Jiangxi Yuzhou Vocational Institue of Science of Technology专 科 毕 业 论 文晶体硅太阳能电池扩散工艺探究系〔院名称：新能源工程学院 专业班级：学生姓名：指导教师：学 号：20XX10月24 / 27.晶体硅太阳能电池扩散工艺探究摘 要对已经取得较普遍应用的晶体硅太阳电池来说,开发新技术和优化制造工以降低电池的制造成本是目前该领域最重要的努力方向之一本文所研究的主要问题是低成本晶体硅太阳电池在工业化生产中的扩散制作p-n结工艺通过研究不同扩散工艺条件与电池的相关性能参数的关系,得出适合于高转换效率大规模制作的最佳扩散工艺条件在扩散这方面的理论虽然比较成熟,但是对工业化生产涉及的具体工艺的系统研究在国内还没有相关报导为了能够便于了解扩散制作p-n结理论及其工艺,本文对生产晶体硅太阳电池的基本工作原理及其主要的制造工艺流程进行了描述在理论方面,本文对扩散制作p-n结、电极制作及应用在晶体硅太阳电池p-n结烧结过程中所关联的因素进行了分析然后,论文从工艺流程对扩散方块电阻的阻值控制要求出发,结合正表面电极设计角度,利用扩散薄层电阻对栅线间隔设计的要求,分析了相关功率的损耗。
从扩散均匀性对太阳电池电性能的影响角度,论文通过实验分析了电池表面不同扩散浓度分布对电池少子寿命、开路电压、短路电流及烧结条件的影响；同时,论文还分析了太阳电池表面余误差函数分布下不同扩散浓度对烧结工艺的要求及填充因子的影响和对电池少子寿命及开路电压的影响通过生产线的实验验证,获得了一致的分析结果经进一步的工艺优化与分析,扩散工艺具有低成本生产高效晶体硅太阳电池的广阔前景关键词：硅太阳电池 扩散 均匀性 转换效率目 录第一章 绪 论 11.1 太阳电池的应用领域 11.2 晶体硅太阳电池研究的发展状态与发展趋势 31.3 本论文研究内容与研究意义 5第二章 晶体硅太阳电池的基本原理和制造工艺流程 72.1 晶体硅太阳电池的器件结构 72.2 硅PN结太阳电池的基本工作原理 112.2.1 光生伏特效应 112.2.2 I-V特性 13第三章 扩散制作PN结与电极制作分析163.1 扩散制作PN结 163.1.1 扩散的基本原理 163.1.2 一维Fick扩散方程 173.1.3 恒定扩散系数 183.1.4 与浓度有关的扩散系数 193.1.5 扩散系数与温度的关系 203.2 扩散参数 213.3 扩散方法和工艺条件的选择 233.4 扩散质量的检验 243.4.1 表面质量检验 243.4.2 结深的检验 243.4.3 方块电阻的检验 25第四章 晶体硅太阳电池的扩散工艺研究 254.1实验片的准备与主要工艺流程控制 254.2 扩散均匀性实验与研究 274.2.1 扩散均匀性影响因素与气氛场均匀性实验研究 284.2.2 工艺气体流量对炉内温度的影响 284.3 扩散对太阳电池电性能的影响 29第五章 结论与展望31致 谢33参考文献34.第一章 绪 论早在1839年,法国科学家贝克雷尔〔Becquerel就发现一种奇特现象,即半导体在电解质溶液中会产生"光生伏特效应",简称"光伏〔PV,photovoltaics效应"。
