太阳能电池制程工艺培训资料.docx

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太阳能电池制程工艺培训资料

员

工

培

训

资

料

2008年09月04日初订

第一章太阳能概况

太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。

太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。

通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。

二十世纪50年代，太阳能利用领域出现了两项重大技术突破：

一是1954年美国贝尔实验室研制出6％的实用型单晶硅电池，二是1955年以色列Tabor提出选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层。

这两项技术突破为太阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础。

70年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。

1973年，美国制定了政府级的阳光发电计划，1980年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投入达8亿多美元。

1992年，美国政府颁布了新的光伏发电计划，制定了宏伟的发展目标。

日本在70年代制定了“阳光计划”，1993年将“月光计划”（节能计划）、“环境计划”、“阳光计划”合并成“新阳光计划”。

德国等欧共体国家及一些发展中国家也纷纷制定了相应的发展计划。

90年代以来联合国召开了一系列有各国领导人参加的高峰会议，讨论和制定世界太阳能战略规划、国际太阳能公约，设立国际太阳能基金等，推动全球太阳能和可再生能源的开发利用。

开发利用太阳能和可再生能源成为国际社会的一大主题和共同行动，成为各国制定可持续发展战略的重要内容。

二十多年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。

第二章太阳能电池的发明和未来前景

1．太阳能电池发明

1839年法国物理学家A·E·贝克勒尔意外的发现，两片金属进入溶液构成的伏打电池，受到阳光照射时会产生额外的伏打电势，他把这种现象称为光生伏打效应。

1883年，有人在半导体硒和金属接触处发现了固体光伏效应。

后来就把能够产生光生伏打效应的器件称为光伏器件。

由于半导体PN结器件在阳光下光电转换效率最高，所以通常把这类光伏器件称为太阳能电池，也称太阳电池和光电池。

2．太阳能电池前景

电池行业是２１世纪的朝阳行业，发展前景十分广阔。

在电池行业中，最没有污染、市场空间最大的应该是太阳能电池，太阳能电池的研究与开发越来越受到世界各国的广泛重视。

目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。

70年代初，世界石油危机促进了新能源的开发，开始将太阳电池转向地面应用，技术不断进步，光电转换效率提高，成本大幅度下降。

时至今日，光电转换已展示出广阔的应用前景。

太阳能电池近年也被人们用于生产、生活的许多领域。

从1974年世界上第一架太阳能电池飞机在美国首次试飞成功以来，激起人们对太阳能飞机研究的热潮，太阳能飞机从此飞速地发展起来，只用了六七年时间太阳能飞机从飞行几分钟，航程几公里发展到飞越英吉利海峡。

现在，最先进的太阳能飞机，飞行高度可达2万多米，航程超过4000公里。

另外，太阳能汽车也发展很快。

在建造太阳能电池发电站上，许多国家也取得了较大进展。

1985年，美国阿尔康公司研制的太阳能电池发电站，用108个太阳板，256个光电池模块，年发电能力300万度。

德国1990年建造的小型太阳能电站，光电转换率可达30％多，适于为家庭和团体供电。

1992年美国加州公用局又开始研制一种“革命性的太阳能发电装置”，预计可供加州1／3的用电量。

用太阳能电池发电确实是一种诱人的方式，据专家测算，如果能把撒哈拉沙漠太阳辐射能的1％收集起来，足够全世界的所有能源消耗。

在生产和生活中，太阳能电池已在一些国家得到了广泛应用，在远离输电线路的地方，使用太阳能电池给电器供电是节约能源降低成本的好办法。

芬兰制成了一种用太阳能电池供电的彩色电视机，太阳能电池板就装在住家的房顶上，还配有蓄电池，保证电视机的连续供电，既节省了电能又安全可靠。

日本则侧重把太阳能电池应用于汽车的自动换气装置、空调设备等民用工业。

我国的一些电视差转台也已用太阳能电池为电源，投资省，使用方便，很受欢迎。

当前，太阳能电池的开发应用已逐步走向商业化、产业化；小功率小面积的太阳能电池在一些国家已大批量生产，并得到广泛应用；同时人们正在开发光电转换率高、成本低的太阳能电池；可以预见，太阳能电池很有可能成为替代煤和石油的重要能源之一，在人们的生产、生活中占有越来越重要的位置。

