度从从晶晶体体硅硅的的1.1eV上上升升到到了了非非晶晶硅硅的的1.7eV，且且非非晶晶硅硅的的吸吸收收系系数数要要比比晶晶体体硅硅高高的的多多。此此外外，大大量量悬悬挂挂键键的的存存在在导导致致了了高缺陷密度和低扩散长度。高缺陷密度和低扩散长度。第26页，此课件共54页哦 9.2 硅晶片和衬底硅晶片和衬底 非晶硅非晶硅额外的悬挂键额外的悬挂键额外的悬挂键被氢原子终结额外的悬挂键

28、被氢原子终结 非非晶晶硅硅结结构构的的短短程程无无序序影影响响了了它它的的半半导导体体特特性性。氢氢原原子子终终结结了了额额外外的的悬悬挂挂键。平均原子间距的改变以及氢的存在导致了非晶硅的电特性与多晶硅的不同。键。平均原子间距的改变以及氢的存在导致了非晶硅的电特性与多晶硅的不同。第27页，此课件共54页哦 对对于于-Si-Si太太阳阳能能电电池池来来说说，非非晶晶硅硅的的不不同同材材料料性性质质需需要要不不同同的的设设计计方方法法。特特别别是是，硅硅-氢氢合合金金的的少少数数载载流流子子的的扩扩散散长长度度远远远远低低于于1m1m。因因此此，要要获获得得高高的的收收集集效效率率就就必必须须在在

29、pnpn结结耗耗尽尽区区产产生生尽尽可可能能多多的的光光生生载载流流子子。结结果果是是，耗耗散散区区就就成成为为了了收收集集光光生生载载流流子子最最主主要要的的区区域域。非非晶晶硅硅的的高高吸吸收收系系数数使使得得电电池池的的材材料料只只有有几几微微米厚，也意味着，比起发射区和基区来，耗散区的厚度要大得多。米厚，也意味着，比起发射区和基区来，耗散区的厚度要大得多。本征硅（无掺杂本征硅（无掺杂）存在强电场的耗散区存在强电场的耗散区a-Si:H 太阳能电池示意图。太阳能电池示意图。9.2 硅晶片和衬底硅晶片和衬底 非晶硅非晶硅第28页，此课件共54页哦 9.2 硅晶片和衬底硅晶片和衬底 非晶硅非晶

30、硅 结结构构的的不不相相同同，意意味味着着-Si-Si和和晶晶体体硅硅太太阳阳能能电电池池的的制制造造技技术术也也不不相相同同。在在-Si和和其其它它薄薄膜膜电电池池的的制制造造技技术术中中，一一层层非非常常薄薄的的半半导导体体材材料料被被沉沉积积在在玻玻璃璃表表面面或或其其他他便便宜宜的的衬衬底底上上。薄薄膜膜太太阳阳能能电电池池被被运运用用在在许许多多小小型型消消费费产产品品中中，比比如如计计算算机机、手手表表以以及及不不是是很很重重要要的的户户外外产产品品。总的来说，薄膜为太阳能电池提供了一种成本非常低的制造途径。总的来说，薄膜为太阳能电池提供了一种成本非常低的制造途径。然然而而，在在户

31、户外外或或在在含含有有紫紫外外线线的的光光源源下下使使用用的的非非晶晶硅硅电电池池会会有有降降低低效效率率的的可可能能，因因为为紫紫外外线线会会破破坏坏Si-H的的价价键键结结构构。对对薄薄膜膜和和其其它它潜潜在在低低成成本本太太阳阳能能电电池池的的研研究究为为在在使使用用非非晶晶硅硅电电池池时时所所出出现现的的问问题题提提供供了了解解决决办办法法。结结果果是是，这这一一研研究究为为高高效效率率、稳稳定定和和低成本太阳能电池的发展做出重要贡献。低成本太阳能电池的发展做出重要贡献。第29页，此课件共54页哦 丝丝网网印印刷刷太太阳阳能能电电池池在在1970年年代代开开始始发发展展起起来来。它它们

