《太阳能电池工艺PPT课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《太阳能电池工艺PPT课件.ppt（43页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、常规太阳电池工艺简介,晶体硅太阳电池的基本工作原理,太阳电池是以光生伏特效应为基础制备的。所谓光生伏特效应就是某种材料吸收了光能之后产生电动势的效应。尤其是在半导体内，光能转换为电能的效率特别高。 太阳电池工作原理可概括为以下几个过程： 1.光的照射，如单色光，太阳光等。 2.光子注入到半导体内部后，激发电子-空穴对。,半导体光照后的变化,3.必须有一个静电场。绝大部分太阳电池利用P-N结势垒区的静电场实现分离电子-空穴对的目的。 4.被分离的电子和空穴，经由电极收集输出到电池体外，形成电流。,PN结输送电流,常规晶体硅太阳电池样品及 制造工艺步骤：,晶体硅太阳电池制造的第一步 清洗制绒,利用
2、化学工艺方法制作绒面状的硅表面，使得入射光在电池表面经历多次折射和反射，降低电池表面的反射率，增加光的吸收，以此提高电池的短路电流和光电转换效率。 RENA 湿式化学处理系统是集成型化学处理设备，包含有表面绒面制备和化学清洗处理。复合酸表面绒面制备是它的特点，利用多晶硅表面的缺陷，形成减反射结构图形 。,制绒反应原理方程式：,Si + 4HNO3 = SiO2 + 4NO2 + 2H2O SiO2 + 4HF = 4SiF4 + 2H2O 4SiF4 + 2HF =H2SiF6 2NO2 + H2O =HNO2 + HNO3 Si + 4HNO3 = SiO2 + 4NO + 2H2O 4HN
3、O3 + 2NO + H2O = 3HNO2,多晶硅制绒后表面,制备绒面的目的： 减少光的反射率，提高短路电流（Isc），最终提 高电池的光电转换效率。 陷光原理： 当光入射到一定角度的斜面，光会反射到另一角度 的斜面，形成二次或者多次吸收，从而增加吸收率。,晶体硅太阳电池制造的第二步PN结 PN结是晶体硅太阳电池的核心部分，没有PN结，便不能产生电流，也就不能成为太阳电池。有很多种方法制备太阳电池的PN结，比如三氯氧磷液态源扩散法，喷涂磷酸水溶液后链式扩散法，丝网印刷磷浆料后链式扩散法，而我们使用的是液态源热扩散法。,PN结的原理 在P型半导体和N型半导体结合后，在交界处就产生了电子和空穴的
4、浓度差，N型区内的电子多而空穴很少，P型区内的空穴多而电子很少，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，有些电子要从N型区向P型区扩散， 也有空穴要从P型区向N型区扩散。,电子和空穴带有相反的电荷，在扩散过程中要产生复合（中和），结果使P区和N区中的电中性被破坏。 P区失去空穴留下带负电的离子，N区失去电子留下带正电的离子， 这些离子因物质结构的关系，不能移动，称为空间电荷，集中在P区和N区的交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这所谓的PN结。,在空间电荷区产生后，由于正负电荷的作用，在空间电荷区中形成一个电场，其方向从带正电的N区指向带负电的P区，该电场是由载流子扩散后在半导体内
5、部形成的，故称为内电场。内电场的方向与电子的扩散方向相同，与空穴的扩散方向相反，它是阻止载流子的扩散运动的。 综上所述，PN结中存在着两种载流子的运动。一种是多子克服电场的阻力的扩散运动；另一种是少子在内电场的作用下产生的漂移运动。，只有当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽度和 内建电场才能稳定。 两种运动产生的电流方向相反，因而在无外电场或其他因素激励时，PN结中无宏观电流。,POCl3磷扩散原理,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
