晶体硅太阳电池工艺技术课件

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1、 晶体硅太阳电池工艺技晶体硅太阳电池工艺技术术 ( (SUNTECH POWER CO. SUNTECH POWER CO. LTD.LTD.） 20042004年年年年9 9月月月月一一、晶体硅太阳电池工艺原则、晶体硅太阳电池工艺原则高效化高效化低成本低成本大批量大批量二、表现方式二、表现方式2.1 2.1 大片化，薄片化，高效化大片化，薄片化，高效化大片化，薄片化，高效化大片化，薄片化，高效化 大片化大片化 多晶硅片多晶硅片210*210（mm） 面积面积441cm2 单晶硅片单晶硅片156*156（mm） 面积面积239.9cm22.22.2薄片化薄片化薄片化薄片化220220 薄薄片片

2、化化是是把把双双刃刃剑剑，薄薄片片化化可可以以降降低低成成本本。但但是是，碎碎片片率率会会增增加加。国国际际上上晶晶片片供供应应商商都都是是朝朝220方方向向看看齐齐，薄薄片片化化会会对对第第三三世世界界太太阳阳电电池池生生产产商商而而言言会会形形成成一道强大技术壁垒。一道强大技术壁垒。 中国有可能在未来中国有可能在未来156156（mm）单晶单晶硅片生产上，占有让国际光伏圈内不可小硅片生产上，占有让国际光伏圈内不可小视的一席之地。视的一席之地。中国有批量生产中国有批量生产8吋单晶炉设备的厂家；吋单晶炉设备的厂家；各各地地已已有有不不少少厂厂家家在在上上8吋吋单单晶晶炉炉，150150（mm）

3、晶晶片片已已问问世世。高高邮邮江江苏苏顺顺大大半半导导体体发发展展有有限限公公司司拉拉的的8吋吋单单晶晶，镇镇江江环环太太硅硅科科技技公公司切片；司切片；无锡尚德太阳能电力有限公司刚之竣工一条年产无锡尚德太阳能电力有限公司刚之竣工一条年产25MW，生产单晶硅生产单晶硅和多晶硅和多晶硅156156（mm）、）、150150（mm）太阳电池生产线。太阳电池生产线。三、光伏技术的发展三、光伏技术的发展 晶晶体体硅硅太太阳阳电电池池是是光光伏伏行行业业的的主主导导产产品品，占占市市场场份份额额的的90%，尤尤其其是是多多晶晶硅硅太太阳阳电电池池的的市市场场份份额额已已远远超超过过单单晶晶硅硅电电池池的

4、的市市场场份份额额，自自从从六六十十年年代代太太阳阳能能电电池池作作为为能能源源应应用用于于宇宇航航技技术术以以来来，太太阳阳能能电电池池的的技技术术得得到到非非常常迅迅速速的的发发展展，单单晶晶硅硅太太阳阳能能电电池池的的转转换换效效率率已已接接近近25%，多多晶晶硅硅太太阳阳能能电电池池的的转转换换效效率率已已接接近近20%。图图1显显示示了了单单晶晶硅硅太太阳阳能能电电池池转转换换效效率率的的发发展展过过程程，1980年年以以后后的的转转换换效效率率的的世世界界纪纪录录主主要要由由澳澳大大利利亚亚新新南威尔斯大学保持。南威尔斯大学保持。图图图图1 1单晶硅太阳能电池转换效率的发展过程单晶

5、硅太阳能电池转换效率的发展过程单晶硅太阳能电池转换效率的发展过程单晶硅太阳能电池转换效率的发展过程 3.1 实验室高效太阳能电池的研究实验室高效太阳能电池的研究 太太阳阳能能电电池池是是一一种种少少数数载载流流子子工工作作器器件件，当当光光照照射射到到一一个个P型型半半导导体体的的表表面面上上，光光在在材材料料内内的的吸吸收收产产生生电电子子与与空空穴穴对对。在在这这种种情情况况下下，电电子子是是少少数数载载流流子子，它它的的寿寿命命定定义义为为从从其其产产生生到到其其与与空空穴穴复复合合之之间间所所生生存存的的时时间间。少少数数载载流流子子在在电电池池内内的的寿寿命命决决定定了了电电池池的的

6、转转换换效效率率。因因此此要要提提高高电电池池的的转转换换效效率率，就就必必须须设设法法减减少少少少数数载载流流子子在在电电池池内内的的复复合合，从从而而增增加加少少数数载载流流子子的的寿寿命命。影影响响少数载流子寿命的因素有少数载流子寿命的因素有:1）体内复合；）体内复合；2）表面复合；）表面复合；3）电极区复合。）电极区复合。 1）体内复合）体内复合 减减少少晶晶体体硅硅体体内内的的复复合合，首首先先要要选选用用适适当当的的掺掺杂杂浓浓度度的的衬衬底底材材料料。一一般般太太阳阳能能电电池池制制造造所所用用的的硅硅片片的的电电阻阻率率在在0.5到到1 cm左左右右。提提高高晶晶体体的的质质量

