第6章-薄膜太阳电池制造技术

第6章薄膜太阳电池制造技术6.1硅基薄膜材料及其制备6.2非晶硅薄膜太阳电池制造工艺6.3非晶硅/微晶硅薄膜太阳电池制造工艺6.4碲化镉薄膜太阳电池制造工艺6.5铜铟镓硒薄膜太阳电池制造工艺一、硅基薄膜的物性及分类硅基薄膜就是在衬底上沉积硅元素制成的硅薄膜材料。通常硅基薄膜太阳电池分为非晶硅、微晶硅、多晶硅和单晶硅薄膜电池。•非晶硅中硅原子呈现无序排列，相应的薄膜中存在悬挂键。•微晶硅中纳米量级的硅晶粒(小于1μm)镶嵌在非晶硅中，晶粒边界处的原子呈无序态。•多晶硅主要由大晶粒(1μm—1mm)构成，并且没有非晶相存在。•单晶硅具有完整的晶体结构，是理想的半导体材料，但其制备成本也最高。6.1硅基薄膜材料及其制备单晶硅、多晶硅、非晶硅结构示意图硅基薄膜的制备方法物理气相沉积（PVD）化学气相沉积（CVD）磁控溅射（MS）分子束外延（MBE）等离子体增强化学气相沉积（PECVD）热丝化学气相沉积（HWCVD）射频等离子体增强化学气相沉积（RF-PECVD）二、硅基薄膜的制备方法在硅基薄膜的各种直接制备法中，通过调节制备过程中的关键参数，可以制备出非晶硅和多晶硅基薄膜。多晶薄膜也可以通过非晶薄膜再结晶方法。固相晶化法，激光诱导退火，金属诱导晶化。三、多晶硅基薄膜的间接制备法6.2非晶硅薄膜太阳电池制造工艺随着技术的进步，目前主流的非晶硅薄膜电池使用寿命已在10年以上。这使得非晶硅薄膜电池成为目前最被看好的薄膜电池技术之一。1.非晶硅薄膜制备技术及其太阳电池结构2.非晶硅太阳电池制造工艺3.非晶硅太阳电池的封装工艺4.了解非晶硅薄膜太阳电池的光致衰减效应一、非晶硅薄膜的制备由非晶态合金的制备知道，要获得非晶态，需要有高的冷却速率，而对冷却速率的具体要求随材料而定。硅要求有极高的冷却速率，用液态快速淬火的方法目前还无法得到非晶态。气相淀积非晶硅薄膜的技术•真空蒸发•辉光放电•反应溅射•化学气相淀积等•一般所用的主要原料是单硅烷（SiH4）、二硅烷（Si2H6）、四氟化硅（SiF4）等，纯度要求很高。非晶硅膜的结构和性质与制备工艺的关系非常密切，目前认为以辉光放电法制备的非晶硅膜质量最好，设备也并不复杂。1.主要原料2.非晶硅太阳能电池构造•非晶硅(a-Si)太阳电池是在玻璃衬底上沉积透明导电膜(TCO)，然后依次用等离子体反应沉积p型、i型、n型三层a-Si，接着再蒸镀金属电极铝(Al)。•光从玻璃面入射，电池电流从透明导电膜和铝引出，其结构可表示为glass/TCO/pin/Al，还可以用不锈钢片、塑料等作衬底制备非晶硅柔性太阳电池。玻璃TCOi层a-Si:Hn型a-Si:H氧化锌或二氧化锡铝或银P型a-Si：H-+-+透明导电膜p型a-Si:H绒面TCO透光导电减反射电池载体非晶硅太阳能电池结构图•由于a-Si(非晶硅)多缺陷的特点，a-Si的p-n结是不稳定的，而且光照时光电导不明显，几乎没有有效的电荷收集。所以，a-Si太阳能电池基本结构不是p-n结而是p-i-n结。•掺硼形成P区，掺磷形成n区，i为非杂质或轻掺杂的本征层(因为非掺杂的a-Si是弱n型)。重掺杂的p、n区在电池内部形成内建电场，以收集电荷。同时两者可与导电电极形成欧姆接触，为外部提供电功率。i区是光敏区，此区中光生电子、空穴是光伏电力的源泉。3.p-i-n结•非晶硅薄膜太阳电池的生产线主要包括如下设备：导电玻璃磨边设备，导电玻璃清洗设备，大型非晶硅薄膜PECVD生产设备（包括辅助设备），红外激光、绿激光刻划设备，大型磁控溅射生产设备，组件测试设备。4.主要生产设备•采用硅烷等离子体分解法，将硅烷（掺杂少量的乙硼烷或磷化氢等气体）在导电玻璃上低温成膜，通过磁控溅射制作铝电极连接背电极。最后，用防护玻璃罩密封EVA箔形成太阳能电池组件。二、非晶硅薄膜太阳电池制造工艺透明导电膜（FTO)玻璃磨边清洗背玻璃磨孔清洗红外激光TCO刻槽磁控溅射PVD镀AZO-铝背电极膜系绿激光背电极刻槽绿激光非晶硅膜系刻槽PECVD非晶硅膜系沉积超声焊接铝箔汇流带测试-电法修复-退火封装-安装端子盒-成品测试分拣1.