6、下：,由上面反应式可以看出，POCl3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： 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分解产生的P2O5淀积在硅片表面，P2O5与硅反应 生成SiO2和磷原子，并在硅片表面形成
7、一层磷-硅玻 璃，然后磷原子再向硅中进行扩散 。,晶体硅太阳电池制造的第三步 等离子刻蚀 与 磷硅玻璃去除 由于扩散后电池的边缘会有N型杂质与P型基底形成PN结以及扩散的过程中在电池表面形成了一层很厚的磷硅玻璃层（PSG），因此需要等离子刻蚀将边缘的PN结去除，而磷硅玻璃则通过HF酸短时间浸泡来去除。,等离子体刻蚀原理,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，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） 这种腐蚀方法也叫做干法腐蚀。,
8、首先，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。 其次，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。,磷硅玻璃的去除,氢氟酸是无色透明的液体，具有较弱的酸性、易挥发性和 很强的腐蚀性。但氢氟酸具有一个很重要的特性是它能够溶解 二氧化硅，因此不能装在玻璃瓶中。 在半导体生产清洗和腐蚀工艺中，主要就利用氢氟酸的这 一特性来去除硅片表面的二氧化硅层。 氢氟酸能够溶解二氧化硅是因为氢氟酸能与二氧化硅作用 生成易挥发的四氟化硅气体。,若氢氟酸过量，反应生成的四氟化硅会进
9、一步与氢氟酸反 应生成可溶性的络和物六氟硅酸。 总反应式为：,晶体硅太阳电池制造的第四步 PECVD镀膜,光在硅片表面的反射损失率高达35%左右，为减少硅片表面对光的反射，可采用镀膜的方式以达到减反射的效果。减反射膜不但具有减少光反射的作用，而且对硅片表面还可以起到钝化和保护作用，从而提高电池的短路电流。 氮化硅薄膜的制备方法很多: 溅射法，热分解法， 也可以在7001000 下由常压化学气相淀积(APCVD) 或者在750 左右用低压化学气相淀积法(L PCVD) 制得，但现在工业上一般使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD) 来生成氮化硅薄膜。这是因为这种方法淀积温度低，对多晶硅中少子寿
10、命影响较小，而且生产时能耗较低，淀积速度较快，生产能力高，工艺重复性好，淀积薄膜均匀，薄膜缺陷密度较低。,制备SiN薄膜设备的分类,PECVD法 磁控溅射法Applied Film,直接法（Direct） 间接法（Remote）,管式炉Centrotherm 平板炉MVSystem, Semco，Shimadzu,平板型,微波Roth&Rau 直流OTB,我们现在采用的是间接法平板型的PECVD 设备工作原理如下图：,制备氮化硅薄膜的作用与优点： 由于氮化硅膜具有良好的绝缘性、致密性、稳定性 和对杂质离子的掩蔽能力, 氮化硅薄膜作为多晶硅太阳电池的 减反射膜, 可显著地提高电池的转换效率, 还
11、可使生产成本降 低。PECVD 法沉积氮化硅薄膜, 沉积温度低、沉积速度快、薄 膜质量好、工艺简单重复性好、易于工人掌握操作技术。,晶体硅太阳电池制造的第五步 丝网印刷与烧结,丝网印刷原理： 丝网印刷是把带有图像或图案的模版被附着在丝网上进行印刷的。通常丝网由尼龙、聚酯、丝绸或金属网制作而成。当承印物直接放在带有模版的丝网下面时，丝网印刷油墨或涂料在刮刀的挤压下穿过丝网中间的网孔，印刷到承印物上（刮刀有手动和自动两种）。丝网上的模版把一部分丝网小孔封住使得颜料不能穿过丝网，而只有图像部分能穿过，因此在承印物上只有图像部位有印迹。换言之，丝网印刷实际上是利用油墨渗透过印版进行印刷的，因此称它为丝
