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1、多晶硅薄膜太阳能电池摘 要本设计主要阐述研究了太阳能电池的发展历程，详细介绍了多晶硅薄膜太阳能电池的各种工艺，多晶硅薄膜太阳能电池的结构、特点，以及多晶硅薄膜的制备方法，阐述了在实际研究过程中沉积大晶粒多晶硅薄膜的技术路线和工艺，并展望了多晶硅薄膜太阳能电池的研究趋势。关键词：陶瓷衬底，多晶硅薄膜，太阳能电池，发展趋势 4多晶硅太阳能电池绪言31. 硅太阳能电池的原理4 1.1 太阳能电池的原理31.2多晶硅太阳能电池工作原理31.3多晶硅太阳能电池结构特点 41.4 多晶硅电池构成 4 1.5 多晶硅电池特性 41.6 多晶硅太阳能电池对薄膜的基本要求 52.多晶硅薄膜太阳能电池制备方法2.
2、1半导体液相外延生长法（LPE法）52.2区熔再结晶法（ZMR法）5 2.3 等离子喷涂法（PSM） 5 2.4 叠加法 62.5 化学气相沉积法（CVD） 62.6 固相结晶法（SPC） 73多晶硅薄膜电池衬底和沉积工艺.73.1在廉价衬底上高温沉积73.2低温生长83.3层转移技术84. 多晶硅薄膜晶粒长大技术84.1结晶初期控制形核使晶粒长大84.2再结晶技术85 多晶硅薄膜太阳能电池的研究趋势 86 结语 97 参考文献 91 绪言照射在地球上的太阳能非常巨大，每3d太阳向地球辐射的能量，就相当于地球所有矿物燃料能量的总和；大约40min照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类1a能量的
3、消费，是真正取之不尽、用之不竭的能源。太阳能电池可将太阳能直接转化成电能供人类使用，是利用太阳能资源的有效方式，在使用中不会产生任何有害物质，是一种无污染的产品。另外太阳能电池还具有系统运行可靠，长寿命，安装使用方便等优点，所以，太阳能电池在解决能源与环境问题方面倍受青睐，是一种有着极好市场前景的产品，被誉为是理想的能源。2002年诺贝尔革新获得者：澳大利亚新南威尔士大学的马丁格林教授把太阳能电池划分为三代：第一代是传统的晶体硅材料太阳能电池；第二代是方兴未艾的薄膜太阳能电池；第三代则是处于设想中的新型高效太阳能电池，包括叠层电池、热载流子电池等1。到目前为止晶体硅(包括单品硅及多晶硅)太阳能
4、电池始终占有太阳能电池市场份额的85以上，其优异的特性已为众多成功的应用所证实。常规晶体硅太阳能电池组件中硅片的成本约占55602，硅片的来源主要有：直拉单晶硅、浇铸/定向凝固多晶硅、电磁浇铸多晶硅。硅片厚度目前常见的是200um300um，由于目前制片及封装工艺的限制，要进一步降低硅片的厚度已经比较困难。要使光伏发电真正成为能源体系的组成部分，必须要大幅度地降低成本。薄膜太阳能电池在降低成本方面比晶体太阳能电池具有更大的优势：一是实现薄膜化后，可极大地节省昂贵的半导体材料；二是薄膜电池的材料制备和电池同时形成，因此节省了许多工序；三是薄膜太阳能电池采用廉价衬底(陶瓷、不锈钢等)，可以获得大面
5、积的电池组件，减少组件间串并联带来的效率损耗。目前研究比较深入的薄膜太阳能电池主要有硅基太阳能电池和铜铟锡、碲化镉等化合物半导体薄膜电池。非晶硅薄膜太阳能电池虽在成本上具有一定优势，但光衰退效应严重制约了其发展空间，一些理论问题也有待进一步探索。而铜铟锡、碲化镉等化合物薄膜电池，也因为铟元素含量稀少、镉元素有剧毒等问题，影响其应用化进程。所以，效率稳定、原材料丰富的多晶硅薄膜太阳能电池成为最有希望取得成功的第二代太阳能电池。1硅太阳能电池的原理1.1 太阳能电池的原理太阳能电池是利用太阳光和材料相互作用直接产生电能的器件，能产生光伏效应的材料有许多种，如：硅系材料(单晶硅、多晶硅、非晶硅)，化
6、合物半导体(砷化镓、硒铟铜)等。它们的发电原理基本相同。此类太阳能电池的工作原理是基于P-N结的光生伏打效应：当N型半导体与P型半导体通过适当的方法组合到一起时，在二者的交界处就形成了P-N结；由于多数载流子的扩散，形成了空间电荷区，并形成一个不断增强的从N型半导体指向P型半导体的内建电场，导致多数载流子反向漂移；达到平衡后，扩散产生的电流和漂移产生的电流相等如果光照在P-N结上，而且光能大于P-N结的禁带宽度，则在P-N结附近将产生电子空穴对由于内建电场的存在，产生的非平衡电子载流子将向空间电荷区两端漂移，产生光生电势，破坏了原来的平衡。若在电池两侧引出电极并接上负载，负载中就有“光生电流”
7、通过，得到可利用的电能，这就是太阳能电池发电的基本原理若把几十个、数百个太阳能电池单体串联、并联起来，组成太阳能电池组件，在太阳光的照射下，便可获得输出功率相当可观的电能。1.2 多晶硅太阳能电池工作原理多晶硅薄膜太阳电池是将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上，用相对薄的晶体硅层作为太阳电池的激活层，不仅保持了晶体硅太阳电池的高性能和稳定性，而且材料的用量大幅度下降，明显地降低了电池成本。多晶硅薄膜太阳电池的工作原理与其它太阳电池一样，是基于太阳光与半导体材料的作用而形成光伏效应。光与半导体的相互作用可以产生光生载流子。当将所产生的电子空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极时，两极间会产生电势，
