晶体硅太阳电池.ppt

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1、1,晶体硅多晶硅太阳电池,目前的商业化太阳电池中，晶体硅占九成以上。随着其它不同材料的太阳电池应用，晶体硅的使用比例会略减，但它在未来仍然会是太阳电池的主流。原因之一是随着半导体工业的发展，晶体硅的技术成熟度高，间接地降低了生产成本。,2,最早的晶体硅太阳电池是使用P型的CZ硅单晶做基板，随着价格较低的多晶硅片出现，多晶硅太阳电池已成为占有率最高的主流技术。但多晶硅太阳电池的效率低于单晶硅太阳电池，所以，从单位成本的发电效率（Watt per dollar）来看，两者实际上非常接近。本章介绍晶体硅太阳电池的基本结构、制作太阳电池的基本流程及模组化技术,3,晶体硅太阳电池,一、基本结构二、制作太

2、阳电池的基本流程三、模组化技术 四、薄膜型微晶硅太阳电池,4,一、太阳电池基本结构,太阳能之应用系统的最基本单位是太阳电池（cell）。一般来说，一个单一的晶体硅电池输出电压在0.5V左右，而其最大输出功率则与太阳电池效率和表面积有关。如，一个接受光面积约为100cm2，效率为15%的太阳电池的最大输出功率仅为1.5W左右。,5,为达到一般应用要求，必须将许多太阳电池串联及并联在一起，形成所谓的模组（module）。并联的目的是为了增加输出功率，串联的目的在于提高输出电压，进一步的串联或并联则可形成阵列安排（array）。,6,电池（cell）；模组（module）；阵列（array）,7,在

3、一把的太阳电池应用系统上，还包括蓄电池（storage battery）、功率调节器（power conditioner）和安装固定结构（mounting structures）等周边设施，统称为平衡系统（balance of system）。随材料和制造技术不同，太阳电池的架构会有不同变化，但最基本的结构可分为基板、PN二极管、抗反射层、表面粗糙结构化和金属电极等五个主要部分。,8,基本的晶体硅太阳电池结构,9,为达到最佳的转换效率，主要考虑的因素有：减低太阳光的表面反射；减低任何形式的载流子再结合(carrier recombination)；金属电极接触最优化。,10,1 基板,在晶体硅

4、太阳电池中，以单晶硅能达到的能量转换效率最高。要达到最优的能量转换效率，所使用的基板的品质最为关键，这里的品质指基板应具有很好的结晶完美性、最低的杂质污染等。就品质的完美性而言，所有的结晶硅中以FZ硅片（Float Zone Silicon）最佳，而CZ硅片次之。在低成本的要求下，多晶硅片（multicrystalline）甚至比单晶硅更为广泛使用。多晶硅片中的内部缺陷，例如晶界（grain boundaries）及差排（dislocation），使得能量转换效率不如CZ单晶硅片。,11,少数载流子的寿命是影响能量转换效率的重要因素之一。而晶体硅中少数载流子的寿命主要受金属杂质的影响，金属杂质

5、越高，寿命越短，能量转换效率越低。除了起始基板本身的金属杂质外，太阳电池的高温制备过程中也会引入杂质。除了严格控制制备过程以去除杂质污染外，另一重要技术是引入去疵技术（Gettering technology），去降低金属杂质对少数载流子寿命的影响。此外，利用氢气钝化处理（passivation），也是提高能量转换效率的有效方法。,12,最常用的晶体硅基板，是P型掺杂，即添加硼(Boron)。当然，N型晶体硅也可以被用来当作基板，只不过现有的太阳电池技术大多采用P型硅而设计。使用电阻率较低的晶体硅基板，会降低太阳电池的串联电阻（series resistance）而导致的能量损耗，目前工业界常

