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1、微电子工艺原理与技术,李 金 华,太阳能电池制造工艺,主要内容,硅太阳能电池工作原理 太阳能电池硅材料 硅太阳能电池制造工艺 4.提高太阳能电池效率的途经 5.高效太阳能电池材料 6.高效太阳能电池结构,太阳能电池发电的原理主要是半导体的内光电效应，一般的半导体主要结构如下：,图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。,1硅太阳能电池工作原理与结构,当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成可以参照下图：,图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产
2、生入图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P 型半导体。,同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N型半导体。黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子。如下图。,当P型和N型半导体材料结合时，P 型（ N型）材料中的空穴（电子）向N 型（ P 型）材料这边扩散，扩散的结果使得结合区形成一个势垒，由此而产生的内电场将阻止扩散运动的继续进行，当两者达到平衡时，在PN结两侧形成一个耗尽区。,PN结的形成及工作原理,零偏 负偏 正偏 当PN结反偏时，外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电场作用下变宽，使势垒加强；当PN结正偏
3、时，外加电场与内电场方向相反，耗尽区在外加电场作用下变窄，势垒削弱。当光电池用作光电转换器时，必须处于零偏或反偏状态。,硅光电池是一个大面积的光电二极管，它可把入射到它表面的光能转化为电能。当有光照时，入射光子将把处于介带中的束缚电子激发到导带(光生伏特效应），激发出的电子空穴对在内电场作用下分别漂移到N型区和P型区，当在PN结两端加负载时就有一光生电流流过负载。,光电池结构示意图,半导体的内光电效应,当光照射到半导体上时，光子将能量提供给电子，电子将跃迁到更高的能态，在这些电子中，作为实际使用的光电器件里可利用的电子有： （1）价带电子； （2）自由电子或空穴（Free Carrier）；
4、（3）存在于杂质能级上的电子。 太阳电池可利用的电子主要是价带电子。由价带电子得到光的能量跃迁到导带的过程决定的光的吸收称为本征或固有吸收。 太阳电池是将太阳能直接转换成电能的器件。它的基本构造是由半导体的PN结组成。此外，异质结、肖特基势垒等也可以得到较好的光电转换效率。,太阳电池能量转换的基础是结的光生伏特效应。当光照射到pn结上时，产生电子一空穴对，在半导体内部结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内建电场的吸引，电子流入n区，空穴流入p区，结果使n区储存了过剩的电子，p区有过剩的空穴。它们在pn结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使p区
5、带正电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。此时，如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称作短路电流；若将PN结两端开路，则由于电子和空穴分别流入N区和P区，使N区的费米能级比P区的费米能级高，在这两个费米能级之间就产生了电位差VOC。可以测得这个值，并称为开路电压。由于此时结处于正向偏置，因此，上述短路光电流和二极管的正向电流相等，并由此可以决定VOC的值。,光生伏特效应,当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源
6、。,硅太阳能电池结构,另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜（如图），实际工业生产基本都是用化学气相沉积沉积一层氮化硅膜，厚度在1000埃左右。将反射损失减小到5甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。,由于半导体不是电的良导体，电子在通过pn结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖pn结（如图 梳状电极），以增加入射光的面积。,梳状电极和抗反膜,二太阳
7、能电池的硅材料,通常的晶体硅太阳能电池是在厚度300350m的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上，将单晶硅棒切成片，一般片厚约0.40.45毫米。硅片经过切、抛、磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。,太阳能硅的杂质浓度较高，一般要求5个9的纯度（99.999），比集成电路用的单晶硅（ 纯度要求78个9）要求低得多。太阳能硅常用0.32cm的P型（100）单晶硅片。,制造太阳电池片，首先要对经过清洗的硅片，在高温石英管扩散炉对硅片表面作扩散掺杂，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。目的是在硅片上形成P/N结。然后采用丝网印刷法，用精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电
8、极，并在有栅线的面涂覆减反射膜 ，单晶硅太阳电池的单体片就制成了。单体片经过检测，即可按所需要的规格组装成太阳电池组件（太阳电池板），用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流。最后用框架和装材料进行封装，组成各种大小不同太阳电池阵列。目前大规模生产的单晶硅太阳电池的光电转换效率为1415左右，实验室成果也有20以上的。常州天和光能和无锡尚德的转换效率在14.5，常州盛世太阳能公司有90可做到16.2以上。,三、硅太阳能电池制造工艺,硅太阳能电池制造工艺,硅太阳能电池制造工艺主要包括： 1. 去除损伤层2. 表面绒面化3. 发射区扩散 4. 边缘结刻蚀5. PECDV沉积SiN6. 丝网印刷正