8、称为光生伏打效应，简称“光伏效应”3。1.3 多晶硅太阳能电池结构特点在半导体太阳能电池中，吸收太阳光能量所必要的半导体膜的厚度可以非常薄。对硅来说，在太阳光谱峰值附近5.0x10-7m6.0x10-7m处，吸收值为104/cm数量级。从原理上讲，几um厚就可以吸收大部分的能量，但实际多晶硅薄膜的厚度一般是50um5。正因为如此，人们研制了薄膜型太阳能电池，太阳能电池的薄膜化是以降低地面用太阳能电池制作成本和节省昂贵的半导体电池结构材料为目的的。为了从机械强度上支撑电池薄膜活性层，就需要衬底。当然，衬底材料也应该是便宜的。所以，在大部分的实例中，衬底都不是半导体材料。在衬底上形成的半导体薄膜是
9、多晶体或非晶体，而不必是单晶体。衬底上的半导体薄膜，可以通过各种途径形成：物理的和化学的生长法以及把衬底在熔融半导体材料中浸渍等方法。薄膜电池的转换结构与单晶电池的结构一样，有pn结型、肖特基型、MIS型及异质结型等。其不同点在于：衬底对半导体薄膜形成工艺的影响，晶界和膜厚的作用，以及薄膜特有的材料、电学方面的性质，这些都是不容忽视的。正是由于这些因素的制约，硅薄膜电池的特性仍落后于单晶硅太阳电池的水平，尚处试验阶段，未达到实用化的程度。1.4 多晶硅电池构成绝缘基板上的电池结构图1表示以铝为基板的结构。这是一种n+-p-p+-Al基板形式，因为基板是绝缘体，所以需要取出p+一侧的电极，其Si
10、层的特性是：p+层：20um40um厚，电阻率10-3欧姆厘米；p层：5um20um厚，杂质浓度为1016/cm3；n层：0.4um4um厚，杂质浓度为1019/cm3，p层n+层的生长都采用SiHCl3外延生长，真空蒸镀铝电极，并蒸镀一层减反射膜，做成4cm10cm的太阳电池。 图1 氧化铝为基板的电池构造石墨基板上的电池结构以石墨为基板的硅薄膜太阳电池的结构与图1结构形式相同。硅层的特性为p+层：10um40um厚，电阻率23x10-8欧姆厘米；p层：8um10um，电阻率：0.22欧姆厘米；n+层：0.2um0.4um厚，电阻率12x10-3欧姆厘米；石墨基板3cm x 3cm。1.5
11、多晶硅电池特性表1给出在不同基板上形成薄膜硅太阳电池的特性。有关以石墨为基板的薄膜硅太阳电池的电压、电流特性可参考文献4。表1 在不同基板上形成的硅薄膜电池的特性1.6 多晶硅太阳能电池对薄膜的基本要求利用多晶硅薄膜制备太阳能电池的基本要求为10：（1）多晶硅薄膜厚度为5um150um；（2）增加光子吸收；（3）多晶硅薄膜的宽度至少是厚度的一倍；（4）少数载流子扩散长度至少是厚度一倍；（5）衬底必须具有机械支撑能力；（6）良好的背电极；（7）背表面进行钝化；（8）良好的晶粒界。2 多晶硅薄膜太阳能电池制备方法2.1 半导体液相外延生长法（LPE法）LPE法生长技术已广泛用于生长高质量和化合物半
12、导体异质结构，如GaAs、AlGaAs、Si、Ge和SiGe等。LPE也可以在平面和非平面衬底上生长，能获得结构完美的材料。近年来用LPE技术生长晶体硅薄膜来制备高效薄膜太阳电池引起了广泛的兴趣。LPE生长可以进行掺杂，形成n-型和p-型层，LPE生长设备为通用外延生长设备，生长温度为300oC-900oC生长速率为0.2um/min2um/min，厚度为0.5um100um。外延层的形貌决定于结晶条件，并可直接获得具有绒面结构的外延层。2.2 区熔再结晶法（ZMR法）在硅（或其它廉价衬底材料）上形成SiO2层，用LPCVD法在其上沉积硅层（3um5um，晶粒尺寸为0.01um0.1um），将
13、该层进行区熔再结晶（ZMR）形成多晶硅层。控制ZMR条件，可使再结晶膜中的腐蚀坑密度由1x107下降到1.2x106，同时（100）晶相面积迅速增加到90%以上。为了满足光伏电池对层厚的要求，在ZMR层上用CVD法生长厚度为50um60um的硅层作为激活层，用扫描加热使其晶粒增大至几毫米，从而形成绝缘层硅（sol），激活层为p型，电阻率为1cm2cm。为获得高质量的激活层，在进行LPCVD前，对ZMR层表面进行HCl处理。为制备多晶硅薄膜太阳电池，在激活层表面进行腐蚀形成绒面结构，并进行n型杂质扩散形成p-n结，然后进行表面钝化处理和沉积减反射层，并制备电极，进行背面腐蚀和氢化处理，制作背电极，即制成多晶硅薄膜太阳能电池6。2.3 等离子喷涂法（PSM）采用DC-RF混合等离子系统，以纯度为99.9999%、粒度为50um150um的p型晶体硅作为原材料，用Ar气作为携带气体，由DC-RF等离子体进行喷涂。原料贮存盒和携带气体管道涂覆Si-C-N-O化合物，防止杂质污染。硅粉在高温等离子体中加热熔化，熔化的粒子沉积在衬底上，衬底由加热器加热、沉积前，用红外热偶测试衬底温度，使之保持在1200oC。沉积室由不锈钢制成，用无油泵抽真空，其真空度为1.33x10
