选择性发射结电池综述.docx

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选择性发射结电池综述

专科生毕业论文（设计）

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选择性发射结电池综述

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2012年11月4日

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目录2

第一章选择性射结电池相比普通电池的优缺点描述3

1.1概论3

1.2选择性发射极太阳能电池的结构3

1.3选择性发射极太阳能电池的优点：

4

第二章选择性发射结电池的种类5

2.1择性发射极构造的现有方式5

2.2单步扩散法5

2.2.1　在硅片概况平均涂源进行扩散和选择性腐化5

2.2.2　加热源的掩模处置6

2.2.3仅在电极区印刷高浓度磷浆，然后放入扩散炉中进行扩散6

2.2.4　在硅片概况分歧区域沉积分歧浓度的磷硅玻璃6

2.2.5　在埋栅电极太阳电池中形成选择性发射极7

2.3选择性发射极构造的改良方式7

2.3.1　印刷电极时在电极浆猜中掺入高浓度磷浆7

2.3.2　电极栅线状丝网印刷高浓度磷浆后在POCl3氛围中进行扩散7

2.3.3　扩散开端时通入携POCl3气体7

2.3.4扩散停止前通入携POCl3气体7

2.3.5快速扩散与惯例扩散的联合8

第三章选择性发射结电池特点描述8

第四章择性发射结电池的最新进展概述9

结论10

致谢11

第一章选择性射结电池相比普通电池的优缺点描述

1.1概论

“选择性发射极太阳能电池规模化生产技术”是国家“十五”863计划能源技术领域后续能源技术主题创新课题成果。

课题目标是研究开发具有自主知识产权，能用于规模化生产的一种新型高效太阳电池技术——选择性发射极太阳电池技术，提高现有晶体硅太阳电池的光电钻换效率和生产效率

一种晶体硅太阳能电池选择性发射结的制备方法，在硅片表面采用氮化硅作为掩膜进行重扩散和浅扩散，形成重扩散区域和浅扩散区域。

采用本发明有利于提高光生载流子的收集，尤其可以提高短波光生载流子的收集率，所以可以大幅度地提高太阳能电池的开路电压Ｖ↓［ｏｃ］、短路电流Ｉ↓［ｓｃ］和填充因子Ｆ．Ｆ．，从而使电池获得高的光电转换效率，这样的好处正是在太阳能电池不同的区域中形成掺杂浓度高低不同，扩散深浅不同所带来的.

所谓选择性发射极（SE-selectiveemitter）晶体硅太阳能电池，即在金属栅线（电极）与硅片接触部位进行重掺杂，在电极之间位置进行轻掺杂。

这样的结构可降低扩散层复合，由此可提高光线的短波响应，同时减少前金属电极与硅的接触电阻，使得短路电流、开路电压和填充因子都得到较好的改善，从而提高转换效率。

在此，介绍SE的结构和优点，并结合这些turnkey生产线工艺，重点分析几种SE一次扩散法的优缺点并对未来进行展望。

1.2选择性发射极太阳能电池的结构

传统结构电池SE结构电池

传统结构电池盒选择性发射极电池的结构

在太阳能电池的众多参数中，发射极（dopantprofile）是最能影响转换效率的参数之一。

适当提高方块电阻可提高开路电压和短路电流，但是在丝网印刷方式下，Ag电极与低表面掺杂浓度发射极的接触电阻较大，最终会由于填充因子的下降从而引起转换效率降低。

·为了同事兼顾开路电压、短路电流和填充因子的需要，选择性发射极电池是比较理想的选择，即在电极接触部位进行重掺杂，在电极之间位置进行轻掺杂。

传统结构的太阳能电池n+扩散层一般在40-50Ω/sqr，而SE结构的太阳电池的浅扩散方阻一般在80-100Ω/sqr，在电极下的重掺方阻则低于40Ω/sqr。

1.3选择性发射极太阳能电池的优点：

（1）降低串联电阻，提高填充因子

·太阳电池的串联电阻由栅线体电阻、前栅与硅表面的接触电阻、扩散层薄层电阻、硅片体电阻、背电极接触电阻和背场体电阻组成。

其中，在丝网印刷工艺下，前栅接触电阻、体电阻和扩散层薄层电阻对串联电阻贡献最大。

根据金属-半导体接触电阻理论，接触电阻与金属势垒（barrierheight）和表面掺杂浓度（Nd）有关，势垒越低，掺杂浓度越高，接触电阻越小。

（2）减少载流子Auger复合，提高表面钝化效果

·当杂质浓度大于1017cm-3时，Auger复合是半导体中主要的复合机制，而Auger复合速率与杂质浓度的平方成反比关系，所以SE的浅扩散可以有效减少载流子在扩散层横向流动时的Auger，提高载流子收集效率；