7、量，减减少少缺缺陷陷和和杂杂质质，是是提提高高少少数数载载流流子子寿寿命命的的重重要要手手段段。吸吸杂杂(gettering)工工艺艺能能有有效效的的提提高高材材料料的的质质量量。钝钝化化(passivation)工工艺艺能能有有效效地地减减少少晶晶体体缺缺陷陷对对少少数数载载流流子寿命的影响。子寿命的影响。2）表面复合）表面复合 减减少少表表面面复复合合通通常常采采用用在在硅硅表表面面生生成成一一层层介介质质膜膜如如二二氧氧化化硅硅(SiO2)和和氮氮化化硅硅(SiN)。这这种种介介质质膜膜完完善善了了晶晶体体表表面面的的悬悬挂挂键键，从从而而达达到到表表面面钝钝化化的的目目的的。如如果果这

8、这种种介介质质膜膜生生成成在在n型型硅硅的的表表面面，由由于于在在这这些些介介质质膜膜内内固固有有的的存存在在作作一一些些正正离离子子，这这些些正正离离子子排排斥斥了了少少数数载载流流子子空空穴穴向向表表面面移移动动。另另外外一一种种表表面面钝钝化化的的方方法法是是在在电电池池表表面面形形成成高高低低结结(high-lowjunction)。这这种种结结在在表表面面产产生生一一个个电电场场,从从而而排排斥斥了了少少数数载载流流子子空空穴穴向向表表面移动。面移动。3）电极区复合）电极区复合 减减少少电电极极区区的的复复合合可可采采用用将将电电极极区区的的掺掺杂杂浓浓度度提提高高，从从而而降降低低

9、少少数数载载流流子子在在电电极极区区的的浓浓度度。减减少少载载流流子在此区域的复合。子在此区域的复合。 基基于于以以上上提提高高电电池池转转换换效效率率的的途途径径，派派生生了了多多种种高高效效晶晶体体硅硅太太阳阳能能电电池池的的设设计计和和制制造造工工艺艺。其其中中包包括括PESC电电池池（发发射射结结钝钝化化太太阳阳电电池池）和和表表面面刻刻槽槽绒绒面面PESC电电池池；背背面面点点接接触触电电池池（前前后后表表面面钝钝化化电电池池）；PERL电电池池（发发射射结结钝钝化化和和背背面面点点接接触触电电池池）。由由这这些些电电池池设设计计和和工工艺艺制制造造出出的的电电池池的的转转换换效效率

10、率均均高高于于20%，其其中中保保持持世世界界记记录录（24.7%）的的单单晶晶硅硅和和多多晶晶硅硅电电池池（19.8%）的转换效率均是由）的转换效率均是由PERL电池实现的。电池实现的。 图图图图5 5显示了由澳大利亚新南威尔斯大学设计和显示了由澳大利亚新南威尔斯大学设计和显示了由澳大利亚新南威尔斯大学设计和显示了由澳大利亚新南威尔斯大学设计和制造的高效晶体硅太阳能电池（制造的高效晶体硅太阳能电池（制造的高效晶体硅太阳能电池（制造的高效晶体硅太阳能电池（PERLPERL）示意示意示意示意图。图。图。图。图图图图5 5 5 5：实验室高效太阳能电池结构示意图：实验室高效太阳能电池结构示意图：实

11、验室高效太阳能电池结构示意图：实验室高效太阳能电池结构示意图 实验室高效太阳能电池的结构具有以下特点：实验室高效太阳能电池的结构具有以下特点：实验室高效太阳能电池的结构具有以下特点：实验室高效太阳能电池的结构具有以下特点： 1)表面采用了倒金字塔结构进一步减小光在前表面的反射并更有效地表面采用了倒金字塔结构进一步减小光在前表面的反射并更有效地将进入硅片的光限制在电池之内；将进入硅片的光限制在电池之内； 2)硅表面磷掺杂的浓度较低以减少表面的复合和避免表面硅表面磷掺杂的浓度较低以减少表面的复合和避免表面“死层死层”的的存在；存在； 5)前表面电极采用更匹配的金属如钛，钯，银金属组合以进一步减小前

12、表面电极采用更匹配的金属如钛，钯，银金属组合以进一步减小电极与硅的接触电阻；电极与硅的接触电阻； 3)前后表面电极下面局部采用高浓度扩散以减小电极区复合并形成好前后表面电极下面局部采用高浓度扩散以减小电极区复合并形成好的欧姆接触；的欧姆接触；4)前表面电极很窄（只有前表面电极很窄（只有20微米宽微米宽)以及电极条之间的距离变窄使得以及电极条之间的距离变窄使得前表面遮光面积降低到最小并减少前表面遮光面积降低到最小并减少n型区横向导电电阻的损失；型区横向导电电阻的损失；7)利用两层减反射膜将前表面反射降到最低。利用两层减反射膜将前表面反射降到最低。 6)电池的前后表面采用电池的前后表面采用SiO2

13、和点接触的方法以减少电池的表面复合；和点接触的方法以减少电池的表面复合； 目目前前这这种种电电池池技技术术是是制制造造实实验验室室高高效效太太阳阳能能电电池池的的主主要要技技术术之之一一，25的的电电池池就就是是由由此此技技术术制制造造的的。但但是是，这这种种电电池池的的制制造造过过程程相相当当烦烦琐琐，其其中中涉涉及及到到好好几几道道光光刻刻工工艺艺，所所以以不不是是一一个个低低成成本本的的生生产产工工艺艺，很很难将且应用于大规模工业生产。难将且应用于大规模工业生产。 八八十十年年代代中中期期，新新南南威威尔尔斯斯大大学学发发明明了了“激激光光埋埋沿沿式式电电池池制制造造工工艺艺”，图图6描

