光伏技术7-8-晶体硅太阳能电池

晶体硅太阳能电池概述生产工艺技术发展历史高效率晶硅电池设计原则1单晶硅电池片单晶硅电池组件1.概述3Sunlight现代单晶硅电池基本结构4单晶硅太阳能电池的主要参数主要参数n型发射极p型基极厚度xn、xp/(um)0.5300掺杂浓度Nd、Na/(cm-3)10191016少子扩散系数Dp、Dn/(cm2/s)240少子寿命τp、τn/s10-65×10-6少子扩散长度LpLn/(um)14140表面复合速度SpSa/(cm/s)1000010000反射率R0.05500nm入射光的吸收系数a/(cm-1)150001000nm入射光的吸收系数a/(cm-1)355单晶硅电池能带示意图图具有背电场的太阳能电池模型62.生产工艺：(1)原料制备22COSiC2SiOHCl3SiHSiHClHSiHClHCl3Si11002323C直拉单晶法，引入B元素切片，化学腐蚀修复机械损伤还原法改良西门子法7研磨与清洁背面pp+结发射极扩散掺杂金属化镀膜光学补偿切片、测试组装、成品2.生产工艺：(2)电池制备双面研磨至晶圆厚度约200µm，NaOH刻蚀注入硼（B），在基极产生p型高掺杂区，用于产生背场和接触区在石英管中进行磷扩散，扩散深度：0.1~0.2μm背面：蒸发镀Al膜；正面：栅结构，Ti/Pd/Ag蒸发镀膜，400℃烧结成型。镀TiO2、Ta2O5或MgF2减反膜切割成型，单体电池性能测试串并联电池单体，得到电池模块83.技术发展历史3.1早期硅太阳电池扩散结太阳电池的结构1954年，第一块单晶硅电池问世，转换效率4.5%，开辟了光伏发电新纪元。一年半后，效率提升至10%。优点：①顶层无电极遮挡②正负电极在背面，易连接缺点：电阻较高93.2传统空间电池60年代初期空间电池结构主要特点：①采用栅线电极②采用氧化硅减反膜③采用p型衬底④抗辐射性能好转换效率10~12%10采用p型衬底的原因电子具有比空穴更大的迁移率和扩散系数！掺杂浓度Na、Nd散射中心P型Sin型Si电子迁移率μn/(cm2s-1V-1）电子扩散系数Dn/(cm2/s)空穴迁移率μp/(cm2S-1V-1)空穴扩散系数Dp/(cm2/s)低Si晶格16004040010高，1019cm-3杂质原子802401表掺杂浓度Na、Nd对Si少子迁移率μn、μp和少子扩散系数Dn、Dp的影响P型Si的电子扩散长度的定义为nnnDL113.3紫电池浅结紫电池主要特点：①采用浅扩散结（0.25μm）②采用TiO2或Ta2O5减反膜③采用低电阻p型衬底，抗辐射性能好④采用了背电场技术转换效率比空间电池提高30%，约为16%。12深扩散结导致表面“死层”的形成“死层”出现在结表面区域，只吸收入射光，不能产生载流子。浅扩散结减少或避免了死层的出现。扩散温度1000℃，随不同扩散时间，实测硅表面磷被活化的深度分布死层13背电场技术背表面电极附近能带示意图背电场作用：①p-p+结对少子起到势垒作用，减小表面复合速度Sn②增加内建电压和开路电压143.4黑体电池化学制绒后零反射的“黑体”电池主要特点：①电池正表面采用制绒技术，降低反射率，增加光吸收。②提高了电池的长波响应。转换效率约为17%15黑体电池优点：•增加光被电池吸收的机会•延长光在电池内的传播路径•捕获更多长波入射光当(100)晶面的硅片经过选择性腐蚀后，显露出来(111)晶面所形成的金字塔示意图(a)和反射光和折射光的光路示意图(b)制作方法：利用晶面的选择性腐蚀，在(100)晶向的硅衬底上将(111)面露出来，在电池表面随机形成等边类金字塔形。16黑体电池的表面限光结构倒金字塔和背面反射的相互结合形成了有效的限光结构17传统电池、紫电池与黑体电池的性能比较183.5钝化技术（Passivation)钝化技术表面钝化电极区钝化重掺杂，形成背电场减小电极区域金属-绝缘体-半导体(MIS)接触模式19表面钝化方法热氧氧化SiO2PECVD法SiNx钝化非晶硅a-Si:H钝化20顶部表面钝化太阳电池1顶部表面钝化技术和电极区域钝化技术的采用，使晶硅电池效率突破18%。图.金属-绝缘体-np结（MINP）太阳电池21顶部表面钝化太阳电池2PESC：passivatedemittersolarcell,钝化发射极电池该电池（带表面制绒）的转换效率突破20%。