6、用的晶体硅基板的电阻率为0.530ohmcm。晶体硅基板的厚度也会影响太阳电池的效率。,13,晶体硅基板的厚度与太阳电池效率的关系（Ld为扩散长度）,14,2 表面结构粗糙化（Texturing）,由于硅具有很高的反射系数（reflection index），它对太阳光的反射程度在长波区域（1100nm）可达到54%，在短波长区域（400nm），可达到34%。因此将晶体硅基板表面做粗糙化处理的目的，在于降低太阳光自表面反射损失的几率，进而提高电池的效率。所谓的粗糙化，是将电池的表面，蚀刻成金字塔（pyramid）或角锥状的形状，这使得太阳入射光至少要经过两次以上的表面反射，因此降低了来自表面反

7、射损失的太阳光比例。,15,利用表面的粗糙结构可以降低光线的反射程度原理图,16,逆金字塔(倒金字塔）状的凹槽，一般是利用NaOH或KOH碱性液对硅晶体表面进行蚀刻。蚀刻反应的速度与晶面方向有关（antisotropical），以硅而言，（111）面的反应速度最慢，所以会被蚀刻出逆金字塔状的凹槽。此形状的凹槽具有最佳的光封存效果，被广泛使用在太阳电池的制造流程上，成为基本的制造步骤之一。,17,利用NaOH或KOH的碱性蚀刻液，产生出的逆金字塔状凹槽,18,3 P-N二极体,PN二极体是光伏效应的来源，由高温扩散产生。在P型晶体硅基板上做N型扩散，或是在N型基板上做P型扩散而产生的。一般的N型

8、扩散只有约0.5m左右的厚度，而且是在基板做完粗糙化处理后才进行的。,19,4 抗反射层（Antireflection Coating）,除了将晶体硅表面做粗糙织构化之外，在表面涂布抗反射层是降低反射损失的另一有效方式，即在硅晶体表面涂布一层低折射系数的透明材料。常用TiO2、SiN、SiO、Al2O3、SiO2、CeO2等。折射率为硅折射率的平方根最好，厚度d=n/4最好，反射的情况可被降至最低。,20,5 金属电极（下次课会详细讲到）,在太阳电池中，金属接触必须被用来取出产生光电的载流子，而且这种作用必须是选择性的，即只允许一种形态的载流子由硅表面流向金属，但阻止另外一种形态的载流子流通。

9、如果直接将硅及金属接触在一起，并不具有这种选择性流通的目的。为达到选择性目的，一般的做法是在金属电极下方先制造出一个N+的区域以取出电子，或制造出一个P+的区域以取出空穴。,21,在这样的结构中，多数载流子可以顺利地由硅表面流到金属，不会有太大的电压损失；而由于重掺杂区域的影响，少数载流子的浓度已被降到最低，因此产生的流通自然被被抑制到最小的程度。在金属电极的划分上，接收少数载流子的电极通常都放在正面，也就是受光的那一面，位于金属电极下方的重掺区域，被称为发射区（emitter）。硅基板背面则通常全部涂上一层所谓的back surface field（BSF）金属层。,22,23,一般而言，太

10、阳电池的正面与背面，都有两道较宽的白色垂直线，称为Bus Bar，提供与外界电路的焊接。在正面的条状金属电极，还会往侧边伸展出一系列很细的金属手指（finger），一般称为格子线gridlines。格子线的设计，除了要能够有效收集载流子外，还必须降低金属线遮蔽入射光的比例。格子线的宽度一般在50m以下，Bus bar的宽度约在0.5mm左右。一般而言，正面的金属线会遮掉35%的入射光面积。金属电极材料一般为铝或银合金。,24,二、太阳电池之制造流程,成本与效率的综合平衡考虑。如使用埋入式的电极（buried contact）虽比网印（screen printing）方式的电极，更能提高太阳电池