12、网印刷。,电池片丝网印刷的三步骤：,背电极印刷及烘干 浆料：Ag浆 如Dopont PV502 背电场印刷及烘干 浆料：Al浆 如广州儒兴 RX8201 正面电极印刷及烘干 浆料：Ag浆 如Dopont PV149,背面电极及电场样板图示：,几种常见的电池背面图形：,图1： 图2： 图3：,正面栅线设计：,目前我司的P156太阳电池正面栅线如下： 细栅线数：55 最边缘的细栅线到电池边缘的距离为1.5mm 0.13551.52542.7156mm 两根细栅线之间的距离为2.7mm 主栅线的宽度1.0mm,烧结的动力学原理：,烧结可看作是原子从系统中不稳定的高能位置迁移至自由能最低位置的过程。厚
13、膜浆料中的固体颗粒系统是高度分散的粉末系统，具有很高的表面自由能。因为系统总是力求达到最低的表面自由能状态，所以在厚膜烧结过程中，粉末系统总的表面自由能必然要降低，这就是厚膜烧结的动力学原理。 固体颗粒具有很大的比表面积，具有极不规则的复杂表面状态以及在颗粒的制造 、细化处理等加工过程中，受到的机械、化学、热作用所造成的严重结晶缺陷等，系统具有很高自由能.烧结时，颗粒由接触到结合，自由表面的收缩、空隙的排除、晶体缺陷的消除等都会使系统的自由能降低，系统转变为热力学中更稳定的状态。这是厚膜粉末系统在高温下能烧结成密实结构的原因。,烧结的目的以及对电池片的影响：,目的：干燥硅片上的浆料，燃尽浆料的
14、有机组分，使浆料和硅 片形成良好的欧姆接触。 影响：1）相对于铝浆烧结，银浆的烧结要重要很多，对电池 片电性能影响主要表现在串联电阻和并联电阻，即 FF的变化 2）铝浆烧结的目的使浆料中的有机溶剂完全挥发，并 形成完好的铝硅合金和铝层。局部的受热不均和散 热不均可能会导致起包，严重的会起铝珠。 3) 背面场经烧结后形成的铝硅合金，铝在硅中是作为P 型掺杂，它可以减少金属与硅交接处的少子复合， 从而提高开路电压和短路电流，改善对红外线的响 应。,太阳电池主要电性能参数,太阳电池的各种参数：,不论是一般的化学电池还是太阳电池，其输出特性一般都 是用如下图所示的电流电压曲线来表示。由光电池的伏安特
15、性曲线，可以得到描述太阳电池的四个输出参数。,太阳电池四种输出参数：,、开路电压Voc 在p-n结开路情况下（R=），此时pn结两端的电压即为开路 电压Voc。 2、短路电流Isc 如将pn结短路（V=0），因而IF=0，这时所得的电流为短路电 流Isc。 、填充因子FF 在光电池的伏安特性曲线任一工作点上的输出功率等于该点所 对应的矩形面积，其中只有一点是输出最大功率，称为最佳工 作点，该点的电压和电流分别称为最佳工作电压Vop和最佳工 作电流Iop。,FF = Vop*Iop/Voc*Isc = Pmax/Voc*Isc 它表示了最大输出功率点所对应的矩形面积在Voc和Isc所 组成的矩形
16、面积中所占的百分比。特性好的太阳能电池就是能 获得较大功率输出的太阳能电池，也就是Voc，Isc和FF乘积较 大的电池。对于有合适效率的电池，该值应在0.70-0.85范围 之内。,、太阳能电池的能量转化效率 表示入射的太阳光能量有多少能转换为有效的电能。即： =（太阳能电池的输出功率/入射的太阳光功率）x100% = （Vop x Iop/Pin x S）X100% = VocIscFF/Pin S 其中Pin是入射光的能量密度，S为太阳能电池的面积，当S是整个太阳能电池面积时，称为实际转换效率，当S是指电池中的有效发电面积时，叫本征转换效率。,另外几个太阳电池的重要参数：,并联电阻：Rsh ； 串联电阻：Rs ； 反向暗电流：Irev 其中， 影响Rsh的因素主要包含几个方面： 硅材料，切片机械损伤层，周边扩散PN 结去除，绒面扩散 层是否损坏，电极烧结温度和烧结时间，银桨的成份等。 影响Rs的因素主要包含几个方面： 硅材料的体电阻，电极及互联金属的电阻以及电池本身与电极 的接触电阻。 Irev一般是指在-10伏或-12伏的反向偏压下，电池的暗电流。 而暗电流与Rsh是相辅相成的，它的值增大将会减小Voc，并影响 FF，从而导致电池性能的下降。,谢谢！,