14、描述述了了这这种种电电池池结结构构，这这一一电电池池技技术术采采纳纳了了高高效效太太阳阳能能电电池池的的优优点点，简化了高效太阳能电池的制造工艺，使之成为可生产的技术。简化了高效太阳能电池的制造工艺，使之成为可生产的技术。图图图图6 6 6 6 激光埋沿式激光埋沿式激光埋沿式激光埋沿式电电池池池池结结构示意构示意构示意构示意图图 目目前前这这一一技技术术已已转转让让给给好好几几家家世世界界上上规规模模较较大大的的太太阳阳能能电电池池生生产产厂厂家家如如英英国国的的BPSOLAR和美国的和美国的SOLAREX等等 8)背面金属铝烧结；背面金属铝烧结；2)表面淡磷扩散；表面淡磷扩散；1)表面金字塔

15、的形成；表面金字塔的形成；7)背面金属铝蒸发；背面金属铝蒸发；6)槽内浓磷扩散；槽内浓磷扩散；4)激光刻槽；激光刻槽；3)表面氧化物表面氧化物(SiO2)生长；生长；9)化学镀前后面金属电极；化学镀前后面金属电极；10)边缘切割。边缘切割。5)槽内化学腐蚀；槽内化学腐蚀；激光埋沿式电池制造的主要工艺流程是：激光埋沿式电池制造的主要工艺流程是： 2000年年，日日本本三三洋洋公公司司（SanyoSanyo）报报道道了了一一种种新新型型的的高高效效太太阳阳能能电电池池设设计计和和制制造造的的方方法法。图图7 7显显示示了了这这种种电电池池的的结结构构示示意意图图。此此种种电电池池基基于于一一种种n

16、-n-型型晶晶体体硅硅材材料料，采采用用等等离离子子体体化化学学沉沉积积（PECVDPECVD）方方法法在在n-n-型型硅硅片片衬衬底底上上沉沉淀淀本本征征层层i-i-和和p-p-型型非非晶晶硅硅薄薄膜膜，从从而而形形成成n-n-型型硅硅和和非非晶晶硅硅异异质质结结结结构构（HITHIT）太太阳阳电电池池，非非晶晶硅硅（a-a-Si:HSi:H）材材料料的的带带宽宽在在1.71.7eVeV左左右右，远远大大于于晶晶体体硅硅1.11.1eVeV的的带带宽宽，因因此此此此种种HITHIT电电池池结结构构对对于于电电池池表表面面有有很很好好的的钝钝化化作作用用。同同时时，由由于于非非晶晶硅硅几几乎乎

17、没没有有横横向向导导电电性性能能，因因此此必必须须在在硅硅表表面面淀淀积积一一层层大大面面积积 的的透透明明导导电电膜膜（TCOTCO）以以有有效效地地收收集集电电池池的的电电流流。这这种种电电池池的的结结构构和和工工艺艺制制造造出出了了21%21%转转换换效效率率的的单单晶晶硅硅太太阳阳电电池池，电电池池的的开开路路电电压压（VocVoc）达达到到719719mVmV，接接近近世世界界纪纪录录，制制造造这这种种电电池池的的工工艺艺温温度度不不超超过过300300。如如果果温温度度高高于于400400，氢氢原原子子很很容容易易从从非非晶晶硅硅材材料料内内逸逸出出，从从而而降降低低非非晶晶硅硅材

18、材料料的的质质量量，影影响响电电池池的的转转换换效效率率，但但由由于于制制造造工工艺艺涉涉及及到到复复杂杂的的真真空空系系统统，因因此此制制造造工艺并非简单。工艺并非简单。图图图图7 7 7 7 高效太阳能电池的结构示意图高效太阳能电池的结构示意图高效太阳能电池的结构示意图高效太阳能电池的结构示意图 3.2 大规模工业生产太阳电池制造大规模工业生产太阳电池制造 目前国际上大多数晶目前国际上大多数晶体硅太阳能电池生产厂家体硅太阳能电池生产厂家都采用丝网印刷技术。这都采用丝网印刷技术。这一技术是在七十年代形成一技术是在七十年代形成的。因此已没有产权归哪的。因此已没有产权归哪一个生产厂家的说法。这一

19、个生产厂家的说法。这一技术对单晶硅和多晶硅一技术对单晶硅和多晶硅都适用。图都适用。图8描述了这一描述了这一电池的结构。电池的结构。图图88丝丝网印刷工网印刷工网印刷工网印刷工艺艺生生生生产产的的的的电电池池池池结结构示意构示意构示意构示意图图丝网印刷工艺过程包括：丝网印刷工艺过程包括：丝网印刷工艺过程包括：丝网印刷工艺过程包括： 1 1、表面金字塔的形成（以减少表面表面金字塔的形成（以减少表面表面金字塔的形成（以减少表面表面金字塔的形成（以减少表面 反射）；反射）；反射）；反射）； 2 2、磷扩散、磷扩散、磷扩散、磷扩散 （900900o oCC的高温工艺）；的高温工艺）；的高温工艺）；的高温