第三章太阳能光伏技术

1．光伏效应

是指当半导体受到光照射时，半导体内部就会产生电流或电动势的现象。

当电池表面受到光照射时，在电池内部产生的光生电子-空穴对，扩散到P-N结并受结电场影响而分开，电子移向N区，空穴移向P区，这样在P区和N区时间产生了光生电动势，当外路连接起来时就有电流通过。

2．光伏电池分类

目前市场太阳能电池分类：

晶体硅光池和非晶硅光电池

晶体硅光电池有单晶硅和多晶硅（包括微晶）电池两大类

非晶体硅光电池有铜铟硒光电池、硫化镉光电池、砷化镓光电池、磷化铟光电池和纳米晶太阳能电池。

分选测试

PECVD

清洗制绒

去磷硅玻璃

烧结

印刷电极

周边刻蚀

检验入库

扩散

3．晶体硅生产一般工艺流程

图（1-1）一般工艺流程

1清洗

清洗的目的：

1去除硅片表面的机械损伤层。

2对硅片的表面进行凹凸面（金字塔绒面）处理,增加光在太阳电池片表面的折射次数,利于太阳电池片对光的吸收,以达到电池片对太阳能价值的最大利用率。

3清除表面硅酸钠、氧化物、油污以及金属离子杂质。

化学清理原理：

HF去除硅片表面氧化层：

HCl去除硅片表面金属杂质：

盐酸具有酸和络合剂的双重作用，氯离子能与溶解片子表面可能沾污的杂质，铝、镁等活泼金属及其它氧化物。

但不能溶解铜、银、金等不活泼的金属以及二氧化硅等难溶物质。

安全提示：

NaOH、HCl、HF都是强腐蚀性的化学药品，其固体颗粒、溶液、蒸汽会伤害到人的皮肤、眼睛、呼吸道，所以操作人员要按照规定穿戴防护服、防护面具、防护眼镜、长袖胶皮手套。

一旦有化学试剂伤害了员工的身体，马上用纯水冲洗30分钟，送医院就医。

2制绒

制绒的目的：

减少光的反射率，提高短路电流（Isc），最终提高电池的光电转换效率。

制绒的原理

利用低浓度碱溶液对晶体硅在不同晶体取向上具有不同腐蚀速率的各向异性腐蚀特性，在硅片表面腐蚀形成角锥体密布的表面形貌，就称为表面织构化。

角锥体四面全是由〈111〉面包围形成。

反应为：

Si+2NaOH+H2O→Na2SiO3+2H2↑

质构化硅表面

通常反射率为30%

反射率可降至12%

平坦的硅表面

图（1-2）制绒后绒面显微图图（1-3）绒面结构可降低反射率

影响绒面的因素：

图表1

1.NaOH浓度

2.无水乙醇或异丙醇浓度

3.制绒槽内硅酸钠的累计量

4.制绒腐蚀的温度

5.制绒腐蚀时间的长短

6.槽体密封程度、乙醇或异丙醇的挥发程度

⑶扩散

扩散的目的：

在p型晶体硅上进行N型扩散，形成PN结，它是半导体器件工作的“心脏”；

扩散方法：

１．三氯氧磷（POCl3）液态源扩散

２．喷涂磷酸水溶液后链式扩散

３．丝网印刷磷浆料后链式扩散

本公司采用第一种方法

POCl3磷扩散原理：

1．

POCl3在高温下（>600℃）分解生成五氯化磷（PCl5）和五氧化二磷（P2O5），其反应式如下：

2．生成的P2O5在扩散温度下与硅反应，生成二氧化硅（SiO2）和磷原子，其反应式如下：

3由上面反应式可以看出，POCl3热分解时，如果没有外来的氧（O2）参与其分解是不充分的，生成的PCl5是不易分解的，并且对硅有腐蚀作用，破坏硅片的表面状态。

但在有外来O2存在的情况下，PCl5会进一步分解成P2O5并放出氯气（Cl2）。

4．生成的P2O5又进一步与硅作用，生成SiO2和磷原子，由此可见，在磷扩散时，为了促使POCl3充分的分解和避免PCl5对硅片表面的腐蚀作用，必须在通氮气的同时通入一定流量的氧气。

5．在有氧气的存在时，POCl3热分解的反应式为：

4POCL3+5O2→2P2O5+6CL2

6．POCl3分解产生的P2O5淀积在硅片表面，P2O5与硅反应生成SiO2和磷原子，并在硅片表面形成一层含P2O5的SIO2（磷硅玻璃），然后磷原子再向硅中进行扩散。

