黑硅技术

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1、高效太阳能电池新工艺研究成果介紹 夏洋 xiayang 中国科学院 微电子研究所 2012.12.08 内容 一、背景 二、黑硅发现 三、黑硅制作新技术 四、各种黑硅技术比较 五、黑硅太阳能电池 六、等离子体掺杂制备PN结 七、原子层沉积钝化技术 八、进一步提高效率的方法 Cost per WattGross Margin First Solar$0.7648.4% Trina Solar$1.132.1% Yingli Solar$1.333.5% Solarfun$1.321% SunPower$1.722.9% 成本+空间的占用 提高转换效率有待技术突破 市场：销售额372亿，装机容量7

2、.3GW 分布：欧洲 70%；美国 9%；中国 2%；日本等其他19% 一、背景 光伏电池产业分布 物理法有可能提高质 量、降低成本和能耗 资料来源：EPIA 晶硅一直占主导地位, 中国硅晶体占97%！ 厚度的限制： 200m 120m 多晶硅技术发展 大晶粒 晶界优化 起源：起源：19991999年，哈佛大学教授年，哈佛大学教授 Eric MazurEric Mazur和他的研究和他的研究 生生 C. Wu C. Wu 在一次实验中意外发现了一种后来称之为黑在一次实验中意外发现了一种后来称之为黑 硅的结构材料。随及在美军方资助下秘密研究了近硅的结构材料。随及在美军方资助下秘密研究了近1010

3、 年。年。20082008年成立年成立SiOnyxSiOnyx公司，生产黑硅光电探测器。公司，生产黑硅光电探测器。 短脉冲激光器短脉冲激光器 二、黑硅的发现 SFSF 6 6 Si Si 二维二维 横向横向 移动移动 韩国成均馆大学利用RIE制备了柱状 组织的黑硅，反射率6%，单晶电池转换效 率可以达到15.1%； 美国NREL利用金诱导催化化学腐蚀制 备孔状黑硅，单晶黑硅太阳电池效率达到 了16.8%；2012年项目目标为单晶17.8%， 多晶15.8% 复旦大学采用电化学腐蚀法制备了折射 率呈梯度变化的多层多孔黑硅，其反射率 在大波段范围内已达到5%以下；半导体所 利用飞秒激光研究黑硅。

4、黑硅材料及太阳能电池研究 三、黑硅制备新技术： 利用等离子体浸没离子注入制备黑硅：高效、易控 、低成本、低反射率、低损伤。 单晶常规制绒单晶PIII黑硅 多晶常规制绒 多晶PIII黑硅 等离子体注入（PIII）技术介绍 硅片浸没在等离子体中，在脉冲偏压下 产生离子鞘层，形成整片离子掺杂。 高能离子注入 等离子体浸没注入 热扩散 Plasma immersion ion implantation，PIII B，or P PIII形成黑硅机理 采用等离子体浸没离子注入 技术制备黑硅材料，与传统的 硼、磷或砷注入不同，反应气 体离子在负偏压的作用下被注 入进入硅片晶格内，与硅片发 生反应，生成孔状或

5、针状组织 ，通过调节工艺参数，可以实 现黑硅材料的可控制备，具有 成本低、效率高等优点。 PIII制备黑硅材料 (本课题原创技术，已申请8项国际、17项国内发明专利 ） 平板式批量黑硅生产原型装备 整个原型装备由工作腔室、等离子体源、偏压控制、真 空系统和测试系统几个部分组成，系统框图如图所示。 PIII可控制备多种结构 孔状针状复合结构 树状蜂窝状山包状 NaOH制绒 四、黑硅制备技术比较与总结 激光扫描等离子注入 形状 吸光 载流子分离 电流收集 原位掺杂 成本 损伤 金子塔，适合单晶 一般，方向敏感 一般 一般 不能 低 低 针尖，单、多晶 有利，方向不敏感 有利 不利 不能 高 高 多

6、孔，单、多晶 有利，方向不敏感 有利 有利 能 低 中 多孔黑硅，载流子 可以绕过孔传输。 针尖黑硅，载流子 无法在针尖跳跃传 输 多孔黑硅有利载流子传输 多角度吸光，增加全天时效率 单晶硅制绒是化学法腐蚀出金字塔 结构，斜角入射反射率高 多孔黑硅，可增加全天时效率 上午 中午 下午 五、黑硅太阳能电池 多晶黑硅反射率随波长变化（在红外 波段有明显优势） 多晶黑硅量子效率明显优于酸制绒 16.3 % 16% 预计18% SEM 俯视图SEM 斜视图 多孔状多晶黑硅电池 多晶黑硅电池的效率比同批次常规电池效率提高0.8%！ 单单位衬衬底类类型电电池效率面积积备备注 中科院微电电子所多晶黑硅17.