11、的平均效率，但因为制造成本较高，所以并未被广泛使用。,25,基本的太阳电池制造流程示意图,26,1 表面结构粗糙化（Texturization）,首先是利用NaOH的方向性蚀刻，在硅基板上产生逆金字塔状凹槽。NaOH须与异丙基醇IPA（isopropyl alcohol）混合在一起。IPA的作用在于湿化硅基板表面，以获得更均匀的蚀刻效果（表面活性剂）。利用方向性蚀刻的方法来产生逆金字塔状凹槽的技术，在单晶硅上得到最佳的效果。虽然也可用在多晶硅上，但所得到的凹槽效果比单晶硅要差许多，这也是多晶硅电池效率比单晶硅低的原因之一。,27,Scanning electron microscope pho

12、tograph of a textured multicrystalline silicon surface,28,29,这是因为多晶硅表面存在着许多不同方向性的晶粒，这些晶粒的蚀刻速率快慢不一，不像（100）单晶硅的均匀蚀刻效果。为解决此问题，也有人采用机械切割的方式来制造出V型凹槽，接着用碱蚀刻来去除因机械加工所造成的表面损伤层。一般的V型凹槽的深度为50m左右。,30,利用机械切割方式制造出的V型凹槽，可以降低多晶硅电池的表面反射程度,31,2 磷扩散制作（Phosphorous Diffusion）,完成表面粗糙织构化之后，硅基板要利用高温扩散来形成P-N二极管。由于一般的太阳电池是使

13、用P型硅片做基板，所以后续使用磷扩散来形成P-N二极管。由于为高温操作，对金属离子的污染必须注意。依据所使用的扩散炉管的类型，扩散工艺可分为：（1）石英炉管（2）传输带式炉管（Belt furnace）,32,（1）石英炉管,石英管扩散炉示意图,33,反应历程：后处理：经过扩散炉处理完的硅晶片表面会产生一层二氧化硅，通常必须利用氢氟酸来去除表面的二氧化硅：特点：商业扩散炉为批式流程（bach）。石英扩散炉是比较干净的方法，在炉管内没有其它金属暴露在高温下。,34,石英管扩散炉实际照片,35,（2）传输带式炉管（Belt furnace）,传输带式炉管示意图,36,制作过程：先将含磷的膏状化合物

14、（如磷酸）涂抹在硅晶片表面，待干燥后，利用传输带将晶片带入炉管内，进行扩散。炉管内的温度可设计为几个区域，在较低的温度区域内（600）先将膏状化合物的有机物烧掉，接着进入约950的高温区域进行扩散过程。缺点：由于外界空气可进到炉内，再加上传输带含有金属成分，所以金属污染的几率比石英扩散炉大。,37,扩散装置示意图,38,影响扩散的因素,管内气体中杂质源的浓度扩散温度扩散时间,39,影响扩散的因素,管内气体中杂质源浓度的大小决定着硅片N型区域磷浓度的大小。但是沉积在硅片表面的杂质源达到一定程度时，将对N型区域的磷浓度改变影响不大。扩散温度和扩散时间对扩散结深影响较大。N型区域磷浓度和扩散结深共同

15、决定着方块电阻的大小。,40,太阳电池磷扩散方法,三氯氧磷（POCl3）液态源扩散喷涂磷酸水溶液后链式扩散丝网印刷磷浆料后链式扩散,41,POCl3 简介,POCl3是目前磷扩散用得较多的一种杂质源无色透明液体，具有刺激性气味。如果纯度不高则呈红黄色。比重为1.67，熔点2，沸点107，在潮湿空气中发烟。POCl3很容易发生水解，POCl3极易挥发。,42,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，其反应式如下：,由上面反应式可以看出，POCl3热分

16、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，并在硅片表面形成一层磷-硅玻璃，然后磷原子再向硅中进行扩散。,POCl3液态源扩

17、散方法具有生产效率较高，得到PN结均匀、平整和扩散层表面良好等优点，这对于制作具有大面积结的太阳电池是非常重要的。,46,扩散层薄层电阻及其测量,在太阳电池扩散工艺中，扩散层薄层电阻（方块电阻）是反映扩散层质量是否符合设计要求的重要工艺指标之一。方块电阻也是标志进入半导体中的杂质总量的一个重要参数。,47,方块电阻的定义,考虑一块长为l、宽为a、厚为t的薄层如右图。如果该薄层材料的电阻率为，则该整个薄层的电阻为,当l=a（即为一个方块）时，R=/t。可见，（/t）代表一个方块的电阻，故称为方块电阻，特记为R=/t(/),48,扩散层薄层电阻的测试,目前生产中，测量扩散层薄层电阻广泛采用四探针法

