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1、太阳能电池工艺第三节：晶体硅太阳能电池制造寇志起2012-10-17NEWS 1 美对华光伏终裁关税最高254% 欧盟或跟风美国当地时间2012年10月10日，美国商务部公布了对中国光伏产品征收反倾销和反补贴关税仲裁结果，中国输美太阳能电池将被征收14.78%至15.97%的反补贴税和18.32%至249.96%的反倾销税，并从中扣除10.54%的出口补贴，经计算行业关税范围为23.75%至2012年10月12日人民网254.66%，具体产品为中国产晶体硅光伏电池、模块、层压板、面板及建筑一体化材料等。根据目前日程，美国国际贸易委员会将于今年11月23日左右作出终裁。如果美国国际贸易委员会也作
2、出肯定性终裁，即认定从中国进口的此类产品给美国相关产业造成实质性损害或威胁，美国商务部将要求海关对相关产品征收“双反”关税。NEWS2 国家电网将松绑“并网限制”分布式光伏有重大突破中国太阳能光伏网讯: “并网一直是影响国内光伏发电市场启动的一个重要瓶颈，这一瓶颈将极有可能被打破。”中国可再生能源学会副理事长孟宪淦向本报记者透露，一份题为国家电网关于大力支持光伏发电并网工作的意见的审批稿已上报国家层面，其核心在于有效简化分布式发电并网流程，缩短并网时间，降低并网难度。2012-10-16 来源：生意社在短期内，中国光伏产业走出困境的唯一道路是快速发展我国国内光伏发电。从而，为我国光伏企业生产的
3、电池和组件开辟出一个大的市场。30%60%5%5%主要内容一、太阳能应用系统的组成二、晶体硅太阳能电池的基本结构三、晶体硅太阳能电池的制造流程四、模组化技术一、太阳能应用系统的组成二、晶体硅太阳能电池的基本结构三、晶体硅太阳能电池的制造流程四、模组化技术电池（cell）；o 太阳能之应用系统的最基本单位是太阳电池（cell）。o 一般来说，一个单一的晶体硅电池输出电压在0.5V左右，而其最大输出功率与太阳电池效率和表面积有关。o 如，一个接受光面积约为100cm2 ，效率为15%的太阳电池的最大输出功率仅为1.5W左右。o 为达到一般应用要求，必须将许多太阳电池串联及并联在一起，形成所谓的模组
4、（module）。o 并联的目的是为了增加输出功率，串联的目的在于提高输array出电压，进一步的串联或并联则可形成阵列（ ）。o 在一把的太阳电池应用系统上，还包括蓄电池（storage battery）、功率调节器（power conditioner）和安装固定结构（mounting structures）等周边设施，统称为平衡系统（balance of system）。电池（cell）；模组（module）；阵列（array）一、太阳能应用系统的组成二、晶体硅太阳能电池的基本结构三、晶体硅太阳能电池的制造流程四、模组化技术单晶硅棒多晶硅锭o 随材料和制造技术不同，太阳电池的架构会有不同变
5、化，但最基本的结构可分为基板、PN结、抗反射层、表面粗糙结构化和金属电极等五个主要部分。基本的晶体硅太阳电池结构1、基板o 在晶体硅太阳电池中，以单晶硅能达到的能量转换效率最高。要达到最优的能量转换效率，所使用的基板的品质最为关键，这里的品质指基板应具有很好的结晶完美性、最低的杂质污染等。o 就品质的完美性而言，所有的结晶硅中以FZ硅片（Float Zone Silicon）最佳，而CZ硅片次之。在低成本的要求下，多晶硅片（multicrystalline）甚至比单晶硅更为广泛使用。多晶硅片中的内部缺陷，例如晶界（grain boundaries）及差排（dislocation），使得能量转换
