太阳能电池基础知识及制造工艺

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1、Basic knowledge of solar cell Outlinen 太 阳 能 电 池n 太 阳 能 电 池 分 类n 晶 体 硅 电 池 的 工 艺n 电 池 效 率 总 结 太 阳 能 电 池 产 业 链工业硅6N以上高纯多晶硅单晶硅棒多晶硅锭物理化学处理高温熔融单晶硅片多晶硅片 组件系统 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 单 晶 电 池 多 晶 电 池铝 硅 形 成 背 面硅 基 体扩 散 层蓝 色 氮 化 硅绒 面表 面 主 栅 线表 面

2、 细 栅 线 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)：

3、美 国 Nanosolar 太 阳 能 电 池 分 类 染 料 敏 化 太 阳 能 电 池 （ Dye Sensitive Solar Cell)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)未 来电 池目 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 ： 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 工 艺 简

4、 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 POCl 3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

5、 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 (

6、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 ，

7、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

8、： 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

9、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

10、国 ： Tempress、 Centrotherm、 Schmid 单 面 扩 散双 面 扩 散 管 式 ： 48所 、 Tempress、 Centrotherm链 式 ： Schmid 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 边 缘 刻

11、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 。3 周 边 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刻 蚀 分 类 干 法 刻 蚀湿 法 刻 蚀 等 离 子 体 刻 蚀激 光 刻 蚀 4 氢 氟 酸 清 洗目 的 ： 硅 片 在 扩 散 的 过 程 中 表 面 生

12、 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 、

13、 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

14、 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 。 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

15、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 。5 PECVD镀 膜PECVD镀 膜 设 备 国 内 ： 48所国 外 ： 德 国 Roth & Rau (inline)， 德 国 Centrotherm (tube) 单 体 硅 PECVD镀 膜 后 效 果 图 5 PECVD镀 膜 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(mo

16、dule)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 。 银 浆SiNX减 反 膜p-n结 硅 基 片 银 铝 浆 、 铝 浆网版刮刀浆料基板丝网印刷平台丝网印刷过程示意图烧结后电池结构示意图6 印 刷 烧 结 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

17、 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

18、， 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 M I VPmIsc V mIm Voc00 IscVoc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

19、)=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。 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 efficiency7 测 试 分 选： 、 、 、 测 试 分选 设 备 德 国 berger 美 国 spire美 国 GT 芬 兰 endeas

20、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