18、。测量装置示意图如图所示。图中直线陈列四根金属探针（一般用钨丝腐蚀而成）排列在彼此相距为S一直线上，并且要求探针同时与样品表面接触良好，外面一对探针用来通电流、当有电流注入时，样品内部各点将产生电位，里面一对探针用来测量2、3点间的电位差。,49,3 边缘绝缘处理（Edge Isolation）,目的：经过扩散工艺后，晶片的边缘也会出现一层N型掺杂区，如果不去除，则会造成正面与背面电极的连通，必须将其去除，才能显现出P-N二极管的结构。方法：一般采用低温的干蚀刻技术（dry etching）。将晶片堆叠在一起（保证不会蚀刻到晶片的正面及背面），放入反应炉内，使用CF4及O2的等离子体进行干蚀刻

19、。,50,4 抗反射层涂布（ARC Deposition）,抗反射层的材料：有氧化钛、氮化硅、一氧化硅、氧化铝、二氧化硅、氧化铈等。抗反射层的涂布技术：以化学蒸镀法（Chemical Vapor Deposition，简称CVD）最为常用。CVD法又可分为APCVD（Atmospheric Pressure CVD）、PECVD(Plasma Enhanced CVD)和RPCVD(Reduced Pressure CVD)。,51,(1)APCVD,APCVD法一般被用来生产氧化钛或二氧化硅的抗反射层。将钛的有机化合物浆料利用喷嘴（nozzle）喷溅在200环境的硅晶片上，使得钛有机化合物在

20、晶片表面产生水解反应，而将氧化钛沉积蒸镀在硅晶片的表面。此法可利用传输带式反应炉大量生产，或使用网印（screen print）的方式进行涂布，再置于高温下沉积。,52,(2)PECVD法,PECVD法一般被用来生产氮化硅（SiNx）抗反射层。在反应炉内通入SiH4及NH3或N2，使它在硅晶片表面产生一层非晶结构的氮化硅（SiNx）抗反射层。在此反射层内，会含有将近40%原子比例的氢原子，虽然非晶的氮化硅的化学式写作SiNx，但实际上应该是a-SiNx:H。,53,(2)PECVD法,利用PECVD法生产氮化硅抗反射层的示意图,54,氮化硅抗反射层最常使用在多晶硅太阳电池上，不仅能有效的减少入

21、射光的反射，还具有钝化的作用。钝化的作用起因与抗反射层内部的氢原子，因为氢原子可以与多晶硅内部的杂质及缺陷（如晶界）发生反应，而大幅降低多晶硅内部在电性上的活性，降低了少数载流子再结合的机会，此钝化称为Bulk Passivation。PECVD法使用的RF有高频（13.56MHz）及低频（10500KHz）两种，前者在表面钝化（surface passivation）及UV稳定效果上比较好，后者可得到更均匀的氮化硅抗反射层。,55,5 正面电极网印（Front Contact Print）,太阳电池对正面金属电极的要求：与硅接触时电阻低；金属线宽小；附着力强；可焊接性强；可大量生产及低制造成

22、本。基于上述要求，网印（screen printing）技术是目前最广泛使用的技术。原理：利用丝网图形部分网孔透浆料，非图形部分网孔不透浆料的基本原理进行印刷。,56,网印技术示意图,57,网印技术中，最重要的成分为印刷板（screen）及金属膏（paste）。印刷板多用人造纤维或不锈钢丝，线的直径约10m左右，间距约100m。金属膏的成分有：有机溶剂，使得金属膏呈现流动态；有机结合剂，固定金属粉末；银粉，粒度10m左右；玻璃粉，低熔点、高活性的氧化物粉末，可以对硅表面进行蚀刻反应，帮助银粉与硅表面的结合。,58,补充丝网印刷技术介绍,使用尼龙丝网的特点：尼龙丝网是由化学合成纤维制作而成，高强