·另外，低表面掺杂浓度意味着低表面态密度，这样也可提高钝化效果。

（3）改善光线短波光谱响应，提高短路电流和开路电压

·对于AM1.5G而言，约20%能量的入射光的吸收发生在扩散层内，所以浅扩散可以提高这些短波段太阳光的量子效率，提高短路电流；

同时，由于存在一个横向的（n++-n+）高低结，和传统结构相比，还可提高开路电压。

第二章选择性发射结电池的种类

2.1择性发射极构造的现有方式

1.1双步扩散法

　　此扩散方式分两个步调分辨形成选择性发射极构造的两个分歧区域。

一般在高掺杂深扩散区获得16Ω/□摆布的方块电阻，而在低掺杂浅扩散区获得８０Ω/□摆布的方块电阻。

它可以用多种情势来实现选择性发射极构造，表1给出此中的一种。

用此工艺，联合SiN4/MgF2双层减反射膜已在100cm2多晶硅上实现15.9%的转换效力。

但因为两步扩散法中硅片有两次高温热进程，对硅片的侵害较大而且热耗也很大，从成结的质量和工艺本钱来说，两步扩散法不太幻想。

2.2单步扩散法

扩散法是为了避免双步扩散法的弊病而形成的。

因为其热耗少而且避免了对硅片的二次高温处置而带来的侵害等长处，是以逐渐成为了制造选择性发射极的重要方式。

它的具体操纵情势有多种，此中与快速扩散方式联合，可以进一步下降工艺的热耗，具有很好的贸易化远景。

2.2.1　在硅片概况平均涂源进行扩散和选择性腐化

艺包含两个进程：

1）在硅片概况平均涂源进行扩散，结相对较深；2）丝网印刷前电极，金属化后，非电极区用等离子体腐化很薄的一层，则选择性发射极也就形成了，如图1中的（b）所示。

此方式中等离子体腐化须要相对庞杂和昂贵的装备，腐化进程中也会对电极的接触有影响。

2.2.2　加热源的掩模处置

艺是对加热源进行选择性处置，重要利用于快速扩散体系中，将光源依照选择性发射极的须要进行掩模处置，使得平均地印刷在硅片概况上的杂质在扩散进程中受光和热不平均而造成扩散深浅分歧、浓度高下分歧的区域，从而形成选择性发射极构造。

此方式中，请求掩模在高温扩散的进程中不克不及变形，且操纵也较庞杂。

2.2.3仅在电极区印刷高浓度磷浆，然后放入扩散炉中进行扩散

浓度磷浆如电极栅线状印刷到硅片概况，然后将硅片放入扩散炉中进行扩散（可所以惯例扩散，也可所以快速扩散）。

高浓度磷浆在扩散进程中从印刷区挥发沉积到非印刷区。

因为如许挥发沉积获得磷浓度不如印刷区的高，如许就形成高下浓度的掺杂，获得选择性发射极构造，如图2所示此方式中，对非印刷区的掺杂可能过低，尤其是在短时光（1分钟内）的快速扩散中，高浓度磷浆甚至还来不及挥发沉积，扩散就停止了。

2.2.4　在硅片概况分歧区域沉积分歧浓度的磷硅玻璃

低温常压化学气相沉积的方式[lowtemperature（400℃）atmosphericpressurechemicalvapordeposition，APCVD]并联合掩模,在硅片概况欲印刷电极的处所沉积含磷浓度高的磷硅玻璃（phosphosilicategrass，PSG），而在其他处所沉积含磷浓度低的磷硅玻璃，扩散后就可以在分歧的区域获得分歧的掺杂，形成选择性发射极。

在沉积进程中，以PH3和SiH4为源在Ar和O2中稀释成5%的浓度，经由进程把持PH3和SiH4的流量来转变磷硅玻璃中P2O5的浓度，PSG层的厚度约为500nm摆布。

此方式联合快速扩散，在10cm×10cm面积的Cz-Si硅片上实现了17%～18%的转换效力。

2.2.5　在埋栅电极太阳电池中形成选择性发射极

　　起首利用激光在硅片概况刻槽，在利用丝网印刷或旋涂（spin-on-dopant，SOD）的方式在硅片概况上涂上磷浆，在刻槽中获得磷浆的量比刻槽外面的大，扩散后在刻槽四周就可以形成高掺杂深扩散区，而在其他处所形成低掺杂浅扩散区。