太阳能电池就是依靠光伏效应工作,利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件1954年出现了现在的硅太阳能电池的第一代产品太阳能电池的出现,开始了研究与利用太阳能发电的新纪元1.1太阳电池的应用领域当前全球对能源的需求快速稳定增长,而像化石能源和核能等传统的能源供应在可预见的时间内又是有限的,且传统的能源在应用中带来的温室效应、臭氧空洞、酸雨等环境问题越发突出而不容忽视所以,人类已普遍认识到,可再生能源的开发和利用是克服这些困难的必然选择可再生能源包括水能、风能、太阳能、生物质能、地热能和海洋能等；其资源潜力大,环境污染低,可永续利用,是有利于人与自然和谐发展的重要能源将太阳光直接转换成电能进行能源利用的光伏产业是可再生能源非常有效的利用领域之一近年来,太阳能的光伏应用已给我们展示了一幅非常广阔的前景它已开始影响了我们的日常生活和工业生产,而且必将在更大程度上进一步渗透到人类社会生活的诸多领域[1]除建设太阳电池大型电站、屋顶并网发电系统、BIPV光伏建筑一体化外,在某些特殊的应用领域,太阳电池的利用也有着独特的优势：太阳电池可用于边远地区的独立电源供应,因为将国家电网延伸到边远地区或者在边远地区建造火力发电站来供应低密度的居民用电是非常昂贵的,相对来说应用独立的太阳电池发电系统成本反而降低。
在远程通讯的中继站用电源、海上石油钻探船、民用、军用导航指示系统、边远或高山军用哨所照明、通讯及雷达系统电源等方面也有独特的优势另外,太阳电池还以小型能源的形式出现：如照明灯、花园灯、指示灯及玩具电源、太阳能汽车电池、太阳电池游艇、常规电瓶充电太阳电池、医疗汽车的冷藏电源、冷藏车的制冷电源以及冰箱等目前,世界上大部分国家能源供应不足在过去十多年来世界太阳电池的产量一直以每年30%到40%的速度增长,成为世界上发展最快的行业之一[2-3]各国政府已采用各种方式来重组能源结构,大量支持太阳能电池这一"绿色能源"的推广和应用,纷纷提出了庞大的光伏发展计划[3-4]如日本的"新阳光计划",德国政府最近推行的"再生能源的法案",欧盟计划至20XX光伏发电总装机容量达到3GW,澳大利亚计划20XX光伏发电总装机容量达到0.75GW中国政府对外承诺至20XX光伏发电总装机容量达到0.45GW按照日本新能源计划、欧盟可再生能源白皮书、美国光伏计划等推算,20XX全球光伏发电并网装机容量将达到15GW〔1500万千瓦,届时仍不到全球发电总装机容量的1%,未来数年光伏行业的复合增长率将高达30%以上。
除此以外,太阳能独立发电系统的应用将进一步增长在西方国家,"无线"通讯已被大力推广,太阳能电池是为远距离通讯中继站提供电源的最佳选择在发展中国家,仍有大约20亿人口居住在远离电网的边缘地区,太阳能电池将为他们的生活带来方便,最为主要的应用是照明和通讯等据欧盟的能源预测表明,本世纪中叶可再生能源在能源结构中的比例将达到78%,太阳能达到28%,其中太阳能发电达25.5%[5]在中国,随着中国现代化的发展趋势,中国将很快进入"城市化"发展阶段,对太阳电池的需求会更加强劲,至20XX,中国国内太阳电池板的年需求将达到300MW,2050年将达到100000MW[3]；另外,太阳电池在绿色产业中占据着十分重要的地位另一方面,中国又面临必须大力发展太阳能的紧迫性挑战,诸如能源系统的可持续性问题、特殊国情的需要、能源安全的考虑和未来发展的战略需要等随着经济发展,对太阳电池产品的需求也在急剧增加很多大型工程项目,各类泵站、加压站、通讯传递站、信号站、控制终端等设施的电力、动力供应,都会有对太阳电池板的大量需求；中国的青藏铁路沿线站点的备用生活用电,中国的西气东输工程的管道阴极保护﹑生活用电和无人值守站点通讯工程的扩大无疑将进一步带动中国光电事业的发展；近一年左右,全球金融危机促使了中国政府加大积极发展太阳能发电等清洁能源的举措；为进一步落实拉动内需的总体要求,中国政府即将启动中长期的能源战略发展的阶段性具体方案实施计划。