23、度；耐磨性、耐化学药品性、耐水性、弹性较好；丝径均匀，表面光滑，故油墨的通过性极好；可以使用低粘度浆料；拉伸性较大，一段时间后可能导致丝网印版松驰，精度下降；丝网有柔性，可以用于不平坦的表面。,59,尼龙丝网印刷基本流程,60,使用不锈钢丝网的特点：丝径细、目数多，耐磨性好，强度高，尺寸稳定，拉伸性小；浆料通过性能好；浆料沉积厚度较易控制；适用于太阳能电池浆料的印刷。,61,不锈钢丝网印刷基本流程,Close up of a screen used for printing the front contact of a solar cell.During printing,metal past

24、e is forced through the wire mesh in unmasked areas.The size of the wire mesh determines the minimum width of the fingers.Finger widths are typically 100 to 200 m.,Close up of a finished screen-printed solar cell.The fingers have a spacing of approximately 3 mm.An extra metal contact strip is solder

25、ed to the busbar during encapsulation to lower the cell series resistance.,Front view of a completed screen-printed solar cell.As the cell is manufactured from a multicrystalline substrate,the different grain orientations can be clearly seen.The square shape of a multicrystalline substrate simplifie

26、s the packing of cells into a module.,64,6 背面电极网印（Back Contact Print）,通常也采用网印技术来制造，与正面电极的不同点在于，金属膏成分同时含有银粉和铝粉。这是因为银粉本身无法与P型硅形成欧姆接触，而铝虽然可与P型硅形成欧姆接触，但焊接性差，必须两者混合使用。虽然一整层连续的背面电极的电阻较小，但生产中习惯采用正面电极般的网状结构。因为一整层连续的背面电极会因为不同的热膨胀系数，而使得晶片在高温处理时发生弯曲变形。,Rear view of a finished screen-printed solar cell.The cell

27、 have a grid from a single print of Al/Ag paste with no BSF,The cell have a coverage of aluminium that gives a BSF but requires a second print for solderable contacts.,66,高效率太阳电池,PERL太阳电池Passivated Emitter with Rear Locally diffused cell,67,Electron microscope image of the top surface of a PERL Cell

28、 showing a broken electroplated finger.,68,高效率太阳电池,激光刻槽埋栅太阳电池(Laser Grooved,Buried Contact Solar Cell),Cross-section of Laser Grooved,Buried Contact Solar Cell.,Cross section of a partially plated laser groove,70,激光刻槽埋栅电池的制造工艺如下：,表面制绒表面磷扩散和氧化激光刻槽化学清洗槽壁磷重扩散背表面铝金属化与烧结顶电极、背电极同时化学镀边缘绝缘化,71,激光刻槽埋栅太阳电池的优点

29、,相对于传统电池的制造工艺，BCSC具有以下优势：高电极纵横比（接触电极的厚/宽比例较大）；极细的顶电极栅线（20m宽）；遮光损失从网印电极电池的1015%减少到23%；刻槽的宽度不变，通过增加它的深度来增加金属的横截面积，而不增加遮光面积；不需光刻、减反膜、抛光或研磨的表面；,72,激光刻槽埋栅太阳电池的优点,另外：在刻槽区采用重掺杂的槽壁，减小了接触电阻；仅在刻槽区域采取更深的扩散掺杂，有效地避免了金属与发射区的直接接触，同时确保了发射区的低掺杂浓度；通过使用轻掺杂的发射区来避免上表层“死区”的产生，从而显著改善电池对于短波光的响应。,73,高效率太阳电池,背电极太阳电池（RCSC）Rea