影响扩散的因素：

１．管内气体中杂质源浓度的大小决定着硅片N型区域磷浓度的大小。

2。

表面的杂质源达到一定程度时，将对N型区域的磷浓度改变影响不大。

3．扩散温度和扩散时间对扩散结深影响较大。

4．N型区域磷浓度和扩散结深共同决定着方块电阻的大小。

安全操作：

所有的石英器具都必须轻拿轻放。

源瓶更换的标准操作过程。

依次关闭进气阀门、出气阀门，拔出连接管道，更换源瓶，连接管道，打开出气阀门、进气阀门。

⑷周边刻蚀

周边刻腐目的：

1．去除硅片周边的n层，防止短路。

2．工艺方法有等离子刻蚀和激光划边。

3．我们采用等离子刻蚀机把周边n层刻蚀掉。

刻蚀方法：

等离子刻蚀和湿法刻蚀。

本公司采用等离子刻蚀。

等离子体刻蚀原理：

等离子体刻蚀是采用高频辉光放电反应，使反应气体激活成活性粒子，如原子或游离基，这些活性粒子扩散到需刻蚀的部位，在那里与被刻蚀材料进行反应，形成挥发性生成物而被去除。

它的优势在于快速的刻蚀速率同时可获得良好的物理形貌。

1．母体分子CF4在高能量的电子的碰撞作用下分解成多种中性基团或离子。

2．其次，这些活性粒子由于扩散或者在电场作用下到达SiO2表面，并在表面上发生化学反应。

3．生产过程中，CF4中掺入O2，这样有利于提高Si和SiO2的刻蚀速率。

刻蚀影响因素：

刻蚀时间和射频功率

⑸去磷硅玻璃

去磷硅玻璃目的：

扩散工艺会在在硅片表面形成一层含有磷元素的SiO2，称之为磷硅玻璃（PSG）。

它会阻止光吸收，同时又是绝缘的。

工艺上采用HF酸腐蚀，所以也称为去PSG。

去磷硅玻璃原理：

1．氢氟酸能够溶解二氧化硅是因为氢氟酸能与二氧化硅作用生成易挥发的四氟化硅气体。

SiO2+4HF→SiF4↑+2H2O

2．若氢氟酸过量，反应生成的四氟化硅会进一步与氢氟酸反应生成可溶性的络和物六氟硅酸。

总反应式为：

安全提示：

1。

在配制氢氟酸溶液时，要穿好防护服，戴好防护手套和防毒面具。

2．不得用手直接接触硅片和承载盒。

3．当硅片在1号槽氢氟酸溶液中时，不得打开设备照明，防止硅片被染色。

4．硅片在两个槽中的停留时间不得超过设定时间，防止硅片被氧化。

⑹PECVD镀减反射膜

PECVD=PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition

即“等离子增强型化学气相沉积”，是一种化学气相沉积，其它的有HWCVD，LPCVD，MOCVD等。

PECVD是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。

一次反射R1

SiN

N-Si

n0

二次反射R2

图（1-4）减反射原理

减反射目的：

通过调整薄膜厚度及折射率，使得两次反射产生相消干涉，即光程差为1/2波长，薄膜的厚度应该是1/4波长的光程。

PECVD的种类：

直接式—基片位于一个电极上，直接接触等离子体（低频放电10-500kHz或高频13.56MHz）

间接式—基片不接触激发电极（如2.45GHz微波激发等离子）

图（1-5）直接式的PECVD

图（1-6）间接式的PECVD

PECVD氮化硅膜的钝化技术

氢钝化：

钝化硅体内的悬挂键等缺陷。

在晶体生长中受应力等影响造成缺陷越多的硅材料，氢钝化的效果越好。

氢钝化可采用离子注入或等离子体处理。

在晶体硅太阳电池表面采用PECVD法镀上一层氮化硅减反射膜，由于硅烷分解时产生氢离子，对晶体硅电池可产生氢钝化的效果。

应用PECVDSi3N4可使表面复合速度小于20cm/s。

安全提示：

使用和维护本设备时必须严格遵守操作规程和安全规则，因为：

本设备的工艺气体为SiH4和NH3，二者均有毒，且SiH4易燃易爆。

本设备运行时会产生微波辐射，每次维护后和停机一段时间再开机前都要检测微波是否泄漏。

⑺印刷电极

印刷电极目的：

1．金属接触，收集载流子。

2．背面场，经烧结后形成的铝硅合金，提高转换效率。