7、88156*156mm2小批量产产品 美国国家能源实验实验 室 （Nature Nano 2012） 单单晶黑硅18.28.9*8.9mm2实验实验 室样样品 束线离子注入：离子可筛选， 高能注入，但设备昂贵 等离子体浸没注入（PIII）： 低能高剂量，浅结注入，成本 低。 六、注入掺杂制备PN结 等离子浸没离子注入机 晶圆直径：200mm 注入能量：100eV10KeV 掺杂类型：P型、N型 靶注入方式：单圆片注入 能量精度：2 注入剂量均匀性：5 注入剂量重复性：5 注入结深：5nm （ 100eV，1019atoms/cm3） 准单晶注入，方阻均值65.6，非 均匀性小于3% 多晶硅注入

8、，方阻均值24.5，非 均匀性小于3% PIII注入掺杂制备PN结 PIII注入掺杂SIMS曲线，退火后，结深推进； 总剂量相比于扩散和离子注入低； PIII注入SIMS曲线 准单晶多晶硅 多晶黑硅 14.1% 13.6%14.84% PIII注入掺杂方阻4060ohm/sq，获得最高效率。 高于目前报道的PIII注入电池结果 PIII注入掺杂制备电池结果 2008年，德国弗朗霍夫太阳能 研究所的Benick等人在n型Si衬 底的p型发射极表面沉积Al2O3 薄膜，制得了效率高达23.2% 的电池。 七、原子层沉积氧化铝钝化技术 n型电池 p型电池 2010年，德国ISFH的Schmidt 等

9、人在p型Si衬底的背表面沉积 Al2O3薄膜，得到了最高21.4% 的电池效率。 原子层沉积氧化铝的反应机理 Thermal-ALD： (A) AlOH* + Al(CH3)3 AlOAl(CH3)2* + CH4 (B) AlCH3* + H2O AlOH* + CH4 PE-ALD： (A) AlOH* + Al(CH3)3 AlOAl(CH3)2* + CH4 (B) AlCH3* + 4O AlOH* + CO2 + H2O 薄膜均匀性 非均匀性计算公 式： 折射率：1.6-1.7 消光系数：0 2.94%1.58%1.13% 连续模式脉冲模式 吹扫时间加长 关闭载气 表面粗糙度0.9

10、-1.2nm 最好钝化少子寿命 沉积态退火后 n 型 片 p 型 片 50片PEALD设备 28 50pcs等离子体原子层沉积系统 29 400片TALD设备 主要技术指标： 1、设备功率15KW 2、产能400片 3、沉积片间非均匀性：1% 4、批次间非均匀性： 1.5% 5、10nm氧化铝工艺时间1h 内容 一、背景 二、黑硅发现 三、黑硅制作新技术 四、各种黑硅技术比较 五、黑硅太阳能电池 六、等离子体掺杂制备PN结 七、原子层沉积钝化技术 八、进一步提高效率的方法 黑硅的掺杂：表面积增大（孔隙率），方阻减小 P 目前由于银浆颗粒 较大，银不能流入 硅孔，栅线和硅的 接触电阻较大 通过回

11、流工艺，使 银流入硅孔，形成 准埋栅结构 银栅 准埋栅结构，减少接触电阻 由于多孔结 构，黑硅的 钝化有很大 差别 研究反应自 钝化工艺， 实现表面、 体内同时钝 化 SiNx 黑硅的钝化 PECVD,ALD SiNx减反层，背铝 SiNx AL 各种工艺 折射率 等离子体注入制备黑硅太阳能电池 清 洗 注入F+ 制备黑硅 掺杂P 形成结 吸附O- 钝化 印 刷 电 极 等离子体注入 收集栅的制作 探索全新栅线制作技术，减 少栅电阻3倍，栅线20微米， 提高效率2%，降低成本。 内容 一、背景 二、黑硅发现 三、黑硅制作新技术 四、各种黑硅技术比较 五、黑硅太阳能电池 六、进一步提高效率的方法 七、发展计划 黑硅整线制造装备 设备特点： 整线生产能力1500片/小时， 和电池生产线匹配； 多种衬底适用，包括单晶硅 、多晶硅、带硅等； 非常适合植入自动化生产线 ； 单面处理，避免背面损伤； 制备黑硅反射率可控，1% 15%； 碎片率极低，0.1%； 电池效率提高0.8%1% 吸光：多孔陷光，SiNx减反层，背铝 产生电子空穴: 上、下转换，杂散能级，量子点，叠层 电子空穴分离： 浅结、耗散区、弯曲电场 传输: 少子寿命，表面完整性，表面和体内钝化 收集: 密栅、局部掺杂、新型微细栅 效率进一步提高：18%-20% 40 珍惜每一缕阳光 感谢各位！ 极精微 集广成