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1、太阳能电池培训资料Ape 2008.12.12太阳能电池的基本原理太阳能电池主要依靠P-N结的光生伏打效应来工作,而当P型半导体和N型半导体紧密结合连成一块时,P型半导体中的空穴向N型半导体的方向扩散运动,而N型半导体的电子向P型半导体的方向扩散运动, 如下图所示:其中P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子均称为多子, P型半导体中的电子和N型半导体中的空穴均称为少子,在扩散运动的同时在P型半导体和N型半导体的中央形成了一个由N区指向P区的电场称为内建电场,在内建电场的影响下.将产生孔穴向右而电子向左的飘移运动,当漂移运动和扩散运动达到平衡的时候就形成了P-N结.太阳能电池的基本原理如右图所示
2、,当处于开路的情况下,当光生电流和正向电流相等的时候,P-N结两端将建立起稳定的电势差Voc(P区为正,N区为负),如果与外电路接通,只要光生电流不停止,就会有源源不断的电流通过电路,P-N结起到了一个电源的作用.这就是太阳能电池的工作原理。太阳能电池的基本性质光电转换效率%评估太阳能电池好坏的重要因素。 =（1000* Isc* Uoc*FF)/S。 目前：实验室24%,产业化15%。单体电池电压U:0.4-0.6V由材料本身的掺杂程度来决定。填充因子FF%：评估太阳能电池负载能力的重要因素。FF=(Im*Um)/(Isc*Uoc) 其中: Isc-短路电流， Uoc-开路电压 ， Im-最
3、佳工作电流， Um-最佳工作电压。标准光强与环境温度：地面光强AM1.5,1000W/m2,t=25。温度对电池片性能的影响：功率会随着温度的升高而降低。例如：在标准状况下，AM1.5光强，t=25 ,某电池片的输出功率为2.43W,如果电池片温度升高至45 时，电池片的输出功率将小于2.43W。晶体硅太阳能电池生产的工艺流程Texturing 制绒Diffusion 扩散Edge etch 去边结Anti- reflective coating 制做减反射 膜Printing& sintering 制作上下电 极及烧结Cell testing& sorting 电池片测试 分选Solar C
4、ell Manufacturing电池的生产工艺流程Cleaning process 去PSG硅片表面化学腐蚀处理-制绒目的：去除硅片表面的杂质残留，制做能够减少表面太阳光反射的陷光结构。 原理 ：单晶：利用单晶硅的各向异性，采用化腐工艺在硅片上制作的绒面，以减少入射光反射、提高短路电流和转换效率。 采用两步法制作绒面，先用高浓度碱液、较高温度下进行短时间“粗抛”，再在低浓度、低温度下进行长时间“细腐”。此法所制绒面，在晶相显微镜下观察，小金字塔排列规则、整齐、均匀，可使入射光的反射损失降低近10。2NaOH+H2O+Si Na2SiO3+2H2 多晶：利用硝酸的强氧化性和氢氟酸的络合性，对硅
5、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 + HNO3 SiO2 + NOx + H2OSiO2 + 6HF H2SiF6 + 2H2O 绒面微观图硅片表面化学腐蚀处理（一次清洗）1000X电子扫描镜-单晶5000X电子扫描镜-多晶制PN结（扩散） 目的：在P型硅表面上渗透入很薄的一层磷，使前表面变成N型，使之成为一个PN结。POCl3在高温下（600）分解生成五氯化磷（PCl5）和五氧化二磷（P2O5） ，其反应式如下： 生成的P2O5在扩散温度下与硅反应，生成二氧化硅（SiO2）和磷原 子，其反 应式如下： 由上面反应式可以看出，POC
6、l3热分解时，如果没有外来的氧（O2）参与其分 解是不充分的，生成的PCl5是不易分解的，并且对硅有腐蚀作用，破坏硅片的 表面状态。但在有外来O2存在的情况下，PCl5会进一步分解成P2O5并放出氯气 （Cl2）其反应式如下： 扩散原理：制PN结（扩散） 扩散原理： 生成的P2O5又进一步与硅作用，生成SiO2和磷原子，由此可见，在磷扩散时 ，为了促使POCl3充分的分解和避免PCl5对硅片表面的腐蚀作用，必须在通氮 气的同时通入一定流量的氧气 。 在有氧气的存在时，POCl3热分解的反应式为： POCL3+5O2 2P2O5+6CL2 POCl3分解产生的P2O5淀积在硅片表面，P2O5与硅
7、反应生成SiO2和磷原子， 并在硅片表面形成一层磷-硅玻璃，然后磷原子再向硅中进行扩散 。 POCl3液态源扩散方法具有生产效率较高，得到PN结均匀、平整和扩散层表 面良好等优点，这对于制作具有大面积结的太阳电池是非常重要的。载气小 N2POCL3O2 + 大 N2石英管扩散装置示意图制PN结（扩散） 扩散原理：PSG除去硅磷气体反应淀积O2硅氧化POCl3 O2SiO2SiO2杂质再分布去边结-刻蚀目的：去除硅片边缘的N型区域，将硅片内部的N层和P层隔离开，以达到 PN结的结构要求。 原理 ：干法刻蚀（等离子刻蚀）：等离子体刻蚀是采用高频辉光放电反应，使反应气体激活成活性粒子，如原子或游离基