9、背面电极浆料7. 共烧形成金属接触8. 电池片测试。,表面绒面化,由于硅片用P型（100）硅片，可利用氢氧化钠溶液对单晶硅片进行各向异性腐蚀的特点来制备绒面。当各向异性因子10时（所谓各向异性因子就是（100）面与（111）面单晶硅腐蚀速率之比），可以得到整齐均匀的金字塔形的角锥体组成的绒面。绒面具有受光面积大，反射率低的特点。可提高单晶硅太阳电池的短路电流，从而提高太阳电池的光电转换效率。,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。,绒面受光面积,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
10、光1可以继续投射到另一方锥的B点，产生二次反射光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%。,绒面反射率,由于原始硅片采用P型硅，发射区扩散一般采用三氯氧磷气体携带源方式，这个工艺的特点是生产高，有利于降低成本。目前大型的太阳能厂家一般用8吋硅片扩散炉、石英管口径达270mm，可以扩散156156（mm）的硅片。 由于石英管口径大，恒温区长，提高了扩散薄层电阻均匀性；因为采用磷扩散，可以实现高浓度的掺杂，有利于降低太阳电池的串联电阻Rs，从而了提高太阳电池填充因子FF。扩散条件为88
11、0C ，10分，得到的P-N结深约0.15m。,发射区扩散,SiN钝化与APCVD淀积TiO2,先期的地面用高效单晶硅太阳电池一般采用钝化发射区太阳电池(PESC)工艺。扩散后，在去除磷硅玻璃的硅片上,热氧化生长一层10nm25nm厚SiO2,使表面层非晶化,改变了表面层硅原子价键失配情况,使表面趋于稳定,这样减少了发射区表面复合,提高了太阳电池对蓝光的响应,同时也增加了短路电流密度Jsc,由于减少了发射区表面复合,这样也就减少了反向饱和电流密度,从而提高了太阳电池开路电压Voc。还有如果没有这层SiN,直接淀积TiO2薄膜,硅表面会出现陷阱型的滞后现象导致太阳电池短路电流衰减,一般会衰减8%
12、左右,从而降低光电转换效率。故要先生长SiN钝化再生长TiO2减反射膜。 TiO2减反射膜是用APCVD设备生长的,它通过钛酸异丙脂与纯水产生水解反应来生长TiO2薄膜。,多晶硅太阳电池广泛使用PECVD淀积SiN ,由于PECVD淀积SiN时,不光是生长SiN作为减反射膜,同时生成了大量的原子氢,这些氢原子能对多晶硅片具有表面钝化和体钝化的双重作用,可用于大批量生产高效多晶硅太阳电池,为上世纪末多晶硅太阳电池的产量超过单晶硅太阳电池立下汗马功劳。随着PECVD在多晶硅太阳电池成功,引起人们将PECVD用于单晶硅太阳电池作表面钝化的愿望。 由于生成的氮化硅薄膜含有大量的氢,可以很好的钝化硅中的
13、表面悬挂键，从而提高了载流子迁移率，一般要提高20%左右，同时由于SiN薄膜对单晶硅表面有非常明显的钝化作用。经验显示，用PECVD SiN作为减反膜的单晶硅太阳电池效率高于传统的APCVD TiO2作减反膜单晶硅太阳电池。SiN减反膜的厚度约75nm，折射率可高到2.1（富硅）。,PECVD淀积SiN,晶体硅太阳电池要通过三次印刷金属浆料，传统工艺要用二次烧结才能形成良好的带有金属电极欧姆接触，共烧工艺只需一次烧结，同时形成上下电极的欧姆接触，是高效晶体硅太阳能电池的一项重要关键工艺。该工艺的基础理论来自合金法制P-N结工艺。当电极金属材料和半导体单晶硅在温度达到共晶温度时，单晶硅原子按相图
14、以一定的比例量溶入到熔融的合金电极材料。单晶硅原子溶入到电极金属中的整个过程相当快，一般只需几秒钟。溶入的单晶硅原子数目决定于合金温度和电极材料的体积，烧结合金温度愈高，电极金属材料体积愈大，则溶入的硅原子数目也愈多，这时状态被称为晶体电极金属的合金系统。如果此时温度降低，系统开始冷却，原先溶入到电极金属材料中的硅原子重新以固态形式结晶出来，在金属和晶体接触界面上生长出一层外延层。如果外延层内含有足够量的与原先晶体材料导电类型相同杂质成份，就获得了用合金法工艺形成的欧姆接触；如果再结晶层内含有足够量的与原先晶体材料导电类型异型的杂质成份，这就获得了用合金法工艺形成P-N结。,共烧形成金属接触,
15、银桨、银铝桨、铝桨印刷过的硅片，通过烘干，使有机溶剂完全挥发，膜层收缩成为固状物紧密粘附在硅片上，这时，可视为金属电极材料层和硅片接触在一起。所谓共烧工艺显然是采用银硅的共晶温度，同时在几秒钟内单晶硅原子溶入到金属电极材料里，之后又几乎同时冷却形成再结晶层，这个再结晶层是较完美单晶硅的晶格点阵结构。只经过一次烧结钝化的表面层，氢原子的外释是有限的，共烧保障了氢原子大量存在，填充因子较高，没有必要引入氮氢烘焙工艺（FGS）。,电池片测试,主要测试太阳电池的基本特性： 开路电压VOC、短路电流ISC、填充因子FF、能量转换效率。 FF为电池的填充因子(Fill Factor), 它定义为电池具有最
16、大输出功率(Pop,)时的电流(IOpt)和电压(Vopt)的乘积与电池的短路电流和开路电压乘积的比值， 较高 的 短 路电流和开路电压是产生较高能量转换效率的基础。如果两个电池的短路电流和开路电压完全相同，制约其效率大小的参数就是填充因子。 能量转换效率是光电池的最重要性能指标，它为光电池将入射光能量转换成电能的效率。,光电池的测试电路,PN结两端的电流 光电池处于零偏时，V0，流过PN结的电流IIP ；光电池处于反偏时，流过PN结的电流I IP - Is ，当光电池用作光电转换器时，必须处于零偏或反偏状态。 光电流IP与输出光功率Pi 之间的关系： R 为响应率，R 值随入射光波长的不同而变化，对不同材料制作的光电池R值分别在短波长和长波长处存在一截止波长。,光电池的伏安特性,下图显示了光电池的典型I-V曲线。Pm为最大功率点。它的确定可用从光电池I-V曲线上任意点向纵、横坐标引垂线，垂线与坐标轴保卫面积最大的点即为Pm。根据该特性曲线可以确定光电池的开路电压、短路电流。,太阳电池的短路电流等于其光生电流。决定短路电流的因素很多，分析短路电