20、工艺）；3 3、 边缘切割；边缘切割；边缘切割；边缘切割； 44、丝网印刷前表面电极；丝网印刷前表面电极；丝网印刷前表面电极；丝网印刷前表面电极；5 5、丝网印刷后表面电极；丝网印刷后表面电极；丝网印刷后表面电极；丝网印刷后表面电极；6 6、 电极烧结电极烧结电极烧结电极烧结(800(800o oCC的高温工艺的高温工艺的高温工艺的高温工艺) )；77、前表面减反射膜喷涂。前表面减反射膜喷涂。前表面减反射膜喷涂。前表面减反射膜喷涂。由这一工艺生产的单晶硅太阳能电池的转换效率在由这一工艺生产的单晶硅太阳能电池的转换效率在由这一工艺生产的单晶硅太阳能电池的转换效率在由这一工艺生产的单晶硅太阳能电池

21、的转换效率在13.513.51616之间，多晶硅电池的转换效之间，多晶硅电池的转换效之间，多晶硅电池的转换效之间，多晶硅电池的转换效率在率在率在率在131315.515.5之间。之间。之间。之间。 丝网印刷技术具有以下特点：丝网印刷技术具有以下特点：丝网印刷技术具有以下特点：丝网印刷技术具有以下特点：1、为了使电极和硅表面形成好的欧姆接触，由磷扩散所形成的表面、为了使电极和硅表面形成好的欧姆接触，由磷扩散所形成的表面n型材料掺杂浓度型材料掺杂浓度偏高。偏高。正如上面所陈述的，高浓度掺杂降低材料内的少数载流子寿命正如上面所陈述的，高浓度掺杂降低材料内的少数载流子寿命,使得光生载流子不使得光生载流

22、子不能得到有效地收集。而短波长的太阳光是被这一层材料吸收的，因此这些太阳光的能量能得到有效地收集。而短波长的太阳光是被这一层材料吸收的，因此这些太阳光的能量不能得到很好的利用不能得到很好的利用,形成所谓的形成所谓的“死层死层”。2、电池前表面的复合高，因为电池的前表面没有采取有效的钝化措施。电池前表面的复合高，因为电池的前表面没有采取有效的钝化措施。3、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吸收。取决于硅片的电阻率，由

23、丝网印刷技术生产的晶体硅电池的开路电压在580620mV之间，短路电流密度在之间，短路电流密度在2833mA/cm2之间，以及填充因子在之间，以及填充因子在70%75%之间。对之间。对于大面积的电池，电池表面于大面积的电池，电池表面10%-15%面积被电池表面电极遮挡了。面积被电池表面电极遮挡了。 多多晶晶硅硅是是由由定定向向凝凝固固的的方方法法铸铸造造而而成成的的，它它的的结结晶晶速速度度和和生生产产能能力力均均比比单单晶晶硅硅片片的的制制造造快快许许多多。目目前前单单一一多多晶晶硅硅的的铸铸造造炉炉的的容容量量已已超超过过270公公斤斤。由由于于晶晶界界的的存存在在和和晶晶体体生生长长速速

24、度度很很快快，多多晶晶硅硅片片的的质质量量的的均均匀匀性性较较差差，如如晶晶粒粒大大小小不不一一样样，晶晶界界处处杂杂质质和和缺缺陷陷浓浓度度较较高高等等。加加之之多多晶晶硅硅晶晶粒粒晶晶向向的的不不一一致致性性，不不能能采采用用各各向向异异性性的的化化学学腐腐蚀蚀方方法法形形成成有有效效的的绒绒面面，因因此此在在很很长长一一段段时时间间内内多多晶晶硅硅电电池池的的转转换换效效率率比比单单晶晶硅硅电电池池的的转转换换效效率率低低很很多多。近近年年来来，随随着着人人们们对对多多晶晶硅硅材材料料的的理理解解的的不不断断加加深深，对对多多晶晶硅硅材材料料的的处处理理和和电电池池工工艺艺作作了了大大量

25、量的的改改进进，从从而而使使多多晶晶硅硅电电池池的的转转换换效效率率得得到到了了迅迅速速的的提提高高。大大规规模模工工业业生生产产的的转转换换效效率率也也能能达达到到14%以以上上。多多晶晶硅硅电电池池转转换换效效率率的的大大幅幅度度提提高高主主要要归归功功于于磷磷扩扩散散和和铝铝背背场场的的吸吸杂杂效效应应以以及及氮氮化化硅硅减减反反射射膜中氢原子对多晶硅材料中缺陷的钝化作用。膜中氢原子对多晶硅材料中缺陷的钝化作用。3.3技术发展趋势技术发展趋势 尽尽管管近近年年来来太太阳阳能能电电池池行行业业发发展展迅迅速速，但但是是该该行行业业进进一一步步大大规规模模发发展展取取决决于于制制造造成成本本

26、的的进进一一步步降降低低。表表1显显示示了了制制造造成成本本与与电电池池转转换换效效率率之之间间的的关关系系。分分析析表表1的的内内容容得得出出以以下下结结论论：要要将将电电池池的的生生产产成成本本降降低低到到1美美元元/Wp以以下下，电电池池的的转转换换效效率率必必须须要要高高于于18%，并要求生产成本低、生产能力高。，并要求生产成本低、生产能力高。表表 一一350（$/$/m m2）300（$/$/m m2）250（$/$/m m2）200（$/$/m m2）150（$/$/m m2）10%$3.5$3.0$2.5$2.0$1.512%$3.0$25$2.08$1.67$1.2515%$2

