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1、项目三 高效太阳电池制造工艺,项目引入：在过去10年中，光伏技术已经取得了显著的进展，世界太阳电池产量逐年增加，为了促进太阳电池的广泛应用，必须进一步的降低成本，建立批量生产技术。本项目通过研究高效硅太阳电池、砷化镓和高效空间电池和高效聚光硅太阳电池分类，性能和制造原理，使学生更好的掌握这三类高效太阳电池的制造工艺以及提高太阳电池效率的方法。,知识目标,1、掌握丝网印刷电池的结构、性能及其局限，了解高效硅太阳电池的分类、性能及其发展前景； 2、掌握-族单结空间太阳电池的分类及其制造原理； 3、掌握高效聚光硅太阳电池的分类及提高聚光硅太阳电池效率的方法；,技能目标,通过学习三类高效太阳电池的分类
2、，性能 及制造原理，掌握其制造工艺，独立完成 实践任务，掌握基本的制造基本要领。,任务一 高效硅太阳电池,任务分析：随着光伏市场的快速增长，资金投入 也日趋加大，光伏工业的前途变得明朗，众所周 知，原料硅片的成本约占组件总成本的50%，封 装材料占另外一大部分，硅片加工成电池的成本 不到总成本的20%。本任务旨在探讨比丝印硅太 阳电池效率更高的方法。,任务目的：根据项目的要求学会掌握高效 硅太阳电池的性能，制造原理及制造工艺。,知识运用,1 高效实验室电池 实验室电池设计进化经历了几个阶段，想20世纪50年代迅速发展后，在往后的十几年里发展缓慢，直到20世纪60年代末，背铝处理的优点日益明显。
3、,斯坦福大学的背面点接触电池： 22 特点：正负电极在同一面，没有栅线阴影损失,Fraunhofer研究所LBSC电池： 23%,北京太阳能研究所高效电池 19.8%,商业化单晶硅电池组件Sanyo aSi/c-Si电池,（实验室最好效率： 20.7%，面积125125）,1-1 硅空间电池的发展 实验室硅太阳电池效率的进展可以看下图，从上图可以看出，在经历20世纪50年代的迅速发展后，常规空间电池在随后的十几年里发展缓慢。在空间辐射条件下能量转换效率为10%-11%，在地面测试下高10%-20%。,单晶硅电池的效率进展,20世纪60年代末，背铝处理的优点日益明显，特别是对于比正常厚度稍薄的电
4、池，把空间电池效率相应地提高到12.4%归功于铝处理的吸杂作用。进一步的研究表明，正是在背接触下存在的重掺杂区导致这些有益的效果。这些益处被假定是多子从电池的背掺杂处溢出到体区引起的，从而增加有效的体浓度和增大开路电压，这种效果普遍地被称为背面场（BSF）效应。,1-2 高效地面电池 第一个达到18%效率的硅电池是MINP电池，用这个接触下的薄氧化层而使顶接触钝化，并用稍厚的氧化层钝化上表面。为了使反射损失最小，使用了由薄氧化层上近1/4波长的ZnS和1/4波长的MgF2组成的双层减反射涂层。,下图所示的是钝化反射区太阳电池（PESC）结构，这种结构进一步提高了电池效率，除直接通过薄氧化层中的
5、窄缝用于电接触外，它类似于MINP电池的结构，这种情况下，通过使接触面积最小化取得接触钝化，也使用了表面积构化。,微槽PESC电池,为了使电池性能最佳化，应该耦合进尽可能多有用波长的光并使电池吸收。为了取得这个效果，下图所示的PERL电池这样的现代电池设计结合了基本光学性质的几个特征。,20世纪90年代效率达24以上的PERL电池,新新南威尔士大学的PERL电池 24.7%,PERL的进一步改进使它们的效率接近25%，主要的改进包括为上表面的钝化生长薄很多的氧化层、准许直接应用双层减反射涂层来增加短路电流、对上面的氧化物和局部上接触点使用退火步骤增加开路电压、改善背面钝化和减少金属化电阻以改善
6、填充因子。,2 丝网印刷电池的局限 2-1 结构 下图显示了典型的晶体硅丝印电池的结构，通常的电池工艺步骤包括：腐蚀除去起始晶片的切割损伤，上表面的化学织构化，上表面扩散，腐蚀除去扩散氧化物，利用通常的硼掺杂的太阳能级直拉硅片，得到的电池效率一般为12-15%。,丝印方法的主要缺点是工艺中的金属浆料的成本和较低的电池效率。后者基本是由于用丝印限制的可能线宽，浆料和硅之间较高的接触电阻是另一个局限。为了减小线宽，可以用特别细的丝网。然而，这样的丝网用于商业生产容易损坏，尽管其产生的效果往往很好。,2-2 典型性能 丝印印刷方法得到的电池开路电压取决于衬底电阻率，其典型值为580-620mv,短路