32、们是是建建立立的的最最好好、最最成成熟熟的的太太阳阳能能电电池池制制造造技技术术，且且丝丝网网印印刷刷电电池池在在如如今今的的陆陆地地用用光光伏伏电电池池市市场场中中占占据据统统治治地地位位。这这种种技技术术的的主主要要优优势势就是制造过程相对简单。就是制造过程相对简单。下下面面的的动动画画展展示示了了制制造造丝丝网网印印刷刷太太阳阳能能电电池池的的一一系系列列步步骤骤。动动画画中中展展示示的的制制造造技技术术是是最最简简单单的的一一种种，现现在在已已被被许许多多制制造造商商和和研研究究实实验验室室改进了。改进了。9.2 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术丝网印刷太阳能电池丝网印刷太

33、阳能电池第30页，此课件共54页哦磷扩散磷扩散 丝丝网网印印刷刷太太阳阳能能电电池池通通常常使使用用简简单单且且均均匀匀的的扩扩散散方方法法以以形形成成发发射射区区，此此区区域域的的掺掺杂杂情情况况都都是是相相同同的的。要要保保持持低低电电极极电电阻阻，就就需需要要在在丝丝网网印印刷刷电电极极下下面面的的表表面面掺掺杂杂进进高高浓浓度度的的磷磷。然然而而，表表面面高高浓浓度度的的磷磷将将会会导导致致“死死层层”形形成成，并并降降低低电电池池的的蓝蓝光光响响应应。最最新新的的电电池池设设计计能能制制备备更更浅浅的的发发射射区区，因因此此提提高高电电池池的的蓝蓝光光响响应应。选选择择性性发发射射区

34、区，即即金金属属电电极极下下面面进进行行更更高高浓浓度度的的掺掺杂杂，也也已已经经被被研研究究者提出来了，但依然没有一项被运用到商业制造中。者提出来了，但依然没有一项被运用到商业制造中。9.2 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术丝网印刷太阳能电池丝网印刷太阳能电池第31页，此课件共54页哦 表面制绒以减少反射表面制绒以减少反射对对于于多多晶晶硅硅材材料料的的随随机机取取向向界界面面来来说说，化化学学刻刻蚀蚀的的效效果果很很有有限限。于于是是，人人们又研究了许多不同的制绒多晶硅的方案：们又研究了许多不同的制绒多晶硅的方案：1）使用切割工具或激光在晶片表面进行机械制绒；）使用切割工具或激

35、光在晶片表面进行机械制绒；2）基于缺陷结构而不是晶面取向的各向同性化学刻蚀；）基于缺陷结构而不是晶面取向的各向同性化学刻蚀；3）各向同性化学刻蚀与光刻掩模技术相结合；）各向同性化学刻蚀与光刻掩模技术相结合；4）等离子刻蚀。等离子刻蚀。虽虽然然许许多多制制绒绒多多晶晶硅硅材材料料的的方方法法都都展展示示了了相相当当大大的的前前景景，但但是是至至今今还还没有一项被实施在大规模商业生产线中。没有一项被实施在大规模商业生产线中。9.2 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术第32页，此课件共54页哦减反射膜减反射膜 减减反反射射膜膜非非常常有有利利于于不不容容易易制制绒绒的的多多晶晶硅硅材材料料

36、。二二氧氧化化钛钛（TiO2）与与氮氮化化硅硅（SiNx）是是两两种种常常见见的的减减反反射射膜膜材材料料。膜膜的的制制造造适适用用于于简简单单的的技技术术，如如喷喷洒洒或或化化学学气气相相沉沉积积。除除了了有有利利于于光光的的吸吸收收外外，绝绝缘缘膜膜还还能能够够使使表表面面钝钝化化，提提高高电电池池的的电电学学特特性性。依依靠靠一一种种带带有有切切割割试试剂剂的的胶胶粘粘剂剂对对减减反反射射膜膜进进行行丝丝网网印印刷刷，金金属属电电极极能能够够腐腐蚀蚀膜膜材材料料并并最最终终与与底底层层的的硅硅相相连连接接。过过程程非非常常简单，且有利于连接浅层的发射区。简单，且有利于连接浅层的发射区。边