然后在刻槽中制造埋栅电极，如图1中的（c）所示。

利用此方式创（chuàg）造了世界记载的试验室太阳电池转换效力（24.7±0.5%），但本钱昂贵，工艺庞杂，大部门工艺步调处于高温情形。

2.3选择性发射极构造的改良方式

2.3.1　印刷电极时在电极浆猜中掺入高浓度磷浆

硅片概况平均涂源进行扩散，然后在丝网印刷电极时往电极浆猜中掺入高浓度磷浆，如许在烧结电极后便在电极接触区获得高掺杂，形成欧姆接触。

此方式中，烧结电极的时光较短，磷原子并不克不及扩散到硅片的深处，是以高掺杂区的深扩散并不显明。

2.3.2　电极栅线状丝网印刷高浓度磷浆后在POCl3氛围中进行扩散

2.3.3　扩散开端时通入携POCl3气体

浓度磷浆如电极栅线状印刷到硅片概况，然后将硅片放入惯例扩散炉中进行扩散。

高浓度磷浆在扩散进程中从印刷区挥发沉积到非印刷区。

但如前所述，如许挥发沉积获得的磷浓渡过低，为补充其不足，可以在扩散开端时通一小段时光（约2～3分钟）的携POCl3气体。

在这段时光内POCl3会分化出P2O5（其反映方程式是：

5POCl3=3PCl5+P2O5和4PCl5+5O2=2P2O5+10Cl2），并沉积到硅片概况与硅反映，而在硅片概况获得一层很薄的磷原子（其反映方程式是：

2P2O5+5Si=5SiO2+4P）。

当关掉气源后，这些磷原子会进一步往硅片深处扩散，而下降其在硅片概况处的浓度。

因而，扩散停止后会在非印刷区获得相对低的概况杂质浓度和相对浅的扩散结，而在印刷区获得高掺杂深扩散区，形成选择性发射极构造。

2.3.4扩散停止前通入携POCl3气体

片概况如电极栅线状印刷好高浓度磷浆，放进惯例扩散炉中进行扩散。

在扩散进程中，往扩散炉中参加充分的氧气对硅片概况进行氧化，把持好时光，可在非印刷区获得恰当厚度的氧化层，如图3（a）所示。

然后通入携POCl3气体，通入的POCl3会分化出P2O5，并沉积到这一氧化层的概况获得一层很薄的磷硅玻璃。

因为这一氧化层对磷硅玻璃中磷原子往硅片深处的扩散有消弱的感化，持续扩散一段时光后可以在此区域获得比印刷区低的概况杂质浓度，如图3中（b）所示。

扩散停止后用氢氟酸漂洗，去除磷硅玻璃和氧化层便可以形成轻掺杂浅扩散区。

如许，在扩散停止后便获得选择性发射极构造。

2.3.5快速扩散与惯例扩散的联合

片概况电极栅线状印刷高浓度磷浆，放入快速扩散炉中进行扩散，如前所述如许获得的硅片，在不印刷磷浆的处所，浓度是过低的。

为补充其磷浓度的不足，再将硅片放入有POCl3氛围的惯例扩散炉中进行扩散，通一小段时光（2～3分钟）的携源气体，再关掉气源进行扩散，可以在不印刷磷浆的处所形成低掺杂浅扩散区，如许二次扩散后便可以获得选择性发射极。

此方式固然是双步扩散法，有对硅片的二次高温处置。

但因为快速扩散中的扩散时光短，热耗也少。

而在第二次惯例扩散中，要获得低区，是以扩散时光相对于现行的产业化出产太阳电池的扩散时光也要短。

如许总的热耗仍是较小的，仍可以进一步下降工艺的本钱。

而且因为快速扩散可以将杂质和扩散结向硅片内更深的处所推动，是以利用快速扩散的方式很轻易获得高掺杂深扩散区。

第三章选择性发射结电池特点描述

性发射极电池有两个特征：

1在电极栅线下及其附近形成高掺杂深扩散区；

2在其他区域（活性区）形成低掺杂浅扩散区，这样便获得了一个横向高低结。

这种结构有几种常见的形式，在理想的情况下，如果不考虑扩散区域的杂质浓度差异，而认为杂质是均匀分布的，可以用图1中的（a）、（b）、（c）表示。

第四章择性发射结电池的最新进展概述

选择性发射极太阳能电池的概念由来已久。

早在1984年Schroder就全面综述了硅太阳能电池的接触电阻理论，分析了不同金属功函数和硅表面掺杂浓度对接触电阻的影响。

近几年，这种选择性发射极结构得到极大关注，并运用在高效晶体硅太阳能电池的研究中，例如新南威尔士大学研发的效率高达24.7%的PERL电池中，就采用了选择性发射极结构。

SE电池一直没有大规模产业化的原因，主要是工艺比较复杂，生产成本高。

近来随着激光、精准印刷等技术的日益成熟，一些具有产业化前景的SE新工艺开始兴起，例如无锡尚德研发的Pluto电池，平均效率已达18.5%。

国外先进的太阳能电池设备商，如Centrotherm、Schmidt、Roth&Rau等也开发出制造SE电池的turnkey生产线，所承诺的单晶硅电池效率在18%以上

结论

p-n结硅太阳电池中引入选择性发射极构造对进步电池的光电转换效力是有利益的。

实现该构造的方式是良多的。

以现行的实现该构造的方式为基本，可以找到一些改良的方式，从而可以进一步下降实现该构造的本钱和进步成结的质量。

致谢

在本次论文设计过程中，感谢为该论文提供资料和信息的单位和个人以及各环节给予细心指引与教导的老师，使我得以最终完成毕业论文设计。

在学习中,老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模，导师们的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神，将永远激励着我。

这三年中还得到众多老师的关心支持和帮助。

在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！

最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与本人论文答辩的各位老师表示感谢。

赞同

2012.11.3