27、.33$2.0$2.0$1.33$1.018%$2.05$1.67$1.67$1.11$0.83CostEff多晶硅太阳电池技术多晶硅太阳电池技术 由由于于多多晶晶硅硅具具有有比比单单晶晶硅硅相相对对低低的的材材料料成成本本，且且材材料料成成本本随随着着硅硅片片的的厚厚度度而而降降低低，同同时时多多晶晶硅硅片片具具有有跟跟单单晶晶硅硅相相似似的的光光电电转转换换效效率率，多多晶晶硅硅太太阳阳电电池池将将进进一一步步取取代代单单晶晶硅硅片片的的市市场场。因因此此太太阳阳电电池池的的技技术术发发展展的的主主要要方方向向之之一一是是如如何何采采用用大大规规模模生生产产的的工工艺艺，进进一一步步提提高

28、高多多晶晶硅硅电电池池的的转转换换效效率率。针针对对目目前前多多晶晶硅硅电电池池大大规规模模生生产产的的特特点点，提提高高转转换换效效率率的的主主要创新点有以下几个方面：要创新点有以下几个方面：I.高产出的各向同性表面腐蚀以形成绒面。高产出的各向同性表面腐蚀以形成绒面。II.简单、低成本的选择性扩散工艺。简单、低成本的选择性扩散工艺。III.具有创新的、高产出的扩散和具有创新的、高产出的扩散和PECVDSiN淀积设备。淀积设备。IV.降低硅片的厚度。降低硅片的厚度。V. V. 背电极的电池结构和组件。背电极的电池结构和组件。 对对于于丝丝网网印印刷刷电电池池，发发射射结结表表面面的的扩扩散散浓

29、浓度度至至少少达达到到1020/cm2，发发射射结结的的深深度度至至少少为为0.30.4m。这这两两个个参参数数是是保保证证丝丝网网印印刷刷电电结结可可靠靠工工作作的的主主要要因因素素。降降低低发发射射结结的的扩扩散散浓浓度度能能提提高高电电池池在在短短波波段段的的光光谱谱响响应应，但但是是，由由于于接接触触电电阻阻可可能能增增大大，从从而而导导致致电电池池转转换换效效率率一一致致性性的的下下降降，为为此此，选选择择性性扩扩散散（即即电电池池电电极极下下的的扩扩散散浓浓度度较较浓浓）便便显显得得尤尤为为重重要要，这这种种方方法法也也许许不不能能增增加加电电池池的的转转换换效效率率，但但是是会会

30、降降低低电电池的接触电阻，从而保证产品有较好的一致性。池的接触电阻，从而保证产品有较好的一致性。 表面绒面对提高电池的转换效率起着重表面绒面对提高电池的转换效率起着重要的作用，它不但降低了表面反射，并且增要的作用，它不但降低了表面反射，并且增加了光陷阱以及光生载流子的收集。由于各加了光陷阱以及光生载流子的收集。由于各向异性化学腐蚀不能在多晶硅片的表面形成向异性化学腐蚀不能在多晶硅片的表面形成有效的绒面，人们采用了各种方法试图有效有效的绒面，人们采用了各种方法试图有效地减少多晶硅电池表面的反射。如机械刻槽、地减少多晶硅电池表面的反射。如机械刻槽、离子反应腐蚀、多孔硅、低成本选择性干腐离子反应腐蚀

31、、多孔硅、低成本选择性干腐或湿腐以及各向同性化学腐蚀等。其中各向或湿腐以及各向同性化学腐蚀等。其中各向同性酸腐蚀方法最为简单，且在不增加任何同性酸腐蚀方法最为简单，且在不增加任何工艺步骤的情况下形成有效的低成本的绒面，工艺步骤的情况下形成有效的低成本的绒面，比较适合大规模工业生产的要求。图比较适合大规模工业生产的要求。图9显示了显示了各向同性酸腐蚀形成的绒面。各向同性酸腐蚀形成的绒面。 图图9 多晶硅材料随着其供应商的不同而差异很大，这对电池生产工艺的优多晶硅材料随着其供应商的不同而差异很大，这对电池生产工艺的优化和产品质量的控制带来很多不便。然而减少电池表面的复合率和改善体化和产品质量的控制

32、带来很多不便。然而减少电池表面的复合率和改善体内质量是提高电池转换效率的重要手段。等离子体化学气相沉积内质量是提高电池转换效率的重要手段。等离子体化学气相沉积（PECVDPECVD）氮化硅薄膜是很理想的电池表面减反射膜，同时也提供了较为氮化硅薄膜是很理想的电池表面减反射膜，同时也提供了较为理想的电池表面和体内钝化。目前，有两种等离子体化学沉积技术被广泛理想的电池表面和体内钝化。目前，有两种等离子体化学沉积技术被广泛用于氮化硅的淀积工艺，一种是远程用于氮化硅的淀积工艺，一种是远程PECVDPECVD，另外一种是直接另外一种是直接PECVDPECVD。前者前者在淀积氮化硅的过程中，对电池表面的损伤

