太阳能电池基础知识及制造工艺

BasicknowledgeofsolarcellOutline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(ChinaSunergy)、河北晶澳(JingaoSolar)等。多晶硅：天威英利(YingliGreenEnergy)、常州天合(TrinaSolar)、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太阳能电池分类染料敏化太阳能电池（DyeSensitiveSolarCell)有机薄膜太阳能电池（OrganicFilmSolarCell)纳米量子点太阳能电池（NanometerQuantumDotSolarCell)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、Schmid2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□(sheetresistance)，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：diffusioninline管式扩散：diffusionintube扩散设备主要厂家：中国：48所德国：Tempress、Centrotherm、Schmid单面扩散双面扩散管式：48所、Tempress、Centrotherm链式：Schmid3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成了氧化硅(SiO2)，它和磷的氧化物形成磷硅玻璃(PSG:phosphatesilicateglass),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RENA5PECVD镀膜PECVD定义：等离子体增强型化学气相沉积，英文PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition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。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。5PECVD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5PECVD镀膜6印刷烧结目的：通过丝网印刷(screenprinting)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。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(fingergrid)多晶硅硅片印刷烧结后得到的电池(solarcell)示意图6印刷烧结•印刷设备：45所，Baccini，Asys，DEK-J•烧结设备：Despatch，BTU，Centrotherm7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(conversionefficiencyofthesolarcell)：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/PMIVPmIscVmImVoc00IscVoc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/(VocIsc)=ImVm/(VocIsc)，故电池效率还可以表达为：Eff=Pm/MS=FFVocIsc/1000S，S单位为m2。开路电压Voc：opencircuitvoltage短路电流Isc：shortcircuitcurrent填充因子FF：fillingfactor最大功率Pm：maximumpower转换效率Eff：conversionefficiency7测试分选：、、、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(monocrystallinesilicon)太阳能电池：平均效率在16.5%-18%之间多晶硅(multicrystallinesilicon)太阳能电池：平均效率在15%-16.5%之间非晶硅(amorphoussilicon)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