8、，这些活性粒子扩散到需刻蚀的部位，在那里与被刻蚀材料进行反应，形成挥发性生成物而被去除。它的优势在于快速的刻蚀速率同时可获得良好的物理形貌 。（这是各向同性反应）母体分子CF4在高能量的电子的碰撞作用下分解成多种中性基团或离子。这些活性粒子由于扩散或者在电场作用下到达SiO2表面，并在表面上发生化学反应。生产过程中，CF4中掺入O2，这样有利于提高Si和SiO2的刻蚀速率。湿法刻蚀（背腐蚀）：利用HF-HNO3溶液，对硅片背表面和边缘进行高速腐蚀，以达到去掉边缘层和消除背面绒面的作用。Si + HNO3 SiO2 + NOx + H2OSiO2 + 6HF H2SiF6 + 2H2O以及它们的
9、离子CF,CF,CF,CFCF23e4去边结-刻蚀去PSG清洗 目的：去除硅片表面的P-Si玻璃层（PSG）,为加镀减反射膜做准备。 原理 ：利用HF和硅片表面的P-Si玻璃层反应，并使之络合剥离，以达到清洗的目的。HF + SiO2 H2SiF6 + H2O镀减反射膜（PECVD）目的：在硅片前表面均匀的镀上一层高效的减反射膜，并对硅片进行钝化。原理 ：借助微波使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。基本特征:实现了薄膜沉积工艺的低温化（450）。 1.节省能源，降低成本 2.提高产能 3.减少了高温导致的硅片中少子
10、寿命衰减 SiNx的优点：优良的表面钝化效果高效的光学减反射性能（厚度和折射率匹配）低温工艺（有效降低成本）含氢SiNx:H可以对mc-Si提供钝化 镀减反射膜（PECVD）减反膜对硅片反射率的影响印刷和烧结目的：在电池上下表面各印上电极图形，经烧结与硅片形成欧姆接触。 原理：银浆，铝浆印刷过的硅片，通过烘干有机溶剂完全挥发，膜层收缩成为固状物紧密粘附在硅片上，可视为金属电极材料层和硅片接触在一起。当硅片投入烧结炉共烧时，金属材料融入到硅里面，之后又几乎同时冷却形成再结晶层，也就是在金属和晶体接触界面上生长出一层外延层，如果外延层内杂质成份相互合适，这就获得了欧姆接触。印刷工艺流程： 印刷背电
11、极 烘干 印刷背电场 烘干 印刷正面栅线烧结工艺流程：印刷完硅片 烘干 升温 降温共晶 冷却印刷和烧结丝网印刷的特点：受丝网技术的限制，前表面的金属电极不能做的很窄，从而遮挡了光在硅片内的有效吸收。取决于硅片的电阻率，由丝网印刷技术生产的晶体硅电池的开路电压在580620mV之间，短路电流密度在2833mA/cm2之间，以及填充因子在70%75%之间。对于大面积的电池，电池表面10%-15%面积被电池表面电极遮挡了。背极印刷：太阳电池是低电压高电流的发电器件, 因此减少太阳电池的串连电阻是非常重要的。串连电阻由金属电极的电阻、金属半导体接触电阻、发射区薄层电阻和基区电阻等组成。串联电阻是影响太
12、阳电池填充因子和短路电流进而影响光电转换效率的重要因素之一。金属电极半导体接触电阻是串联电阻的重要组成部分之一。工业化生产的晶体硅太阳电池 , 通常采用丝网印刷烧结银导体作为上电极。这种情况下 , 电极与晶体硅之间的接触电阻与硅半导体的表面掺杂浓度、表面状态及电极烧结温度、时间等条件有关。如何准确地测量电极接触电阻是把握电极烧结工艺好坏的重要依据。印刷和烧结背场印刷：电池铝背场也应用于丝网印刷太阳能电池制造技术。大约20m厚的铝浆通过丝网印刷方法沉积到电池的背面，在高温烧结过程中，铝和硅形成共晶合金，如果烧结温度高于800，铝在硅内的掺杂浓度会高达51018/cm3,而硅片衬底的掺杂浓度只在2
13、1016/cm3左右，从而在铝背场和衬底之间形成高/低结，有效地阻止了少数载流子向电池的背面扩散，降低了电池背表面的复合速率。铝背场可将电池背面的复合速率降低到200cm/s以下，此外，硅铝合金能对硅片进行有效地吸杂。 存在背场的情况下，背场附近的收集几率可以由原来的11.8%增加到29%，几乎增加了2倍。增加的收集几率将使得短路电流增加，在背面复合较小的情况下，有背场引起的增加十分小，几乎可以不予考虑，而在背面复合比较大而且电池不太厚的情况下，这种增加可以达到原来电流的8%。少数载流子的寿命极低的情况下，背场的效果并不明显，这恰好和表面复合的情形相反，只有在少子有较高的寿命，背场的效果才比较
14、突出。背场实际上是增强了少子的扩散漂移，使得背面复合等效地降低了，从而使电池性能变好。单片测试和分选目的：通过模拟太阳光太阳能电池进行参数测试和分析，将电池片按照一定的要求进行分类。原理：利用太阳能电池的光谱特性，温度特性，输出特性等，通过相关参数的测定和计算，来表达电池的电性能情况。重要参数光照强度：100mw/cm2转换效率，功率，电池片面积（125单晶为例148.6cm2）的关系：功率=光照强度*面积 *转换效率短路电流（Isc），开路电压（Voc），填充因子（FF），功率的关系：功率=Isc*Voc*FF最大工作电流（Im），最大工作电压（Vm），功率的关系：功率=Im*Vm报告人:20ISCVOCRSHRSIV图报告人:21ISCVOCRSH = RS = 0IV图的理想曲线报告人:22IV图的建立在不加偏压时 ,以白色光照射太阳能电池 ,测得在不同负载电阻 R 下流过太阳能电池的电流 I 和太阳能电池的输出电压 U ,所得数据见表报告人:23检测的实际曲线
