多晶硅太阳能电池 电科一班

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1、多晶硅太阳能电池polycrystallinesiliconsolarcell 主要介绍方面 未来能源供应结构预测图 太阳能 对于人类来讲 太阳能取之不尽 用之不竭 无污染 每秒辐射到陆地表面的能量相当于全球1年内消耗总能量的3 5万倍 其中植物吸收的占0 015 转化为燃料的不到0 002 太阳能发电具有许多优点 1 安全可靠 无噪音 无污染 2 能量随处可得 无需消耗燃料 3 无机械转动部件 维护简便 使用寿命长 4 建设周期短 规模大小随意 5 可以无人值守 也无需架设输电线路 还可方便与建筑物相结合 太阳能电池的分类 单结晶硅太阳电池SINGLECRYSTAL 多结晶硅太阳电池POLY

2、CRYSTAL 多晶硅 是单质硅的一种形态 熔融的单质硅在过冷条件下凝固时 硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核 如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒 则这些晶粒结合起来 就结晶多晶硅 定义 当熔融的单质硅凝固时 硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核 如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒 则形成单晶硅 如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒 则形成多晶硅 单晶硅和多晶硅的区别 多晶硅太阳能电池 科技名词定义中文名称 多晶硅太阳能电池英文名称 polycrystallinesiliconsolarcell定义 以多晶硅为基体材料的太阳能电池 无机太阳能电池研究进展 表1无机太阳能电池的性能及应用 多晶硅太阳能

3、电池的发展前景 2001 2006年全球太阳能电池产量从386MW增至2500 3MW 增长了5 48倍 年均增长45 左右 成为一个快速发展的新兴行业 2004年开始的全球太阳能热潮使得太阳能电池生产线的建设如火如荼 2007年全球光伏装机总量达到2300MW 年增速超过40 未来几年增长势头则更加迅猛 据推算 至2010年 全球光伏发电并网装机容量将达到15GW 未来数年光伏行业的复合增长率将高达30 以上 至2030年 全球光伏发电装机容量将达到300GW 届时整个产业的产值有可能突破3000亿美元 至2040年 光伏发电将达到全球发电总量的15 20 2002 2010年全球及中国太阳

4、能级多晶硅需求量统计 下面我们将就多晶硅太阳能电池从以下几个方面展开介绍1 多晶硅太阳能发展的历史2 多晶硅电池的工作原理3 多晶硅太阳能电池的制造方法及工艺4 多晶硅太阳能电池应用 多晶硅太阳能电池 1955年美国贝尔实验室研制成功第一个实用的硅太阳电池 并于其后不久正式用于人造卫星 1960年硅太阳电池发电首次并入常规电网80年代初 太阳电池开始规模化生产 我国1958年开始太阳电池的研究 1971年成功地首次应用于我国发射的第二颗卫星 1973年开始地面应用 我国多晶硅始于1964年 但是技术水平低 规模小 产品单耗高 生产成本高 2005年之前 我国年产多晶硅还不到世界年总产量的0 5

5、 2005年 国内第一个300吨多晶硅生产项目建成投产 从而拉开了中国多晶硅大发展的序幕 多晶硅太阳能电池与其他太阳能电池的比较 成本 多晶硅太阳能电池由于所使用的硅量远较单晶硅少 又无效率衰减问题 可做成薄膜 在廉价基底上制备 其成本远低于单晶硅电池 效率 实验室转换效率已达18 远高于除单晶硅之外的其它非晶硅薄膜电池的光电转换效率 因此 多晶硅电池被认为是新型高效 低成本 较单晶硅电池 的太阳能电池 多晶硅太阳能电池在现有的太阳能电池中占据一半以上的产量 是光伏产业的主要产品 单晶硅到多晶硅的发展 从工业化发展来看 重心已由单晶向多晶方向发展 主要原因为 1 可供应太阳电池的头尾料愈来愈少

6、 2 对太阳电池来讲 方形基片更合算 通过浇铸法和直接凝固法所获得的多晶硅可直接获得方形材料 3 多晶硅的生产工艺不断取得进展 全自动浇铸炉每生产周期 50小时 可生产200公斤以上的硅锭 晶粒的尺寸达到厘米级 4 由于近十年单晶硅工艺的研究与发展很快 其中工艺也被应用于多晶硅电池的生产 多晶硅太阳能电池工作原理 太阳光谱图 太阳能电池的发电原理是基于光伏效应 PhotovoltaicEffect 由太阳光与材料相互作用而产生电势 48 多晶硅太阳能电池工作原理 太阳能电池芯片是具有光电效应的半导体器件 半导体的PN结被光照后产生电流 当光直射太阳能电池芯片 其中一部分被反射 一部分被吸收 一