33、几乎可以忽略。因此对电池表在淀积氮化硅的过程中，对电池表面的损伤几乎可以忽略。因此对电池表面的钝化效果较为理想，而直接面的钝化效果较为理想，而直接PECVDPECVD对电池表面的损伤较大，所以对表对电池表面的损伤较大，所以对表面的钝化效果不佳，但是电池表面损伤层能增强氢原子在硅材料体内的扩面的钝化效果不佳，但是电池表面损伤层能增强氢原子在硅材料体内的扩散，从而加强了电池体内钝化效果，然而直接散，从而加强了电池体内钝化效果，然而直接PECVDPECVD对电池表面损伤在高对电池表面损伤在高温处理中（温处理中（700700）能得到恢复。）能得到恢复。 电池铝背场已被很多电池制造商应用于丝网印刷太阳能

34、电池制造技术。电池铝背场已被很多电池制造商应用于丝网印刷太阳能电池制造技术。大约大约2020mm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，如果烧结温度高于程中，铝和硅形成共晶合金，如果烧结温度高于800800，铝在硅内的掺杂，铝在硅内的掺杂浓度会高达浓度会高达5105101818/ /cmcm3 3, ,而硅片衬底的掺杂浓度只在而硅片衬底的掺杂浓度只在2102101616/ /cmcm3 3左右，从左右，从而在铝背场和衬底之间形成高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低结

35、，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率降低到200200cm/scm/s以下，此外，硅铝合金能对硅片进行有效地吸杂。以下，此外，硅铝合金能对硅片进行有效地吸杂。综综合合以以上上的的工工艺艺，大大规规模模生生产产的的多多晶晶硅硅太太阳阳能能电电池池的的转转换换效效率率可可达达14%以以上上，已已接接近近单单晶晶硅硅电电池池的的转转换效率。换效率。四、工艺介绍四、工艺介绍高效单晶硅太阳电池工艺流程如下：高效单晶硅太阳电池工艺流程如下： 去除损伤层去除损伤层 表面绒面化

36、表面绒面化 发射区扩散发射区扩散 边缘结刻蚀边缘结刻蚀 PECDV沉积沉积SiN 丝网印刷正背面电极浆料丝网印刷正背面电极浆料 共烧形共烧形 成金属接触成金属接触 电池片测试。电池片测试。4.1绒面制备绒面制备硅硅片片采采用用0.52.cm，P型型晶晶向向为为（100）的的单单晶晶硅硅片片。利利用用氢氢氧氧化化钠钠溶溶液液对对单单晶晶硅硅片片进进行行各各向向异异性性腐腐蚀蚀的的特特点点来来制制备备绒绒面面。当当各各向向异异性性因因子子=10时时（所所谓谓各各向向异异性性因因子子就就是是（100）面面与与（111）面面单单晶晶硅硅腐腐蚀蚀速速率率之之比比），可可以以得得到到整整齐齐均均匀匀的的金

37、金字字塔塔形形的的角角锥锥体体组组成成的的绒绒面面。绒绒面面具具有有受受光光面面积积大大，反反射射率率低低的的特特点点。可可提提高高单单晶晶硅硅太太阳阳电电池池的的短短路路电电流流，从从而而提提高高太太阳阳电电池池的的光光电电转换效率。转换效率。(见图见图13)图图图图(13)(13)单晶硅片绒面形状单晶硅片绒面形状单晶硅片绒面形状单晶硅片绒面形状 金字塔形角锥体的表面积金字塔形角锥体的表面积S0等于四个边长为等于四个边长为a正三角形正三角形S之和之和S0=4S=4aa=a2 由此可见有绒面的受光面积比光面提高了倍即由此可见有绒面的受光面积比光面提高了倍即1.732倍。（见图倍。（见图14）

38、图图图图 （1414）a当当一一束束强强度度为为E0的的光光投投射射到到图图中中的的A点点，产产生生反反射射光光1和和进进入入硅硅中中的的折折射射光光2。反反射射光光1可可以以继继续续投投射射到到另另一一方方锥锥的的B点点，产产生生二二次次反反射射光光3和和进进入入半半导导体体的的折折射射光光4；而而对对光光面面电电池池就就不不产产生生这这第第二二次次的的入入射射。经经计计算算可可知知还还有有11%的的二二次次反反射射光光可可能能进进行行第第三三次次反反射射和和折折射射，由由此此可可算算得得绒绒面面的的反反射射率为率为9.04%。（见图。（见图1515）图（图（1515）2020多年来单晶硅太

39、阳电池商品化过程中，为提高太阳电池效率和降低多年来单晶硅太阳电池商品化过程中，为提高太阳电池效率和降低多年来单晶硅太阳电池商品化过程中，为提高太阳电池效率和降低多年来单晶硅太阳电池商品化过程中，为提高太阳电池效率和降低制造成本优化绒面工艺一直没有停止过。以致出现了晶片绒面化的材料供应制造成本优化绒面工艺一直没有停止过。以致出现了晶片绒面化的材料供应制造成本优化绒面工艺一直没有停止过。以致出现了晶片绒面化的材料供应制造成本优化绒面工艺一直没有停止过。以致出现了晶片绒面化的材料供应商。尚德太阳能电力有限公司在制绒过程中，对传统制绒工艺进行改革，有商。尚德太阳能电力有限公司在制绒过程中，对传统制绒工