然而,由于光伏发电系统一次性投入大,导致整体发电成本偏高,一定程度上制约了其大范围推广发展因此,目前国际上整个光伏行业的压倒一切的努力方向就是全力降低太阳能光伏应用的成本[6]尽管人们对各种类型的太阳电池进行了多年的研究和开发,至今为止,在大规模商业化应用中,无毒性的Si太阳电池仍然占据绝对主导的地位而且,新型硅材料也是未来太阳电池的主要希望之一目前,非晶硅/纳米晶体硅异质结太阳电池具有重要的应用前景在硅材料太阳电池发展的同时,一系列化合物半导体太阳电池发展迅速,如GaAs、CdTe、InP、CdS、CuInS2和CuInSe2等从降低硅太阳电池的制造成本与大规模应用角度,因有机分子具有低成本、重量轻和分子水平上的可设计性等竞争优点,从而使有机太阳电池成为现阶段的研究热点[7]1.2晶体硅太阳电池研究的发展状态与发展趋势硅太阳电池在上世纪八九十年代得到了飞速的发展,澳大利亚新南威尔士大学的钝化发射极太阳电池系列和美国斯坦福大学的背面点接触电池在这一期间的硅太阳电池研究中起了主导作用,其他许多结构的太阳电池也在不同程度上有所提高[2,8-9]在更早期硅太阳电池的研究中,人们探索了各种各样的结构来改进电池性能。
众所周知的背面场电池减少了背表面处的复合,从而提高了开路电压；浅结紫电池减少了正表面处的复合；绒面电池减少了电池表面的反射并提高了光生载流子的收集；MIS〔金属-绝缘层-半导体结构和MIN〔可看作MIS电池和p-n结的结合电池则进一步减少了电池的正表面复合此外,钛－钯金属化电极和减反射膜的应用在硅太阳电池发展中的应用也起了重要作用近年来硅太阳电池的研究成果就是在这些早期实验和理论基础上的进一步发展和完善当前直拉单晶硅太阳电池的最高转换效率为24.5%,其电池为PERT电池；区熔单晶硅最高转换效率24.7%,其电池为PERL电池[10-11]PERT太阳电池和PERL太阳电池均采用了表面V型槽和倒金字塔技术,表面钝化技术和双层减反射膜技术的提高与陷光理论的完善也进一步降低了表面复合速率、减少了电池表面的反射和提高了对红外光的吸收。
低成本硅电池的产业化得到了飞速发展20XX,位于德国弗莱堡的夫朗和费太阳能研究所成功地制成世界上第一个转换效率超过20%的多晶硅太阳电池[12]它的主要特点是：用湿氧的方法对后表面进行氧化降低了处理温度,从而减少了少数载流子寿命的降低；后表面钝化的绝缘层加上等离子体织构的上表面具有很好的光学特性,可以很好的对光进行吸收,从而使电池的厚度低于100um；激光氧化烧结背接触提供了一个局部的背表面场近些年来,光伏界认为,为了进一步提高硅太阳电池的转换效率,可以通过4对发射区进行优化设计,使发射区的复合电流减少,增加开路电压来获取效率的增益经过理论研究及实验表明,对电池上表面进行钝化,并在金属电极所覆盖的区域进行深而重的掺杂,其它区域为浅而轻的掺杂,这样的发射区设计,可以减少复合损失、降低暗电流这种结构称为"选择性发射极〔SE,Selective-Emitter"选择性发射极太阳电池是对发射区进行优化的一种太阳电池[13]目前,国内有些厂家产业化生产选择性发射极太阳电池的效率达到了17%~18.5%,这在国内处于领先水平通过长时间对基于高纯度高质量硅片的高效电池的研究开发,光伏领域各研究机构和生产企业正努力地将相关技术运用到产业化生产。
其中钝化发射极太阳电池系列和背面点接触电池相关技术的应用最为广泛在不断提高转换效率、降低成本的工业化生产中,日本Sanyo〔三洋公司的HIT电池〔Heterojunction withIntrinsic Thin Layer,异质结太阳电池,即不同半导体材料形成的太阳电池[14]和SunPower Co.,CA,USA的L。