3．采用丝网印刷技术。

丝网印刷原理：

丝网印刷是把带有图像或图案的模版被附着在丝网上进行印刷的。

通常丝网由尼龙、聚酯、丝绸或金属网制作而成。

丝网印刷实际上是利用浆料进行印刷制作电极。

电池片丝网印刷的三步骤：

背电极印刷及烘干

浆料：

Ag/Al浆如DupontPV502

背电场印刷及烘干

浆料：

Al浆如广州儒兴RX8204

正面电极印刷及烘干

浆料：

Ag浆如DupontPV149

图（1-7正面电极）图（1-8背面电极）

⑻烧结

烧结目的：

干燥硅片上的浆料，燃尽浆料的有机组分，使浆料和硅片形成良好的欧姆接触。

烧结对电池片的影响：

1．于铝浆烧结，银浆的烧结要重要很多，对电池片电性能影响主要表现在串联电阻和并联电阻，即FF的变化。

2．烧结的目的使浆料中的有机溶剂完全挥发，并形成完好的铝硅合金和铝层。

局部的不均和散热不均可能会导致起包，严重的会起铝珠。

3．背面场经烧结后形成的铝硅合金，铝在硅中是作为P型掺杂，它可以减少金属与硅交接处的少子复合，从而提高开路电压和短路电流，改善对红外线的响应。

安全提示：

1．灼热的表面有烫伤的危险。

2．危险电压有电击或烧伤的危险。

3．有害或刺激性粉尘、气体导致人身伤害。

4．设备运转时打开或移动固定件有卷入的危险。

第四章硅太阳能电池的工作原理及其结构

硅太阳电池的工作原理：

硅原子的外层电子壳层中有4个电子。

受到原子核的束缚比较小，如果得到足够的能量，会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，并同时在原来位置留出一个空穴。

电子带负电；空穴带正电。

在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。

图（1-9）硅原子示意图

在硅晶体中每个原子有4个相邻原子，并和每一个相邻原子共有2个价电子，形成稳定的8原子壳层。

从硅的原子中分离出一个电子需要1.12eV的能量，该能量称为硅的禁带宽度。

被分离出来的电子是自由的传导电子，它能自由移动并传送电流。

图（2-0）硅原子的共价键结构

如果在纯净的硅晶体中掺入少量的5价杂质磷（或砷，锑等），由于磷原子具有5个价电子，所以1个磷原子同相邻的4个硅原子结成共价键时，还多余1个价电子，这个价电子很容易挣脱磷原子核的吸引而变成自由电子。

所以一个掺入5价杂质的4价半导体，就成了电子导电类型的半导体，也称为n型半导体。

在n型半导体中，除了由于掺入杂质而产生大量的自由电子以外，还有由于热激发而产生少量的电子-空穴对。

然而空穴的数目相对于电子的数目是极少的，

所以在n型半导体材料中，空穴数目很少,称为少数载流子;而电子数目很多,称为多数载流子。

图（2-1）n型半导体

同样如果在纯净的硅晶体中掺入3价杂质，如硼（或鋁、镓或铟等），这些3价杂质原子的最外层只有3个价电子，当它与相邻的硅原子形成共价键时，还缺少1个价电子，因而在一个共价键上要出现一个空穴，因此掺入3价杂质的4价半导体，也称为p型半导体。

对于p型半导体，空穴是多数载流子，而电子为少数载流子。

图（2-2）P型半导体

若将p型半导体和n型半导体两者紧密结合，联成一体时，由导电类型相反的两块半导体之间的过渡区域，称为p-n结。

在p-n结两边，由于在p型区内，空穴很多，电子很少；而在n型区内，则电子很多，空穴很少。

由于交界面两边，电子和空穴的浓度不相等，因此会产生多数载流子的扩散运动。

在靠近交界面附近的p区中，空穴要由浓度大的p区向浓度小的n区扩散，并与那里的电子复合，从而使那里出现一批带正电荷的搀入杂质的离子。

同时在p型区内，由于跑掉了一批空穴而呈现带负电荷的搀入杂质的离子。

同样在靠近交界面附近的n区中，电子要由浓度大的n区向浓度小的p区扩散，而电子则由浓度大的n区要向浓度小的p区扩散，并与那里的空穴复合，从而使那里出现一批带负电荷的搀入杂质的离子。