7、电流密度为28-32mA/cm2,大面积电池的填充因子为70-75%。丝印金属化一般遮挡大面积电池的上表面的10-15%。 为了保持合理的接触电阻，上表面扩散要求很低的方块电阻。,2-3 改进的技术 丝网印刷方法的局限并非不可避免，它可以通过其他方式解决，为了减少线宽，可以用较细的丝网，但对规模生产而言耐用性不好。 能否利用丝印方法生产高效电池还不确定，好的实验室丝印电池只得到了大约16.7%的效率。,3 埋珊电池 3-1 结构 下图所示的埋珊电池被开发出来，以克服先前所述的丝印电池方法的效率限制。最显著的特征是在上表面利用槽形成电池的金属化。,埋栅太阳电池,3-2 性能分析 埋栅电池取得了超
8、过丝网印刷电池的重大性能优势，性能的改善有多个原因：填充因子较高是由于金属化栅线较好的电导和这些栅线与重掺杂槽区之间较低的接触电阻。埋栅电池达到了700mv的开路电压，接近于实验室硅电池曾经获得的最高电压。,3-3 生产经验 新南威尔士大学（UNSW）进行的实验用35个结合在一起的划片生产硅片表面2%深度均匀度的槽，每片工艺时间为3S。这种方法引人之处是设备成本较低，虽然消耗成本比激光刻槽高。,4 HIT电池 HIT电池结合了晶体硅和非晶硅电池技术，生产中的转换效率类似于埋栅电池和曾经报道过的某些最高效率大面积实验室器件，基件的器件结构如下图所示。,HIT电池结构,5 结论 同直觉相反，提高电
9、池效率往往是一种有效的降低产品成本的方法。近年来，有更多的方法可以提高效率，生产中仍然有潜力来实现实验室中才能达到的性能。,任务二 砷化镓和高效空间电池,任务分析：GaAs太阳电池是一种族化合物半导体太阳电池，与硅太阳电池相比，有很多独特的特点。本任务旨在了解族化合物半导体太阳电池的历史发展情况和特点。,任务目的：了解族化合物半导体太阳电 池的历史发展情况和特点。,知识运用 1 历史回顾 GaAs太阳电池的发展已经有40多年的历史。20世纪50年代首先发现GaAs材料具有光伏效应后，JENNY等首次制成了GaAs电池，其效率为6.5%。60年代GOBAT等研制了第一个掺锌GaAs电池，但转换效
10、率仅为9%-10%，远低于27%的理论值。,20世纪80年代后，GaAs太阳电池技术经历了 从L PE到MOCVD，从同质外延到异质外 延，从单结到多结叠层结构的几个发展阶 段，最高效率已经达到29%。,2 特点 (1)光电效率高 GaAs的禁带宽度较Si宽，光谱响应特性和空间太阳光谱匹配能力亦比Si好，因此GaAs太阳电池的光电效率较高。Si太阳电池理论效率为23%，而单结和多结GaAs太阳电池效率分别为27%和50%。,（2）可制成薄膜和超薄型太阳电池 GaAs为直接跃迁型材料，而Si为间接跃迁型材料。在可见光范围内，GaAs材料的光吸收系数远高于Si材料。同样吸收95%的太阳光，GaAs
11、太阳电池只需5-10m,而Si太阳电池则需大于150m。因此，GaAs太阳电池能制成波模型，质量可以大幅减小。,（3）耐高温性能好 GaAs的本征载流子浓度低，GaAs太阳电池的最大功率温度系数比Si太阳电池小很多，200时，Si太阳电池已经不能工作，而GaAs太阳电池的效率仍然有约10%。,（4）抗辐射性能好 GaAs为直接禁带材料， 少数载流子寿命较短，在离结几个扩散度外 产生的损伤，对光电流和暗电流均无影响。因此，其抗高能粒子辐照的性能优于间接禁带的Si太阳电池。,3 前景 GaAs太阳作为新一代高性能长寿空间主电源，必将逐步取代目前广泛采用的Si电池，在空间光伏领域占据主导地位。我国航