7、部分透过电池芯片 被吸收的光激发被束缚的高能级状态下的电子 使之成为自由电子 这些自由电子在晶体内向各方向移动 余下空穴 电子以前的位置 空穴也围绕晶体飘移 自由电子 在N结聚集 空穴 在P结聚集 当外部环路被闭合 电流产生 太阳电池等效电路 多晶硅太阳能电池的制造方法 提高电池效率方法改进方向 1 关于光的吸收2 金属化技术3 PN结的形成技术4 表面和体钝化技术 1 关于光的吸收 对于光吸收主要是 1 降低表面反射 2 改变光在电池体内的路径 3 采用背面反射 对于单晶硅 采用碱溶液各向异性化学腐蚀的方法可在 100 表面制作金字塔状的绒面结构 降低表面光反射 但多晶硅晶向偏离 100 面

8、 采用上面的方法无法作出均匀的绒面 目前采用下列方法 1 1多晶硅绒面技术 1 激光刻槽用激光刻槽的方法可在多晶硅表面制作倒金字塔结构 在500 900nm光谱范围内 反射率为4 6 与表面制作双层减反射膜相当 而在 100 面单晶硅化学制作绒面的反射率为11 用激光制作绒面比在光滑面镀双层减反射膜层 ZnS MgF2 电池的短路电流要提高4 左右 这主要是长波光 波长大于800nm 斜射进入电池的原因 激光制作绒面存在的问题是在刻蚀中 表面造成损伤同时引入一些杂质 要通过化学处理去除表面损伤层 该方法所作的太阳电池通常短路电流较高 但开路电压不太高 主要原因是电池表面积增加 引起复合电流提高

9、 激光刻槽微观图 2 化学刻槽应用掩膜 Si3N4或SiO2 各向同性腐蚀 腐蚀液可为酸性腐蚀液 也可为浓度较高的氢氧化钠或氢氧化钾溶液 该方法无法形成各向异性腐蚀所形成的那种尖锥状结构 据报道 该方法所形成的绒面对700 1030微米光谱范围有明显的减反射作用 但掩膜层一般要在较高的温度下形成 引起多晶硅材料性能下降 特别对质量较低的多晶材料 少子寿命缩短 应用该工艺在225cm2的多晶硅上所作电池的转换效率达到16 4 掩膜层也可用丝网印刷的方法形成 3 各向同性酸腐蚀技术 而各向同性酸腐蚀技术可以比较容易地整合到当前的太阳电池处理工序中 应用起来基本上是成本最低的 在大规模工业化生产中

10、各向同性酸腐蚀是目前广泛应用的多晶硅太阳电池绒面技术 4 反应离子腐蚀 RIE 该方法为一种无掩膜腐蚀工艺 所形成的绒面反射率特别低 在450 1000微米光谱范围的反射率可小于2 仅从光学的角度来看 是一种理想的方法 但存在的问题是硅表面损伤严重 电池的开路电压和填充因子出现下降 32 硅片表面绒面受光面积 绒面金字塔形的理解计算 金字塔形角锥体的表面积S0等于四个边长为a正三角形S之和由此可见有绒面的受光面积比光面提高了倍即1 732倍 33 硅片表面绒面反射率 当一束强度为E0的光投射到图中的A点 产生反射光 1和进入硅中的折射光 2 反射光 1可以继续投射到另一方锥的B点 产生二次反射

11、光 3和进入半导体的折射光 4 而对光面电池就不产生这第二次的入射 经计算可知还有11 的二次反射光可能进行第三次反射和折射 由此可算得绒面的反射率为9 04 1 2制作减反射膜层对于高效太阳电池 最常用和最有效的方法是蒸镀ZnS MgF2双层减反射膜 其最佳厚度取决于下面氧化层的厚度和电池表面的特征 例如 表面是光滑面还是绒面 减反射工艺也有蒸镀Ta2O5 PECVD沉积Si3N3等 ZnO导电膜也可作为减反材料 2 金属化技术 在高效电池的制作中 金属化电极必须与电池的设计参数 如表面掺杂浓度 PN结深 金属材料相匹配 实验室电池一般面积比较小 面积小于4cm2 所以需要细金属栅线 小于1