37、界隔离边界隔离 如如今今有有许许多多边边界界隔隔离离技技术术，比比如如等等离离子子刻刻蚀蚀、激激光光切切割割或或者者首首先先用膜掩盖住边界以阻止扩散的发生。用膜掩盖住边界以阻止扩散的发生。9.2 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术第33页，此课件共54页哦背电极背电极 背背电电极极是是在在一一般般pn结结电电池池背背面面用用扩扩散散法法或或合合金金法法加加制制一一层层与与基基区区导导电电类类型型相相同同的的重重掺掺杂杂区区，然然后后再再在在重重掺掺杂杂区区上上面面制制作作金金属属接接触触电电极极，一般为铝电极。一般为铝电极。衬底衬底 丝丝网网印印刷刷技技术术已已经经被被使使用用在在许

38、许多多不不同同的的衬衬底底上上。排排序序的的简简单单化化使使得得丝丝网网印印刷刷技技术术非非常常适适合合于于质质量量较较差差的的衬衬底底，比比如如多多晶晶硅硅材材料料甚甚至至直直拉拉单单晶晶硅硅。总总的的趋趋势势是是向向衬衬底底面面积积的的扩扩大大化化发发展展，多多晶晶硅硅晶晶片达到片达到15x15cm2，厚度达到，厚度达到200m。9.2 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术第34页，此课件共54页哦 对印刷电池前端电极的镜头特写。对印刷电池前端电极的镜头特写。在印刷期间，金属浆料穿过丝网，到在印刷期间，金属浆料穿过丝网，到达没被遮盖的区域。丝网的尺寸决定达没被遮盖的区域。丝网的尺寸

39、决定了栅条的最小宽度。栅条宽度通常为了栅条的最小宽度。栅条宽度通常为100到到200m。对已经完成丝网印刷的太阳能电对已经完成丝网印刷的太阳能电池的镜头特写。栅条间距大于有池的镜头特写。栅条间距大于有3mm。在包装的时候，在母栅上焊接一个额外在包装的时候，在母栅上焊接一个额外的金属接触带以减少电池串联电阻。的金属接触带以减少电池串联电阻。9.2 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术第35页，此课件共54页哦 拥拥有有完完整整丝丝网网印印刷刷的的太太阳阳能能电电池池的的正正面面图图。由由于于电电池池是是由由多多晶晶硅硅制制造造的的，晶晶粒粒的的不同界面取向清晰可见。多晶硅电池的正方形形状

40、使电池的组装变得简化。不同界面取向清晰可见。多晶硅电池的正方形形状使电池的组装变得简化。9.2 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术第36页，此课件共54页哦 9.2 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术 拥拥有有完完整整丝丝网网印印刷刷的的太太阳阳能能电电池池的的背背面面图图。电电池池要要么么是是由由Al/Ag粘粘贴贴成成网网格（左），要么全部由铝构成并形成背面电场（右），但是需要第二道印刷工序。格（左），要么全部由铝构成并形成背面电场（右），但是需要第二道印刷工序。第37页，此课件共54页哦 下下面面的的几几幅幅图图将将向向你你展展示示商商业业丝丝网网印印刷刷太太阳阳能能电

