太阳能电池基础知识及制造工艺

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Basic knowledge of solar cell
Outline
太阳能电池 太阳能电池分类 晶体硅电池的工艺 电池效率总结
太阳能电池产业链
单晶硅棒
物理化学 处理 工业硅
6N以上高
单晶硅片 高温熔融 纯多晶硅 多晶硅锭 多晶硅片
系统 组件
太阳能电池结构
太阳能电池分为单晶电池和多晶电池，但 是它们的结构基本一样，都有以下部分组成 表面细栅线 表面主栅线 绒面 蓝色氮化硅 扩散层 硅基体 铝硅形成背面 多晶电池 单晶电池
太阳能电池分类 现有的太阳能电池可以分成以下几类：
晶体硅 单晶硅：无锡尚德(Suntech)、南京中电(China Sunergy)、 河北晶澳(Jingao Solar)等。 多晶硅：天威英利(Yingli Green Energy)、常州天合 (Trina Solar)、苏州阿特斯(CSI)等。 薄膜 非晶硅：天威薄膜、杭州正泰、南通强生等 碲化镉(CdTe)：美国Firstsolar 铜铟镓硒(CIGS)：美国Nanosolar
太阳能电池分类
目前处于实验室研发阶段，实际生产还未开发出来的太阳能电池，或 许会成为未来50年太阳能电池的主角，它们是：
染料敏化太阳能电池（Dye Sensitive Solar Cell)
未来 电池
有机薄膜太阳能电池（Organic Film Solar Cell) 纳米量子点太阳能电池（Nanometer Quantum Dot Solar Cell)
晶体硅太阳能电池工艺简介
晶体硅电池工艺分为单晶硅电池工艺和多晶硅电池工 艺，它们大体上相同，最大的不同在于第一步的清洗制绒， 工艺步骤如下： 硅片清洗、制绒工艺（单晶硅用碱液制绒面，多晶 硅用HF和HNO3混合酸制绒面） 扩散工艺（企业中采用的是POCl3液态源扩散） 边缘刻蚀工艺 氢氟酸清洗工艺 （去磷硅玻璃 ） （去PSG） PECVD镀膜工艺 印刷烧结工艺 测试工艺
1 硅片清洗制绒
目的：清洗是为了除去沾污在硅片上的各种杂质，包括油脂、金属离子、 尘埃等；表面刻蚀制绒(SDE, texture)是为了除去硅片表面的切割损伤 层，同时得到合理的粗糙表面，减小光在表面的反射，增加光尤其是长 波长光在硅片内传输路径，获得适合扩散制p-n结要求的硅表面。
单晶硅各向异性，我们采用强碱氢氧化钠(NaOH)腐蚀制绒，而多晶硅 是各向同性，采用强酸硝酸和氢氟酸(HNO3+HF)腐蚀制绒。
1硅片清洗制绒
单晶硅电池在扫描电镜下放大 1500倍的制绒表面
多晶硅电池在扫描电镜下放大 1000倍的制绒表面
1 硅片清洗制绒
清洗后硅片质量监控：腐蚀量计算、反射率、少子寿命的测试。硅片要求表 面光亮，无肉眼可见沾物，无崩边、缺角、穿孔等可视

缺陷，即为合格品。
清洗制绒常用设备厂家： 单晶硅：无锡瑞能、深圳捷佳创、48所 多晶硅：德国RENA、Schmid
2 扩散制p-n结
目的：在P型硅片的表面扩散(diffusion)进一薄层磷，以形成0.3-0.6微米 左右深的浅p-n结， p-n结形成后，能在硅片内产生电场，当光照射到硅 片上被吸收产生电子-空穴对时，电场能将电子-空穴对分开，产生电流。
扩散的原理：扩散是自然界普遍存在一种规律。所谓扩散，就是物体存 在浓度不均匀时，从高浓度流动到低浓度直至平衡的一种现象。当磷沉 积在硅片表面后，表面与内部存在浓度梯度，磷原子在高温驱动下穿过 晶格到达其平衡位置，在硅片片面形成n型层。
2 扩散制p-n结
扩散后硅片的监控：测试方块电 阻R□ (sheet resistance)， R□ 可理解为在硅片上正方形薄膜两 端之间的电阻，他与薄膜的电阻 率和厚度有关，与薄膜的尺寸无 关。通过的R□测试，可以近似 比较磷扩散的平均深度。扩散后 的硅片要求表面光亮且无肉眼可 见沾物，无崩边、缺角、孔洞等 可视缺陷才视为合格品。
扩散后的多晶硅硅片
2 扩散制p-n结
扩散的分类： 链式扩散：diffusion inline 管式扩散：diffusion in tube 扩散设备主要厂家： 中国：48所 德国：Tempress、Centrotherm、Schmid 管式：48所、Tempress、Centrotherm 链式：Schmid 单面扩散 双面扩散
3 周边刻蚀
目的：扩散过程中，硅片的 外围表面导电类型都变成了n 型。此工序就是利用等离子 体刻蚀机刻蚀(etching)硅片 边缘，以使前表面与背表面 的n型层隔断，防止电池做出 来以后正负极出现短路。如 图所示： 双面扩散的周边 刻蚀
3 周边刻蚀
边缘刻蚀的监控： 边缘刻蚀的监控：边缘电阻测试
参与反应的气体除了去除边缘n型硅外，还能去除硅片表面的n型硅，所以刻蚀操作时 一定要压紧硅片，不能使硅片间留有间隙。
刻蚀分类 刻蚀分类
干法刻蚀
等离子体刻蚀 激光刻蚀
湿法刻蚀 刻蚀设备 国内：等离子体刻蚀—48所，捷佳创 国外：激光刻蚀—德国Rofin 湿法刻蚀—德国RENA
4 氢氟酸清洗
目的：硅片在扩散的过程中表面生成了氧化硅(SiO2)，它和磷的氧化物形成磷 硅玻璃(PSG:phosphatesilicate glass),玻璃层的存在会在电极印刷过程中，影 响到金属电极和硅片的接触，降低电池的转换效率，同时玻璃层还有多种金属 离子杂质，会降低少子寿命，因此引入HF清洗工艺。
HF酸清洗设备一般与第一道工序制绒清洗设备同步配置。常用设备厂家：
单晶硅：无锡瑞能、深圳捷佳创，48所 多晶硅：德国RENA
5 PECVD镀膜
PECVD定义：等离子体增强