12、天事业的飞速发展，迫切需要高性能、长寿命的空间主电源。目前在GaAs电池领域与国外先进水平差距较大，因此必须加快研制。,任务三 高效聚光硅太阳电池,任务分析：对光伏转换来说，将太阳光聚光一直是一个重要的研究课题。光伏转换发电的成本主要取决于太阳电池的制造成本，尤其是半导体材料的成本。本任务重点介绍背面接触硅太阳电池的相关知识，以及如何提高其效率。,任务目的：了解背面接触太阳电池的特点、分类、制造工艺以及如何提高背面接触太阳电池的效率。,知识运用： 1背面接触硅太阳电池优点及分类 背接触硅太阳电池是指电池的发射区电极和基区电极均位于电池背面的一种硅太阳电池。 背接触电池有如下很多优点：,（1)效
13、率高 由于降低或完全消除了证明栅线电极的遮光损失，从而提高了电池效率。 （2）易组装 采用全新的组件封装模式进行共面连接，既减小了电池片间的间隔，提高了封装密度，又简化了制作工艺，降低了封装难度。 （3）更美观 电池正面均一，美观，满足了消费者审美要求。,根据PN结的位置不同，背接触硅太阳电池可以分为两类： （1）背结电池 PN结位于电池背表面，发射区电极和基区电极也相应地位于电池背面，如IBC电池。 （2)前结电池 PN结依然位于电池正表面，只是通过某种方法把在正表明收集的载流子传递到背面的接触电极上，如EWT电池。,2 各种背接触硅太阳电池简介 2-1 背结电池 背结电池的PN结靠近电池背
14、面，光照产生于正表明区域的光生载流子必须穿过整个衬底才能到达背电极，这就对材料少子扩散长度及少子寿命提出了更高要求。尽管n型硅材料的少子迁移率较小，但其寿命较长。,2-1-1IBC电池 IBC电池出现于20世纪70年代，如图1，电池选用n型衬底材料，前后表面均覆盖一层热氧化膜，以降低表面复合，利用光刻技术，在电池背面分别进行磷、硼局部扩散，形成叉指状交叉排列的p区、n区。IBC电池的核心问题是如何在电池背面制备出质量较好的P区和N区。,2-1-2 PCC太阳电池 美国SunPower公司利用点接触（PCC)及丝网印刷技术，于2003年研制出新一代背面点接触太阳电池A-300,见图2，效率为20
15、%,并通过进一步改进,使效率达到了21.5%。A-300电池采用n型硅材料作为衬底，载流子寿命在1ms以上。正表面没有任何电极遮挡，并通过金字塔结构及减反射膜来提高电池的陷光效应。,电池前后表面利用利用热氧钝化技术生产一层二氧化硅钝化层，降低了表面复合并增加了长波响应，从而使开路电压得以提高。A-300背接触太阳电池已经成为新一代高效背接触硅太阳电池的典型代表。,2-2 前结电池 前结电池的PN结位于电池正表面，可以有效收集截流子，降低对衬底材料的要求，前结电池的关键在于如何实现正面PN结与背面接触电极的链接。电池结构不同，其连接方式也不相同。,2-2-1 MWA太阳电池 MWA电池结构与常规
16、电池很相似，只是把常规电池的主栅转移到了背面边缘区域，细栅依然保留在原来位置，见图4.光生电流被细栅收集后，经电池侧面传递到背面主栅上。由于主栅的转移，电池有效受光面积有所增加。,2-2-2 MWT电池 与MWA电池一样，MWT电池的主栅同样转移到了电池背面，电池正表面保留了金属栅线，并沉积了SiNx薄膜，见图5。与MWA电池不同的是，正表面细栅与背表面主栅的连接不是通过电池的侧面区域，而是通过细栅上的导电孔。,2-2-3 EWT太阳电池 EWT太阳电池（如图6所示）完全去除了正表明的栅线电极，依靠电池中的无数导电小孔来收集载流子，并传递到背面的发射区电极上。导电孔的制作，早期主要是采用光刻和湿法化学腐蚀法，目前最常用的是激光钻孔。,3 提高背面接触太阳电池的效率的方法 1、 减小发射区饱和电流密度 2、制造低的接触电阻 3、减薄电池的厚度 4、改进陷光 5、缩小几何尺寸 6、减小串联电阻,4 结论 背面接触电极与点接触太阳电池是最适用于高倍聚光的太阳电池，大批量生产的商品PC太阳电池的效率已达到26.8%。本次任务描述了IBC、FSF、TJ与PC太阳电池的结构以及制造工艺，提出了一个简单的模型去模拟、优化并分析在聚光IBC太阳电池中不同载流子的符合机制，最后提出了开发30%转换效率的聚光太阳电池的计划。,