41、电池池的的制制造造设设备备。全部图片承蒙欧洲太阳能公司全部图片承蒙欧洲太阳能公司SPA提供。提供。制制造造的的多多晶晶硅硅锭锭的的结结晶晶炉炉。大大面面积积硅硅板板，大大约约0.5mx0.5m，20cm厚厚。精精确确控控制制冷冷却却液液体体，能能够够制造出大晶粒少缺陷的的硅材料。制造出大晶粒少缺陷的的硅材料。从从结结晶晶炉炉出出来来的的大大块块多多晶晶硅硅锭锭被被切切割割成成10cmx10cm的的小小砖砖块块。然然后后小小砖砖块块又又被被切切割割成成同样面积的薄片。同样面积的薄片。9.2 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术第38页，此课件共54页哦 欧欧洲洲太太阳阳能能公公司司的的生

42、生产产线线。虽虽然然太太阳阳能能电电池池制制造造需需要要处处在在洁洁净净的的环环境境中中，但但是是比比起起集集成成电电路路芯芯片片的的制制造造环环境境来来，还还是是较较为为宽宽松松一一些些。因因此此不不需需要员工穿上全套洁净服。要员工穿上全套洁净服。上上图图为为自自动动上上料料的的扩扩散散炉炉以以及及已已经经掺掺杂杂了了磷磷的的硅硅晶晶片片。点点击击图图片片能能转转换换不不同同图图片片。需需要要注注意意的的是是，图图中中即即将将进进入入右右边边扩扩散散炉炉的的晶晶片片都都是是出出自自同同一一块块硅硅锭，它们拥有相似的晶粒分布。锭，它们拥有相似的晶粒分布。9.2 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电

43、池的制造技术第39页，此课件共54页哦 自自动动上上料料的的扩扩散散炉炉。使使用用机机器器人人设设备备能够提升电池制造的可靠性，并降低成本。能够提升电池制造的可靠性，并降低成本。丝丝网网印印刷刷的的生生产产线线。点点击击图图片片能能进进距距离观察蓝色塑料屏下的丝网印刷过程。离观察蓝色塑料屏下的丝网印刷过程。9.2 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术第40页，此课件共54页哦 先先进进的的丝丝网网印印刷刷机机器器，使使用用摄摄像像机机来来快快速速准准确确地地排排布布金金属属电电极极网的图案。网的图案。在在完完成成每每个个电电池池的的效效率率测测量量工工作作后后，对对它它们们进进行行排排

44、序序以以尽尽量量减减小小模模块块错错配配。用用鼠鼠标标点击图片观看另一幅图片。点击图片观看另一幅图片。9.2 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术第41页，此课件共54页哦在进行压片之前排列电池片。在进行压片之前排列电池片。9.2 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术制造太阳能电池制造太阳能电池第42页，此课件共54页哦 埋埋电电极极太太阳阳能能电电池池（如如图图）是是一一种种高高效效率率的的商商业业用用太太阳阳能能电电池池，其其特特点点是是把把金金属属电电极极镀镀到到激激光光形形成成槽槽内内。埋埋电电极极技技术术克克服服了了丝丝网网印印刷刷电电极极的的许许多多缺缺点点，这这也

45、也使使得得埋埋电电极极太太阳阳能能电电池池的的效效率率能能达达到到25%，比比商商业业丝丝网网印印刷电池要高。刷电池要高。埋电极太阳能电池，激光刻槽的横截图。埋电极太阳能电池，激光刻槽的横截图。氧化物氧化物背金属电极背金属电极 9.2 埋电极电池埋电极电池第43页，此课件共54页哦 9.2 埋电极电池埋电极电池 埋埋电电极极大大大大增增加加了了金金属属栅栅条条的的高高-宽宽比比例例。大大的的高高-宽宽比比意意味味着着能能够够在在接接触触电电极极中中使使用用大大量量的的金金属属，而而不不需需要要在在表表面面铺铺上上宽宽大大的的金金属属条条。因因此此，金金属属栅栅条条的的大大高高-宽宽比比允允许许