40、艺进行改革，有商。尚德太阳能电力有限公司在制绒过程中，对传统制绒工艺进行改革，有商。尚德太阳能电力有限公司在制绒过程中，对传统制绒工艺进行改革，有所创新，所制绒面颜色均匀一致无花篮印、白边、雨点印迹，反射率曲线所创新，所制绒面颜色均匀一致无花篮印、白边、雨点印迹，反射率曲线所创新，所制绒面颜色均匀一致无花篮印、白边、雨点印迹，反射率曲线所创新，所制绒面颜色均匀一致无花篮印、白边、雨点印迹，反射率曲线（见图（见图（见图（见图1616）。）。）。）。图（图（图（图（1616）4.2发射区扩散发射区扩散 采采用用三三氯氯氧氧磷磷气气体体携携带带源源方方式式，这这个个工工艺艺的的特特点点是是生生产产高

41、高，有有利利于于降降低低成成本本。新新购购的的8吋吋硅硅片片扩扩散散炉炉、石石英英管管口口径径达达270mm，可可以以扩扩散散156156（mm）的硅片。的硅片。 由由于于石石英英管管口口径径大大，恒恒温温区区长长，提提高高了了扩扩散散薄薄层层电电阻阻均均匀匀性性，有有利利于降低太阳电池的串联电阻于降低太阳电池的串联电阻Rs，从而提高太阳电池填充因子从而提高太阳电池填充因子FF。 4.3 SiN钝化与钝化与APCVD淀积淀积TiO2 先先期期的的地地面面用用高高效效单单晶晶硅硅太太阳阳电电池池一一般般采采用用钝钝化化发发射射区区太太阳阳电电池池(PESC)工工 艺艺 。 在在 扩扩 散散 过过

42、 去去 除除 磷磷 硅硅 玻玻 的的 硅硅 片片 上上 ,热热 氧氧 化化 生生 长长 一一 层层10nm25nm厚厚SiO2为为,使使表表面面层层非非晶晶化化,改改变变了了表表面面层层硅硅原原子子价价键键失失配配情情况况,使使表表面面趋趋于于稳稳定定,这这样样减减少少了了发发射射区区表表面面复复合合,提提高高了了太太阳阳电电池池对对蓝蓝光光的的响响应应,同同时时也也增增加加了了短短路路电电流流密密度度Jsc,由由于于减减少少了了发发射射区区表表面面复复合合,这这样样也也就就减减少少了了反反向向饱饱和和电电流流密密度度,从从而而提提高高了了太太阳阳电电池池开开路路电电压压Voc。还还有有如如果

43、果没没有有这这层层SiN,直直接接淀淀积积TiO2薄薄膜膜,硅硅表表面面上上会会出出现现陷陷阱阱型型的的滞滞后后现现象象导导致致太太阳阳电电池池短短路路电电流流衰衰减减,一一般般会会衰衰减减8%左左右右,从从而而降降低低光光电电转转换换效效率率。故要先生长故要先生长SiN钝化再生长钝化再生长TiO2减反射膜。减反射膜。TiO2减减反反射射膜膜是是用用APCVD设设备备生生长长的的,它它通通过过钛钛酸酸异异丙丙脂脂与与纯纯水水产产生水解反应来生长生水解反应来生长TiO2薄膜。薄膜。Ti(OCTi(OC3 3H H7 7) )4 4+2H+2H2 2O O TiOTiO2 2+4(C+4(C3 3

44、H H7 7)OH)OH 加热加热4.4 PECVD淀积淀积SiN 多多晶晶硅硅太太阳阳电电池池广广泛泛使使用用PECVD淀淀积积SiN,由由于于PECVD淀淀积积SiN时时,不不光光是是生生长长SiN作作为为减减反反射射膜膜,同同时时生生成成了了大大量量的的原原子子氢氢,这这些些氢氢原原子子能能对对多多晶晶硅硅片片具具有有表表面面钝钝化化和和体体钝钝化化的的双双重重作作用用,可可用用于于大大批批量量生生产产高高效效多多晶晶硅硅太太阳阳电电池池,为为上上世世纪纪末末多多晶晶硅硅太太阳阳电电池池的的产产量量超超过过单单晶晶硅硅太太阳阳电电池池立立下下汗汗马马功功劳劳。随随着着PECVD在在多多晶

45、晶硅硅太太阳阳电电池池成成功功,引引起起人人们们将将PECVD用用于于单晶硅太阳电池作表面钝化的愿望。单晶硅太阳电池作表面钝化的愿望。 由由于于生生成成的的氮氮化化硅硅薄薄膜膜含含有有大大量量的的氢氢,可可以以很很好好的的钝钝化化硅硅中中的的位位错错、表表面面悬悬挂挂键键，从从而而提提高高了了硅硅片片中中载载流流子子迁迁移移率率，一一般般要要提提高高20%左左右右，同同时时由由于于SiN薄薄膜膜对对单单晶晶硅硅表表面面有有非非常常明明显显钝钝化化作作用用。尚尚德德公公司司的的经经验验显显示示，用用PECVDSiN作作为为减减反反膜膜的的单单晶晶硅硅太太阳阳电电池池效效率率较较高高于于传传统统的

46、的由由APCVDTiO2作为减反膜单晶硅太阳电池。作为减反膜单晶硅太阳电池。4.5 共烧形成金属接触共烧形成金属接触 晶晶体体硅硅太太阳阳电电池池要要通通过过三三次次印印刷刷金金属属浆浆料料，传传统统工工艺艺要要用用二二次次烧烧结结才才能能形形成成良良好好的的带带有有金金属属电电极极欧欧姆姆接接触触，共共烧烧工工艺艺只只需需一一次次烧烧结结，同同时时形形成成上上下下电电极极的的欧欧姆姆接接触触，是是高高效效晶晶体体硅硅太太阳阳能能电电池池的的一一项项重重要要关关键键工工艺艺，国国外外著著名名的的金金属属浆浆料料厂厂商商非非常常卖卖力力推推广广共共烧烧工工艺艺。这这个个工工艺艺基基础础理理论论来

