晶体硅太阳能电池原理与制造工艺
晶体硅太阳能电池原理与制造工艺 1. 硅太阳能电池工作原理与结构 太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应一般的半导体主要结构如图1-1: 图1-1 半导体主要结构 正电荷
表
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示硅原子负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子 当硅晶体中掺入其他的杂质如硼、磷等当掺入硼时硅晶体中就会存在 着一个空穴它的形成可以参照图1-2。 图1-2 P型半导体 正电荷表示硅原子负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子黄色表示掺入的硼原子 因为硼原子周围只有3个电子所以就会产生如图1-2所示的蓝色的空穴这个空穴因为没有电子而变得很不稳定容易吸收电子而中和形成Ppositive型半导体。 同样掺入磷原子以后因为磷原子有五个电子所以就会有一个电子变得非常活跃形成Nnegative型半导体。黄色的为磷原子核红色的为多余的电子。如图1-3所示。 图1-3 N型半导体 正电荷表示硅原子负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子黄色表示掺入的磷原子 当P型和N型半导体结合在一起时在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层界面的P型一侧带负电N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴N型半导体多自由电子出现了浓度差。N区的电子会扩散到P
P的“内电场”从而阻止扩区P区的空穴会扩散到N区一旦扩散就形成了一个由N指向
散进行如图1-4所示。达到平衡后就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差这就是PN结。 图1-4 内电场的形成 当晶片受光后PN结中N型半导体的空穴往P型区移动而P型区中的电子往N型区移动从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差这就形成了电源。如图1-5所示 图1-5硅太阳电池结构示意图 由于半导体
结后如果在半导体中流动电阻非常大损耗也就非常不是电的良导体电子在通过pn
大。但如果在上层全部涂上金属阳光就不能通过电流就不能产生因此一般用金属网格覆盖p-n结如图1-6梳状电极以增 加入射光的面积。 图1-6 梳状电极及SiO2保护膜 另外硅表面非常光亮会反射掉大量的太阳光不能被电池利用。为此科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜如图1-6将反射损失减小到5甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限于是人们又将很多电池通常是36个并联或串联起来使用形成太阳能光电板。 2.晶体硅太阳能电池制造工艺 1 硅片切割材料准备 工业制作硅电池所用的单晶硅材料一般采用坩锅直拉法制的太阳级单晶硅棒原始的形状为圆柱形然后切割成方形硅片或多晶方形硅片硅片的边长一般为1015cm厚度约200350??m电阻率约1Ω.cm的p型掺硼。 2 去除损伤层 硅片在切割过程会产生大量的表面缺陷这就会产生两个问
题
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首先表面的质量较差另外这些表面缺陷会在电池制造过程中导致碎片增多。因此要将切割损伤层去除一般采用碱或酸腐蚀腐蚀的厚度约10??m。 3 制绒 制绒就是把相对光滑的原材料硅片的表面通过酸或碱腐蚀使其凸凹不平变得粗糙形成漫反射减少直射到硅片表面的太阳能的损失。对于单晶硅来说一般采用NaOH加醇的方法腐蚀利用单晶硅的各向异性腐蚀在表面形成无数的金字塔结构碱液的温度约80度浓度约12腐蚀时间约15分钟。对于多晶来说一般采用酸法腐蚀。 4 扩散制结 扩散的目的在于形成PN结。普遍采用磷做n型掺杂。在扩散过程中发生如下的化学反应 525600335OPPClPOClC以上 PSiOSiOPC4552290052
以上 2522510254ClOPOPCl 由于固态扩散需要很高的温度因此在扩散前硅片表面的洁净非常重要要求硅片在制绒后要进行清洗即用酸来中和硅片表面的碱残留和金属杂质。 PN结是太阳能电池的“心脏” 。 制造PN结实质上就是想
办法
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使受主杂质在半导体晶体内的一个区域中占优势P型而使施主杂质在半导体内的另外一个区域中占优势N型这样就在一块完整的半导体晶体中实现了P型和N型半导体的接触。 5
边缘刻蚀、清洗 扩散过程中在硅片的周边表面也形成了扩散层。周边扩散层使电池的上下电极形成短路环必须将它除去。周边上存在任何微小的局部短路都会使电池并联电阻下降以至成为废品。目前工业化生产用等离子干法腐蚀在辉光放电条件下通过氟和氧交替对硅作用去除含有扩散层的周边。 扩散后清洗的目的是去除扩散过程中形成的磷硅玻璃。 6 沉积减反射层 沉积减反射层的目的在于减少表面反射增加折射率。广泛使用PECVD淀积SiNx由于PECVD淀积SiNx时不光是生长SiNx作为减反射膜同时生成了大量的原子氢这些氢原子能对多晶硅片具有表面钝化和体钝化的双重作用可用于大批量生产。 7 丝网印刷上下电极 电极的制备是太阳电池制备过程中一个至关重要的步骤它不仅决定了发射区的结构而且也决定了电池的串联电阻和电池表面被金属覆盖的面积。最早采用真空蒸镀或化学电镀技术而现在普遍采用丝网印刷法即通过特殊的印刷机和模版将银浆铝浆银铝浆印刷在太阳电池的正背面以形成正负电极引线。 印刷工序为丝网印刷背电极银铝浆?烘干?丝网印刷背电场铝浆?烘干?丝网印刷正电极银浆?烧结。 上电极以及正面的小栅线是银浆如图-1所示。 背电极是银铝浆 背电场是铝浆如图2-2所示。 背电极、上电极以及小栅2
线起到收集电子的作用。 背电场的作用是可以提高电子的收集速度从而提高电池的短路电流J SC和开路电压V OC进而提高电池的光电转换效率。 图2-1 太阳能电池正电极及栅线 图2-2 太阳能电池片背银及背铝印刷示意图 8 共烧形成金属接触 晶体硅太阳电池要通过三次印刷金属浆料传统工艺要用二次烧结才能形成良好的带有金属电极欧姆接触共烧工艺只需一次烧结同时形成上下电极的欧姆接触。在太阳电池丝网印刷电极制作中通常采用链式烧结炉进行快速烧结。 正电极 烧结过程将燃尽浆料的有机组分使浆料和硅片形成良好的欧姆接触从而提高开路电压和短路电流并使其具有牢固的附着力与良好的可焊性。 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。 上电极的银、氮化硅、二氧化硅以及硅经烧结后形成共晶从而使电极与硅形成良好的欧姆接触从而提高开路电压和短路电流。 9 激光刻蚀 用激光切出绝缘沟道可以使电池短路减少电流泄漏。 10 电池片测试 完成的电池片经过测试分档进行归类。
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