6、效率不如CZ单晶硅片。o 少数载流子的寿命是影响能量转换效率的重要因素之一。而晶体硅中少数载流子的寿命主要受金属杂质的影响，金属杂质越高，寿命越短，能量转换效率越低。除了起始基板本身的金属杂质外，太阳电池的高温制备过程中也会引入杂质。o 除了严格控制制备过程以去除杂质污染外，另一重要技术是引入去疵技术（Gettering technology），去降低金属杂质对少数载流子寿命的影响。o 此外，利用氢气钝化处理（passivation），也是提高能量转换效率的有效方法。o 最常用的晶体硅基板，是P型掺杂，即添加硼(Boron)。当然，N型晶体硅也可以被用来当作基板，只不过现有的太阳电池技术大多采
7、用P型硅而设计。o 使用电阻率较低的晶体硅基板，会降低太阳电池的串联电阻（series resistance）而导致的能量损耗，目前工业界常用的晶体硅基板的电阻率为0.530ohmcm。o 晶体硅基板的厚度也会影响太阳电池的效率。晶体硅基板的厚度与太阳电池效率的关系（Ld为扩散长度）2、表面结构粗糙化（Texturing）o 由于硅具有很高的反射系数（reflection index），它对太阳光的反射程度在长波区域（1100nm）可达到54%，在短波长区域（400nm），可达到34%。因此将晶体硅基板表面做粗糙化处理的目的，在于降低太阳光自表面反射损失的几率，进而提高电池的效率。o 所谓的粗
8、糙化，是将电池的表面，蚀刻成金字塔（pyramid）或角锥状的形状，这使得太阳入射光至少要经过两次以上的表面反射，因此降低了来自表面反射损失的太阳光比例。利用表面的粗糙结构可以降低光线的反射程度原理图o 逆金字塔状的凹槽，一般是利用NaOH或KOH碱性液对硅晶体表面进行蚀刻。o 蚀刻反应的速度与晶面方向有关（antisotropical），以硅而言，（111）面的反应速度最慢，所以会被蚀刻出逆金字塔状的凹槽。o 此形状的凹槽具有最佳的光封存效果，被广泛使用在太阳电池的制造流程上，成为基本的制造步骤之一。利用NaOH或KOH的碱性蚀刻液，产生出的逆金字塔状凹槽3、 PN结o PN结是光伏效应的来
9、源，由高温扩散产生。在P型晶体硅基板上做N型扩散，或是在N型基板上做P型扩散而产生的。o 一般的N型扩散只有约0.5m左右的厚度，而且是在基板做完粗糙化处理后才进行的。4、抗反射层（Antireflection Coating）o除了将晶体硅表面做粗糙织构化之外，在表面涂布抗反射层是降低反射损失的另一有效方式，即在硅晶体表面涂一层低折射系数的透明材料。TiO SiN SiO Al O SiO CeOo常用 2、 、 、 2 3、 2、 2等。折射率为硅折射率的平方根最好，厚度d=/(4n)最好，反射的情况可被降至最低。5、金属电极o 在太阳电池中，金属接触必须被用来取出产生光电的载流子，而且这
10、种作用必须是选择性的，即只允许一种形态的载流子由硅表面流向金属，但阻止另外一种形态的载流子流通。o 如果直接将硅及金属接触在一起，并不具有这种选择性流通的目的。为达到选择性目的，一般的做法是在金属电极下方先制造出一个N+的区域以取出电子，或制造出一个P+的区域以取出空穴。o 在这样的结构中，多数载流子可以顺利地由硅表面流到金属，不会有太大的电压损失；而由于重掺杂区域的影响，少数载流子的浓度已被降到最低，因此产生的流通自然被被抑制到最小的程度。o 在金属电极的划分上，接收少数载流子的电极通常都放在正面，也就是受光的那一面，位于金属电极下方的重掺区域，被称为发射区（emitter）。硅基板背面则通
11、常全部涂上一层所谓的back surface field（BSF）金属层。o 一般而言，太阳电池的正面与背面，都有两道较宽的白色垂直线，称为Bus Bar，提供与外界电路的焊接。o 在正面的条状金属电极，还会往侧边伸展出一系列很细的金属手指（finger），一般称为格子线gridlines。o 格子线的设计，除了要能够有效收集载流子外，还必须降低金属线遮蔽入射光的比例。格子线的宽度一般在50m以下，Bus bar的宽度约在0.5mm左右。o 一般而言，正面的金属线会遮掉35%的入射光面积。金属电极材料一般为铝或银合金。为达到最佳的转换效率，主要考虑的因素有：o 减低太阳光的表面反射；o 减低任