30、r Contact Solar Cells,Back Contact Solar Cell as used in commercial production,74,7 火烤（Cofiring）,火烤的目的在于烧掉金属膏中的有机化合物，并使得金属颗粒烧结在一起，形成好的导体，同时藉著高温与晶片表面形成很好的结合。通常来说，正面的金属膏是涂在ARC层上面，而背面的金属膏是涂在N型硅上面。,75,三、模组化技术,Packing Density,单元排列密度以矩形最优,76,In a typical module,36 cells are connected in series to produce

31、a voltage sufficient to charge a 12V battery.,77,1 太阳电池的两种基本工作电路,（1）仅用太阳电池作电源稳压设计,太阳电池的输出电压取决于照度，在采用太阳电池作为独立电源时，为了在照度变化时使太阳电池的输出电压稳定，需采用齐纳二极管和电容器组成电压稳定电路。,78,(2)并用蓄电池的方式防逆流防过充,太阳电池附加蓄电池时，电路由防逆流二极管和电流控制电路（或电压控制电路）以及蓄电池构成。,79,2 太阳电池的工作点,太阳电池的工作点由负载阻抗、蓄电池的电压特性来决定。直接连接负载时，太阳电池的工作点在负载的电流-电压特性和太阳电池的电流-电压特

32、性的交点上。连接蓄电池时，太阳电池的工作电压等于蓄电池的电压工作点。此时，太阳电池的实际工作点的电压和电流分别称为工作电压和工作电流，其数值与太阳电池输出最大中功率时的最佳工作电压和最佳工作电流不一定一致。,80,直接连接负载时太阳电池的工作点,81,连接蓄电池时太阳电池的工作点,82,为保证太阳电池的最佳输出功率，需在光伏系统设计中合理考虑如下因素：,光照强度电池特性（转换效率、最佳功率点）负载特性串联级数并联组数蓄电池的工作特性（充放电特性，放电容量等）,83,3 基本光伏发电的系统分析,基本的光伏发电系统的示意图,84,在蓄电池充电过程中光伏发电装置与电阻负载的特性曲线,85,在蓄电池放

33、电过程中光伏发电装置与电阻负载的特性曲线,86,4 太阳电池的串联和并联,需考虑电池完全相同的理性情况和电池不完全相同的实际情况。每个太阳电池的电性质均围绕某一平均值有所分布。第一，这是由于太阳电池的制造工艺不可能具有完全的重复性。其次，太阳电池在利用过程中飞非正常条件所导致（如部分遮蔽或全部遮蔽）。,88,相同特性太阳电池串联时的电流-电压特性曲线,89,两个不同特性太阳电池串联时的电流-电压特性曲线,几个特殊点：d：开路串联；a：短路串联；b-d之间：都输出电能；b：效率较差的电池的临界电流值；a-b之间：效率较差的电池处于消耗功率状态，实际承受反向电压。,90,相同特性太阳电池并联时的电

34、流-电压特性曲线,91,两个不同特性太阳电池并联时的电流-电压特性曲线,几个特殊点：a：外电路短路；d：外电路开路，相当于两电池反向串联，电压相等，电流反向叠加；c：与效率较差的电池的开路电压相对应的临界点；a-c之间：都输出电能；c-d之间：效率较差的电池处于消耗功率状态，实际承受反向电流。,92,严重问题：,在大型的光伏阵列中，效率较低的电池将从其它所有的电池上吸收功率而引起发热，形成热点！,93,解决方法旁路二极管,一个旁路二极管与一个电池并联（当总电流超过电池的IL时，旁路二极管导通）,94,实际上，将每个电池配备一个旁路二极管会过于昂贵，所以二极管通常会连接于一组电池的两端。,一组串联电池两端的旁路二极管,并联组件中的旁路二极管,95,使用阻塞二极管确保组件中的电流单向流动，保证电流只能从组件中流出，例如，可以防止夜间时蓄电池对太阳电池放电。,96,5 模块组装,强化玻璃；在太阳电池的正反面，各有一层保护层，通常为高分子塑料，防止水汽腐蚀；真空封装。,97,标准太阳电池模组的截面示意图,98,END,