导电玻璃清洗：将外购的标准透明导电玻璃板和玻璃背板放入专用清洗机进行自动清洗。清洗液为电阻率10MΩ以上的去离子纯水。2.导电玻璃划线：根据生产线预定的线距，用专用激光划线机对透明导电玻璃板进行激光划线（刻蚀），将透明导电玻璃板上的透明导电层划线分割，目的是将整板分为若干块，作为若干个单体电池的电极。3.PECVD：将清洗洁净的SnO2透明导电玻璃装入“沉积夹具”，推入烘炉进行预热。预热后将其转移入PECVD沉积炉，进行pin/pin沉积。4.绿激光刻划a-Si膜：根据生产预定的线宽以及与SnO2切割线的线间距，用绿激光将a-Si膜刻划穿，目的是让背电极（金属铝）通过与前电极（SnO2导电膜）相联接，实现整板由若干个单体电池内部串联而成。工艺流程简述4.溅射镀铝：镀铝的目的是形成电池的背电极，以增加太阳能电池对光的吸收。在真空反应室中放镀膜所需的金属构成的靶材，并将靶材接地；然后将氩气充入反应室内，电离成电荷。带正电荷的氩离子被不带电的靶材吸引，加速冲向靶。在加速过程中这些离子受到引力作用，获得动量，轰击靶材。这样一来，靶材中的原子或分子就会散布在反应室中，其中一部分渐渐地停落在产品表面。6.绿激光刻铝：根据预定的线宽以及与a-Si切割线的线间距，用绿激光将铝膜刻划成相互独立的部分，目的是将整个铝膜分成若干个单体电池的背电极，进而实现整板若干个电池的内部串联。7.IV测试：通过上述各道工序，非晶硅电池芯板已形成，需进行IV测试，以获得电池板的各个性能参数，来判断某道工序是否出现问题，便于提高电池的质量。•薄膜非晶硅电池的封装方法多种多样，如何选择，是要根据其使用的区域，场合和具体要求而确定。不同的封装方法，其封装材料、制造工艺是不同的，相应的制造成本和售价也不同。三、非晶硅薄膜太阳电池封装工艺1、电池/UV光固胶适用：电池芯板储存制造工艺流程：电池芯板→覆涂UV胶→紫外光固→分类储存2、电池/PVC膜适用：小型太阳能应用产品，且应用产品上有对太阳能电池板进行密封保护，如风帽、收音机、草坪灯、庭院灯、工艺品、小型电源等制造工艺流程：电池芯板→贴PVC膜→切割→边缘处理→焊线→焊点保护→检测→包装注：边缘处理目的是防止短路，处理的方法有化学腐蚀法、激光刻划等。3、组件封装（1）电池/PVC膜适用：一般太阳能应用产品，如应急灯，要求不高的小型户用电源等制造工艺流程：电池芯板（或芯板切割→边缘处理）→贴PVC膜→焊线→焊点保护→检测→装边框（电池四周加套防震橡胶）→装插座→检测→包装该方法制造的组件特点：制造工艺简单、成本低，但防水性、防腐性、可靠性差。（2）电池/EVA/PET（或TPT）适用：一般太阳能应用产品，如应急灯，户用发电系统等制造工艺流程：电池芯板（或芯板切割→边缘处理）→焊涂锡带→检测→EVA/PET层压→检测→装边框（边框四周注电子硅胶）→装接线盒（或装插头）→连接线夹→检测→包装该方法制造的组件特点：防水性、防腐性、可靠性好，成本高。（3）电池/EVA/普通玻璃适用：发电系统等制造工艺流程：电池芯板→电池四周喷砂或激光处理（10mm）→超声焊接→检测→层压（电池/EVA/经钻孔的普通玻璃）→装边框（或不装框）→装接线盒→连接线夹→检测→包装该方法制造的组件特点：防水性、防腐性、可靠性好，成本高。Staebler-Wronski效应•1977年，D.L.Staebler和C.R.Wronski发现非晶硅样品在经过长时间光照后，其光电导和暗电导都显著减小，将照样品放在150度下退火30分钟，再冷却到室温，样品又恢复原来状态。这一现象被称为Staebler-Wronski效应，简称S-W效应。研究表明在光照后非晶硅中缺陷密度明显增加。四、效率及性能•尽管非晶硅是一种很好的太阳能电池材料，但由于其光学带隙为1.7eV，使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。