12、何形式的载流子再结合(carrier recombination)；o 金属电极接触最优化。一般而言太阳能电池效率每提升1%，成本可下降7%。一、太阳能应用系统的组成二、晶体硅太阳能电池的基本结构三、晶体硅太阳能电池的制造流程四、模组化技术o 成本与效率的综合平衡考虑。o 如使用埋入式的电极（buried contact）虽比网印（screen printing）方式的电极，更能提高太阳电池的平均效率，但因为制造成本较高，所以并未被广泛使用。工艺流程清洗与制绒Texturing边缘蚀刻Plasma Etching扩散Diffusion分选测试Testing and SortingPECVD 去
13、磷硅玻璃PSG removal烧结Dryer/Sintering印刷电极Screen Printing检验入库基本的太阳电池制造流程示意图o 切好的硅片，表面脏且不平。因此，在制造太阳能电池之前，要先进行表面准备。表面准备一般分为三步：用热浓硫酸做初步化学清洗；1、清洗与表面结构粗糙化（Texturization）在酸性或碱性腐蚀液中腐蚀硅片，每面大约蚀去30-50m 的厚度；用王水或其他清洗液再进行化学清洗。o 在化学清洗和腐蚀后，要用高纯度的去离子水冲洗硅片。1974年，Haynos等人利用硅的非等方性（anisotropic）的蚀刻（etching）特性，将硅表面的（111）结晶面，蚀刻
14、出许多类似金字塔（pyramid）的特殊几何形状，有效地降低太阳光从电池表面反射，使太阳能电池转化效率提高到17%。利用蚀刻方式在太阳电池表面蚀刻出金字塔形状的形貌，可有效抑制太阳光的反射。o 首先是利用NaOH的方向性蚀刻，在硅基板上产生逆金字塔状凹槽。NaOH须与异丙基醇IPA（isopropyl alcohol）混合在一起。IPA的作用在于湿化硅基板表面，以获得更均匀的蚀刻效果。o 利用方向性蚀刻的方法来产生逆金字塔状凹槽的技术，在单晶硅上得到最佳的效果。虽然也可用在多晶硅上，但所得到的凹槽效果比单晶硅要差许多，这也是多晶硅电池效率比单晶硅低的原因之一。单晶：利用碱溶液对单晶硅各个晶面腐
15、蚀速率的不同，在硅片表面形成类似金字塔状的绒面: Si+2NaOH=NaSiO3+2H2Scanning electron microscope photograph of a textured singlecrystalline silicon surface 多晶：利用硝酸的强氧化性和氢氟酸的络合性，对硅片进行氧化和络合剥离，导致硅表面发生各向同性非均匀性腐蚀，从而形成类似凹陷坑状的绒面Si+4HNO3+6HF=H2SiF6+4NO3+4H2OScanning electron microscope photograph of a textured multicrystalline silicon surface 太阳能光伏玻璃清洗机高清o 因为多晶硅表面存在着许多不同方向性的晶粒，这些晶粒的蚀刻速率快慢不一，不像（100）单晶硅的均匀蚀刻效果。o 为解决此问题，也有人采用机械切割的方式来制造出V型凹槽，接着用碱蚀刻来去除因机械加工所造成的表面损伤层。一般的V型凹槽的深度为50m左右。1985年，通过在硅电池表面作出微沟槽（microgroove）的PESC型太阳电池（passivated emitter solar cell），第一次生产出超过20%转换率的硅单晶太阳电池。利用机械切割方式制造出的V型凹槽，可以降低多晶硅电池的表面反射程度