型化学气相沉积，英文Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition缩写
PECVD镀膜的目的：太阳光照射到硅片表面被硅片吸收透射的同时，也会有很 大一部分光从该面反射掉，这就大大减少了太阳能的利用率，所以要在硅片表面 接触阳光的一侧镀上一层减反射膜，当薄膜的厚度是入射光在薄膜中波长的1/4时， 在薄膜的两个面上反射的光，路程差恰好等于半个波长，因而互相抵消，这就大 大减少了光的反射损失，增强了吸收光的强度，提高电池效率。
5 PECVD镀膜
薄膜的其他功能：这层薄膜主要由蓝色的氮化硅组成，除了前面所说的 减反射(anti-reflection)作用外，还能起到钝化(passivation)的效果。同 时，致密的氮化硅能阻挡钠离子扩散，不透潮气，具有极低的氧化速率， 还可防止划伤。
国内：48所 PECVD镀膜设备 国外：德国 Roth & Rau (inline)， 德国Centrotherm (tube)
5 PECVD镀膜
单体硅PECVD镀膜后效果图
6 印刷烧结
目的：通过丝网印刷(screen printing) 在太阳能电池的两面 制作金属电极、正面收集电子，背面电极利于焊接以及组件 (module)的制成，是硅片制成电池的重要环节。烧结(firing) 则是为了将作为电极的粘稠浆料烘干，同时完成金属与硅片 的合金化，便于电极收集电子。
6 印刷烧结
刮刀 网版 基板 丝网 浆料
示 意 图
丝 网 印 刷 过 程
银浆 SiNX减反膜 p-n结 结 硅基片 银铝浆、 银铝浆、铝浆
6 印刷烧结
主栅线(busbar)
细栅线(finger grid)
多晶硅硅片印刷烧结后得到的电池(solar cell)示意图
6 印刷烧结
?
印刷设备：45所，Baccini， Asys，DEK-J 烧结设备：Despatch，BTU， Centrotherm
7 测试分选
目的：绘制I-V曲线图，测试出电池的各项电性能参数(包括电池效率)，把电参数相 近的分为一类(通常为效率相近)，同一类电池片按照不同颜色分选包装。
太阳能电池转化效率(conversion efficiency of the solar cell)：定义为 Eff=Pm/MS，即受光照射的太阳电池的最大功率与入射到该电池上的全 部功率的百分比。(M为标准辐照强度1000W/m2；S为电池的面积)
7 测试分选
I/P I Isc Im
Pm
IscVoc
0
0
M
Vm Voc
V
太阳能电池测试标准条件为：25℃、AM1.5、1000W/m2 图中Voc表示开路电压，Isc表示短路电流，Pm表示最大功率，Im最大电流， Vm最大电压。定义填充因子FF=Pm/ (Voc Isc)=ImVm/ (Voc Isc) ，故电池 效率还可以表达为：Eff=Pm/MS=FF× Voc Isc/1000S，S单位为m2。
7 测试分选
开路电压Voc：open circuit voltage 短路电流Isc：short circuit current 填充因子FF：filling factor 最大功率Pm：maximum power 转换效率Eff：conversion efficiency

测试分 选设备
德国berger 美国spire 美国GT 芬兰endeas
：、、、
电池效率总结
综合世界上目前各个厂家生产的太阳能电池，平均效率差异较大，原材料 不同引起的效率差别也很明显。
单晶硅(monocrystalline silicon)太阳能电池：平均效率在16.5%-18%之间 多晶硅(multicrystalline silicon)太阳能电池：平均效率在15%-16.5%之间 非晶硅(amorphous silicon)薄膜太阳能电池：单结稳定平均效率在5%-7% 之间 碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池：稳定效率8%-10% 铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池：稳定效率9%-11% 染料敏化太阳能电池：稳定效率3%-5% 有机薄膜太阳能电池：稳定效率3%-5%
Q & A

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