47、来自自较较古古老老的的合合金金法法制制P-N结结工工艺艺。就就是是电电极极金金属属材材料料和和半半导导体体单单晶晶硅硅在在温温度度达达到到共共晶晶温温度度时时，单单晶晶硅硅原原子子按按相相图图以以一一定定的的比比例例量量溶溶入入到到熔熔融融的的合合金金电电极极材材料料中中去去。单单晶晶硅硅原原子子溶溶入入到到电电极极金金属属中中的的整整个个过过程程是是相相当当快快的的，一一般般只只需需几几秒秒钟钟时时间间。溶溶入入的的单单晶晶硅硅原原子子数数目目决决定定于于合合金金温温度度和和电电极极材材料料的的体体积积，烧烧结结合合金金温温度度愈愈高高，电电极极金金属属材材料料体体积积愈愈大大，则则溶溶入入

48、的的硅硅原原子子数数目目也也愈愈多多，这这时时状状态态被被称称为为晶晶体体电电极极金金属属的的合合金金系系统统。如如果果此此时时温温度度降降低低，系系统统开开始始冷冷却却，这这时时原原先先溶溶入入到到电电极极金金属属材材料料中中的的硅硅原原子子重重新新以以固固态态形形式式结结晶晶出出来来，也也就就是是在在金金属属和和晶晶体体接接触触界界面面上上生生长长出出一一层层外外延延层层。如如果果外外延延层层内内含含有有足足够够量量的的与与原原先先晶晶体体材材料料导导电电类类型型相相同同杂杂质质成成份份，这这就就获获得得了了用用合合金金法法工工艺艺形形成成欧欧姆姆接接触触；如如果果再再结结晶晶层层内内含含

49、有有足足够够量量的的与与原原先先晶晶体体材材料料导导电电类类型型异异型型的的杂杂质质成成份，这就获得了用合金法工艺形成份，这就获得了用合金法工艺形成P-N结。结。 银银桨桨、银银铝铝桨桨、铝铝桨桨印印刷刷过过的的硅硅片片，通通过过烘烘干干有有机机溶溶剂剂完完全全挥挥发发，膜膜层层收收缩缩成成为为固固状状物物紧紧密密粘粘附附在在硅硅片片上上，这这时时，可可视视为为金金属属电电极极材材料料层层和和硅硅片片接接触触在在一一起起。所所谓谓共共烧烧工工艺艺显显然然是是采采用用银银硅硅的的共共晶晶温温度度，同同时时在在几几秒秒钟钟内内单单晶晶硅硅原原子子溶溶入入到到金金属属电电极极材材料料里里，之之后后又

50、又几几乎乎同同时时冷冷却却形形成成再再结结晶晶层层，这这个个再再结结晶晶层层是是较较完完美美单单晶晶硅硅的的晶晶格格点点阵阵结结构构。只只经经过过一一次次烧烧结结钝钝化化表表面面层层的的氢氢原原子子，逸逸失失是是有有限限的的，共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（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）。）。4.6 电池片测试电池片测试电池片测试后，其电池片测试后，其IV曲线如图：曲线如图： 尚尚德德太太阳阳能能电电力力有有限限公公司司新新建建50兆兆瓦瓦三三条条单单晶晶硅硅太太阳阳电电池池生生产产线线，其其技技术术水水平平和和当当

51、今今国国际际商商业业化化高高效效单单晶晶硅硅太太阳阳电电池池处处于于同同步步阶阶段段，将将大大大提高我国光伏产业水平。大提高我国光伏产业水平。 尚尚德德太太阳阳能能电电力力有有限限公公司司既既能能生生产产SiN膜膜又又能能生生产产TiO2膜膜单单晶晶硅硅太太阳阳电电池池，体体现现了了尚尚德德公公司司既既能能面面向向现现在在，又又能能继继承承传传统统全全面面发发展展的的策策略略。单晶硅电池的平均传统效率在单晶硅电池的平均传统效率在16.5%左右，最高效率大大超过左右，最高效率大大超过17%。 尚德太阳能电力有限公司正在筹备制造尚德太阳能电力有限公司正在筹备制造156156单晶硅太阳电池片单晶硅太

52、阳电池片,产品将会近期内出现。产品将会近期内出现。 参考文献参考文献施正荣施正荣:新世纪光伏产业展望新世纪光伏产业展望 21世纪太阳能新技术世纪太阳能新技术P349汪义川、杨健、童彩霞、施正荣汪义川、杨健、童彩霞、施正荣 高效单晶硅太阳电池商业化进程高效单晶硅太阳电池商业化进程Commercialization of a Silicon Nitride Co-Fire Through(SINCOFT) process for manufacturing high efficiency mono-crystalline silicon soar cells Bikash Kumar1,Tim Koval2, srinivasamohan Narayanan2 and Stephen Shea2 (1)Tata BP Solar,lndia;(2)630 Solarex Court,Frederick,MD 21754, USA,e-mail:全全 文文 结结 束束