46、窄窄的的栅栅条条间间距距，同同时时保保持持高高的的透透明明度度。例例如如，一一块块大大面面积积的的丝丝网网印印刷刷电电池池，其其被被阻阻挡挡的的光光就就可可能能达达到到10%到到15%，而而如如果果使使用用埋埋电电极极结结构构，则则其其损损失失就就只只有有2%到到3%。这样低的光损失能降低光反射并因此提高短路电流。这样低的光损失能降低光反射并因此提高短路电流。部分激光刻槽的横截图部分激光刻槽的横截图第44页，此课件共54页哦 除除了了具具有有良良好好的的减减反反射射特特性性之之外外，埋埋电电极极电电池池技技术术还还能能降降低低寄寄生生电电阻阻损损耗耗，因因为为它它的的金金属属栅栅条条具具有有高

47、高的的高高-宽宽比比、栅栅条条的的间间距距适适当当，以以及及良良好好的的金金属属电电极极材材料料。因因为为栅栅条条之之间间的的距距离离越越窄窄，发发射射区区的的电电阻阻损损耗耗也也越越小小。同同时时，金金属属网网格格的的电电阻阻也也减减小小了了，因因为为在在激激光光刻刻槽槽中中使使用用的的金金属属量量大大大大增增加加了了，且且金金属属还还是是电电阻阻率率比比铝铝低低的的铜铜。此此外外，由由于于在在半半导导体体-金金属属交交界界面面处处形形成成铜铜硅硅化化物物以以及及它它们们交交界界面面积积的的扩扩大大，使使得得埋埋电电极极的的接接触触电电阻阻也也比比丝丝网网印印刷刷电电池池的的小小。总总的的来

48、来说说，这这些些电电阻阻损损耗的减小使得大面积电池拥有高的填充因子。耗的减小使得大面积电池拥有高的填充因子。9.2 埋电极电池埋电极电池第45页，此课件共54页哦埋埋电电极极电电池池的的金金属属化化方方案案同同样样提提升升了了发发射射区区的的性性能能。为为了了尽尽量量减减少少电电阻阻损损耗耗。丝丝网网印印刷刷，要要对对丝丝网网印印刷刷电电池池的的发发射射区区进进行行重重掺掺杂杂，而而这这也也导导致致了了电电池池表表面面“死死层层”的的出出现现。因因为为埋埋电电极极结结构构的的发发射射区区电电阻阻很很小小，所所以以能能够够通通过过优优化化发发射射区区的的掺掺杂杂来来获获得得高高开开路路电电压压和

49、和短短路路电电流流。此此外外，埋埋电电极极结结构构还还包包括括了了自自我我对对准准、自自 我我选选择择的的发发射射区区，能够因此减小接触复合和提高开路电压。能够因此减小接触复合和提高开路电压。9.2 埋电极电池埋电极电池第46页，此课件共54页哦 9.2 埋电极电池埋电极电池 埋埋电电极极电电池池的的高高效效率率显显著著降降低低了了成成本本，并并提提高高了了电电池池性性能能。就就成成本本/w而而言言，埋埋电电极极电电池池与与丝丝网网印印刷刷电电池池是是不不相相上上下下的的。然然而而，由由于于PV系系统统中中包包括括了了与与面面积积相相关关的的成成本本和和固固定定成成本本，则则效效率率高高的的太

50、太阳阳能能电电池池的的发发电电成成本本更更低低。埋埋电电极极电电池池技技术术的的另另一一个个优优势势是能够在聚光太阳能系统中使用。是能够在聚光太阳能系统中使用。第47页，此课件共54页哦 高高效效率率太太阳阳能能电电池池制制造造的的成成本本比比普普通通硅硅太太阳阳能能电电池池要要高高得得多多，因此通常使用在太阳能车或空间应用上。因此通常使用在太阳能车或空间应用上。Honda dream，1996年世界太阳能汽车挑战赛年世界太阳能汽车挑战赛的冠军车。此车的太阳能电池效率超过的冠军车。此车的太阳能电池效率超过20%。9.2 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术高效率太阳能电池高效率太阳能电