图.PESC示意图图.第一个转换效率达20%的“微槽”PESC电池结构22双面钝化电池双面钝化钝化发射极背面局域扩散（PassivatedEmitterRearLocallydiffused,PERL）太阳电池效率突破24%！图.20世纪90年代早期报道的24%转换效率的PERL太阳电池23PERL高效率太阳电池的特点：前表面的受光表面钝化为氧化层前表面制备倒金字塔结构的绒面背面点接触减小了金属电极和p型基极的界面，并用氧化层取代肖特基接触，减小了表面复合n型发射极的浓磷扩散形成了n+型接触，p型基极的浓硼扩散形成p+型接触243.6三种产业化的高效率太阳能电池（1）掩埋栅太阳能电池丝网印刷电池•金属栅线导电性好•表面氧化层钝化和电极重掺杂钝化•电极遮光面积显著减少改进之处：图.典型的晶体硅丝网印刷电池的结构示意图25（2）高效背面点接触电池•局部的背面接触•前表面无栅线•双面钝化和背面金属化关键设计点：图.背面点接触电池26（3）HIT太阳能电池结构特点：①“三明治”结构②p型或n型a-Si和n型c-Si之间夹有一层极薄的本征a-Si层优点：•对c-Si表面出色的钝化效果•低温工艺和对称结构•优良的温度系数HIT：HeterojunctionwithIntrinsicThinlayer27本征a-Si的钝化效果图.HIT电池（a）和pn异质结电池（b）的暗态I-V曲线比较28生产工艺29304.电池设计的优化4.1优化的原则提高晶硅电池效率增加光吸收减小表面复合减小串联电阻314.1.1光吸收的优化1•受光面制成绒面结构2•受光面镀减反膜3•激光刻槽埋栅结构，较小遮光面积4•背面全部镀上金属电极324.1.2表面复合的优化1•背表面场2•钝化发射极3•背面点接触图.背面点接触图.背表面场对电子有势垒的作用，降低表面复合速度Sn334.1.3串联电阻的优化1.金属电极区域附近的重掺杂•无2.激光刻槽埋栅电极结构•无34图.激光刻槽埋栅结构4.2小结：高效晶硅太阳电池设计原则优化光吸收：减反膜、金字塔绒面、激光刻槽埋栅、表面限光技术等优化载流子分离：控制掺杂浓度Nd和Na、背电场、表面钝化、背面点接触电极等技术优化载流子的输运：适当的掺杂浓度Nd和Na、激光刻槽埋栅、背面点接触、电极区域重掺杂等技术35多晶硅太阳电池引言多晶硅电池材料与器件特点制备工艺小结361.引言多晶硅电池片多晶硅电池组件多晶电池外观特点：①表面看上去有“冰花状”花纹。②电池片是正方形,无倒角。372.1多晶硅电池材料的特点图.多晶硅铸造模块：左：微晶颗粒随机排列右：微晶颗粒柱状排列，并且具有n+p结★晶界处的载流子复合率远高于其内部，柱状晶粒沿np结面垂直排列有利于减小复合。382.1.1具有柱状晶粒多晶硅的制备方法392.1.2多晶硅中的晶界模型p型多晶硅中微晶体的物理模型晶界是一种面缺陷，晶界处存在大量非饱和的原子键，即“悬挂键”。该缺陷在硅的禁带中产生额外能级。由于缺陷数量非常多，禁带中缺陷能级准连续分布。减小晶界中缺陷有效方法：氢钝化40(a)P型多晶硅晶界的能带模型(b)耗尽区晶界区内的载流子分布2.1.3多晶硅晶界的能带模型P型多晶硅晶界中的缺陷相当于在禁带中引入施主能级412.1.4多晶硅太阳电池器件模型★柱状多晶硅np太阳电池可以用多个硅微晶体（晶粒）并联而成的电路来描述。423.1.多晶硅生产工艺22COSiC2SiOHCl3SiHSiHClHSiHClHCl3Si11002323C定向凝固法，引入B元素切片，化学腐蚀修复机械损伤还原法改良西门子法43切割与清洗发射极扩散掺杂晶界钝化光学补偿覆层金属化测试与筛选模块组装3.2多晶硅电池的制备工艺原料：柱状多晶硅锭晶界钝化工艺：将硅片置于氢等离子氛围中，T=300℃下进行处理1小时。通过该工艺可以使高活性氢原子扩散到晶界中，与悬挂键结合形成稳定共价键，从而降低晶界复合率。44小结：1.多晶硅太阳电池的转换效率略低于单晶硅太阳电池。目前多晶硅电池最高转换效率为20.4%，略低于单晶硅电池的25%,但其制备成本远低于单晶硅电池。2.为减小晶界复合，一般采用定向柱状大晶粒多晶硅制备n+p结多晶硅电池。3.与单晶硅电池相比，晶界钝化是多晶硅光伏电池制备工艺的重要环节。45