•光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退S-W效应，使得电池性能不稳定。•解决问题的途径：制备叠层太阳能电池，即在制备的p-i-n单结太阳能电池上再沉积一个或多个p-i-n子电池制得。性能限制•近年来，非晶硅薄膜太阳电池逐渐从各种类型的太阳电池中脱颖而出，在全球范围内掀起了一股投资热潮。大尺寸玻璃基板薄膜太阳电池投入市场，必将极大地加速光伏建筑一体化、屋顶并网发电系统以及光伏电站等的推广和普及。•非晶硅薄膜电池在高气温条件下衰减微弱，所以也适合高温、荒漠地区建设电站。应用保定天威薄膜光伏有限公司非晶硅薄膜组件五、产品实例6.3非晶硅/微晶硅薄膜太阳电池制造工艺•由于非晶硅具有光致衰减效应（S-W效应）等缺点，故新一代的硅基薄膜太阳电池技术通常使用双结或多结叠层技术，堆叠其它具有较高光吸收系数的光吸收层，以减少光能损耗并提高电池转换效率。国内以正泰太阳能的薄膜非晶硅/微晶硅叠层电池为代表,即以非晶硅为顶电池,以微晶硅为底电池的叠层电池,是目前获得高效率高稳定性硅基薄膜太阳电池的最佳途径。1.非晶硅/微晶硅薄膜太阳电池结构2.非晶硅/微晶硅太阳电池制造工艺微晶硅材料是微晶粒、晶粒间界和非晶相共存的混合相材料,一般都存在微空洞,其带隙随着晶相比的不同,由1.2eV到1.7eV连续可调,而且几乎没有光致衰退效应。薄膜非晶硅/微晶硅叠层电池,即以非晶硅为顶电池,以微晶硅为底电池的叠层电池,是目前获得高效率高稳定性硅基薄膜太阳电池的最佳途径。叠层电池的非晶硅子电池的本征吸收层较原来的单结电池的吸收层薄,可以抑制光致衰减效应,大大提高电池的稳定性;以微晶硅为底电池可以将硅基薄膜太阳电池的红光响应边由非晶硅电池的700nm扩展到微晶电池的1100nm,大大提高电池对太阳光的光谱收集范围。因此，薄膜非晶硅/微晶硅叠层电池,是目前国内外研究和制造的热点方向。一、非晶硅/微晶硅薄膜太阳电池概况二、非晶硅/微晶硅薄膜太阳电池结构正泰太阳能公司“非晶/微晶”高效薄膜太阳能电池内部结构示意图玻璃透明电极非晶硅p-i-n微晶硅p-i-n背电极背接触背反射PVB玻璃第1步：衬底玻璃第3步：激光刻划1第4步：a-Si沉积第2步：前接触第5步：μc-Si沉积第6步：激光刻划2三、非晶硅/微晶硅薄膜太阳电池制造工艺第8步：激光刻划3第10步：产生电流第9步：P&N接触第7步：背接触非晶硅/微晶硅叠层电池的主要制备步骤：1、沉积透明导电膜（ITO、AZO或FTO）在玻璃衬底上，使用激光光刻机对透明导电膜进行光刻分块，形成大规模集成的前电极块与块之间相互绝缘的隔离沟槽；2、采用PECVD或VHF-PECVD来沉积顶电池，沉积压力为50-1000Pa，衬底温度为150-250℃，在透明导电膜上依次沉积p型非晶硅掺杂层、i本征非晶硅层和n型非晶硅掺杂层，制备出顶电池；3、预热已沉积的器件，温度为180℃-250℃，沉积压力为130-1000Pa，在真空室中用PECVD或VHF-PECVD法，在中间透明反射层背面沉积微晶硅薄膜底电池；工艺简述4、使用激光光刻机穿透顶电池和底电池各膜层，形成一条与穿透厚度相同的隔离沟道；5、使用磁控溅射在底电池的N层上沉积一层透明导电膜；6、采用磁控溅射或真空蒸发，在底电池的透明导电膜上沉积金属铝膜作为背电极；7、使用激光刻透玻璃衬底上除前电极外所有的膜层，形成一条与穿透厚度相同的隔离沟道，该隔离沟道将各电池单元分割，制成串联电池组件正泰太阳能非晶硅/微晶硅薄膜光伏组件四、产品实例6.4碲化镉薄膜太阳电池制造工艺•碲化镉薄膜太阳能电池在工业规模上成本大大优于晶体硅和其他材料的太阳能电池技术，并且与太阳的光谱最一致，可吸收95%以上的阳光。工艺相对简单，标准工艺，低能耗，无污染，生命周期结束后，可回收，强弱光均可发电，温度越高表现越好。1.碲化镉的性质及晶体结构2.碲化镉太阳电池概况3.碲化镉太阳电池结构及制造工艺4.碲化镉太阳电池可持续发展的可能•C