12、0微米 一般采用的方法为光刻 电子束蒸发 电子镀 工业化大生产中也使用电镀工艺 但蒸发和光刻结合使用时 不属于低成本工艺技术 3 PN结的形成技术 1 发射区形成和磷吸杂对于高效太阳能电池 发射区的形成一般采用选择扩散 扩散的方法有两步扩散工艺 扩散加腐蚀工艺和掩埋扩散工艺 目前采用选择扩散 150mm 150mm电池转换效率达到16 4 对于Mc Si材料 扩磷吸杂对电池的影响得到广泛的研究 较长时间的磷吸杂过程 一般3 4小时 可使一些Mc Si的少子扩散长度提高两个数量级 在对衬底浓度对吸杂效应的研究中发现 即便对高浓度的衬第材料 经吸杂也能够获得较大的少子扩散长度 大于200微米 电池

13、的开路电压大于638mv 转换效率超过17 2 背表面场的形成及铝吸杂技术在Mc Si电池中 背p p结由均匀扩散铝或硼形成 硼源一般为BN BBr APCVDSiO2 B2O8等 铝扩散为蒸发或丝网印刷铝 800度下烧结所完成 对铝吸杂的作用也开展了大量的研究 与磷扩散吸杂不同 铝吸杂在相对较低的温度下进行 其中体缺陷也参与了杂质的溶解和沉积 而在较高温度下 沉积的杂质易于溶解进入硅中 对Mc Si产生不利的影响 到目前为至 区域背场已应用于单晶硅电池工艺中 但在多晶硅中 还是应用全铝背表面场结构 3 双面Mc Si电池Mc Si双面电池其正面为常规结构 背面为N 和P 相互交叉的结构 这样

14、 正面光照产生的但位于背面附近的光生少子可由背电极有效吸收 背电极作为对正面电极的有效补充 也作为一个独立的栽流子收集器对背面光照和散射光产生作用 据报道 在AM1 5条件下 转换效率超过19 4 表面和体钝化技术 对于Mc Si 因存在较高的晶界 点缺陷 空位 填隙原子 金属杂质 氧 氮及他们的复合物 对材料表面和体内缺陷的钝化尤为重要 除前面提到的吸杂技术外 钝化工艺有多种方法 通过热氧化使硅悬挂键饱和是一种比较常用的方法 可使Si SiO2界面的复合速度大大下降 其钝化效果取决于发射区的表面浓度 界面态密度和电子 空穴的浮获截面 在氢气氛中退火可使钝化效果更加明显 采用PECVD淀积氮化

15、硅近期正面十分有效 因为在成膜的过程中具有加氢的效果 该工艺也可应用于规模化生产中 应用RemotePECVDSi3N4可使表面复合速度小于20cm s 工业化电池工艺 电池从研究室走向工厂 实验研究走向规模化生产是其发展的道路 所以能够达到工业化生产的特征应该是 1 电池的制作工艺能够满足流水线作业 2 能够大规模 现代化生产 3 达到高效 低成本 多晶硅太阳电池的制造工艺流程 下面我们就硅太阳电池的制造工艺流程以及各工序进行简单的介绍 晶体硅太阳能电池制造的常规工艺流程主要包括 硅片清洗 绒面制备 扩散制结 等离子周边刻蚀 去PSG 磷硅玻璃 PECVD减反射膜制备 电极 背面电极 铝背场

16、和正电极 印刷及烘干 烧结 Laser和分选测试等 同时 在各工序之间还有检测项目 主要有抽样检测制绒效果 抽样测方块电阻 抽样测氮化硅减反射膜厚度和折射率等项目 1 硅太阳能电池的制造工艺流程 2 工序简介 目前硅太阳能电池制造工序主要有 制绒清洗工序扩散工序PECVD工序丝网印刷工序烧结工序Laser刻蚀工序测试分选工序 a 多晶制绒目的与作用 1 去除单晶硅片表面的机械损伤层和氧化层 2 有效增加硅片对入射太阳光的吸收 从而提高光生电流密度 提高单晶硅太阳能电池的光电转换效率 b 去磷硅玻璃 PSG在扩散过程中发生如下反应 POCl3分解产生的P2O5淀积在硅片表面 P2O5与Si反应生成SiO2和磷原子 这样就在硅片表面形成一层含有磷元素的SiO2 称之为磷硅玻璃 去除磷硅玻璃的目的 作用 磷硅玻璃的厚度在扩散中工艺难控制 且其工艺窗口太小 不稳定 磷硅玻璃的折射率在1 5左右 比氮化硅折射率 2 07左右 小 若磷硅玻璃较厚会降低减反射效果 磷硅玻璃中含有高浓度的磷杂质 会增加少子表面复合 使电池效率下降 扩散的目的 制造太阳能电池的PN结 PN结是太阳能电池的 心脏 制造P