同时在n型区内，由于跑掉了一批电子而呈现带正电荷的搀入杂质的离子。

于是，扩散的结果是在交界面的两边形成一边带正电荷而另一边带负电荷的一层很薄的区域，称为空间电荷区。

这就是p-n结。

在p-n结内，由于两边分别积聚了负电荷和正电荷，会产生一个由正电荷指向负电荷的电场，因此在p-n结内，存在一个由n区指向p区的电场，称为内建电场（或称势垒电场）。

图（2-3）内建电场

太阳电池在光照下，能量大于半导体禁带宽度的光子，使得半导体中原子的价电子受到激发，在p区、空间电荷区和n区都会产生光生电子-空穴对，也称光生载流子。

这样形成的电子-空穴对由于热运动，向各个方向迁移。

光生电子-空穴对在空间电荷区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被推进n区，光生空穴被推进p区。

在空间电荷区边界处总的载流子浓度近似为0。

在n区，光生电子-空穴产生后，光生空穴便向p-n结边界扩散，一旦到达p-n结边界，便立即受到内建电场的作用，在电场力作用下作漂移运动，越过空间电荷区进入p区，而光生电子（多数载流子）则被留在n区。

p区中的光生电子也会向p-n结边界扩散，并在到达p-n结边界后，同样由于受到内建电场的作用而在电场力作用下作漂移运动，进入n区，而光生空穴（多数载流子）则被留在p区。

因此在p-n结两侧形成了正、负电荷的积累，形成与内建电场方向相反的光生电场。

这个电场除了一部分抵消内建电场以外，还使p型层带正电，n型层带负电，因此产生了光生电动势。

这就是“光生伏打效应”（简称光伏）。

如果使太阳电池开路，即负载电阻，RL=∞，则被p-n结分开的全部过剩载流子就会积累在p-n结附近，于是产生了等于开路电压VOC的最大光生电动势。

如果把太阳电池短路，即RL=0，则所有可以到达p-n结的过剩载流子都可以穿过结，并因外电路闭合而产生了最大可能的电流，即短路电流ISC。

图（2-4）太阳能电池结构图

第五章太阳能电池基本参数

1．标准测试条件

光源辐照度：

1000W/m2；

测试温度：

25±20C；

AM1.5地面太阳光谱辐照度分布。

2．太阳电池等效电路

（1）理想太阳电池等效电路：

相当于一个电流为Iph的恒流电源与一只正向二极管并联。

流过二极管的正向电流称为暗电流ID.

流过负载的电流为I

负载两端的电压为V

图（2-5）理想的太阳电池等效电路图（2-6）实际的太阳电池等效电路

（2）实际太阳电池等效电路：

由于漏电流等产生的旁路电阻Rsh

由于体电阻和电极的欧姆电阻产生的串联电阻Rs

在Rsh两端的电压为：

Vj=（V+IRS）

因此流过旁路电阻Rsh的电流为：

ISh=（V+IRS）/Rsh

流过负载的电流：

I=Iph–ID–ISh

暗电流ID是注入电流和复合电流之和，可以简化为单指数形式：

ID=Ioo{exp（qVj/A0kT）-1}

其中：

Ioo为太阳电池在无光照时的饱和电流；

A0为结构因子，它反映了p-n结的结构完整性对性能的影响；

K是玻尔兹曼恒量

因此得出:

这就是光照情况下太阳电池的电流与电压的关系。

画成图形，即为（I-V）特性曲线。

在理想情况下：

Rsh→∞，Rs→0

由此得到：

I=Iph–ID

=Iph–Ioo{exp（qV/A0kT）-1}

在负载短路时，即Vj=0（忽略串联电阻），便得到短路电流，其值恰好与光电流相等

Isc=Iph

因此得出：

I=Iph–ID

=Isc–Ioo{exp（qV/A0kT）-1}

在负载R→∞时,输出电流→0,便得到开路电压Voc其值由下式确定：

3．伏安（I-V）特性曲线

受光照的太阳电池，在一定的温度和辐照度以及不同的外电路负载下，流入负载的电流I和电池端电压V的关系曲线。

图（2-7）不同辐照度下电池的I-V特性曲线

4．开路电压

在一定的温度和辐照度条件下，光伏发电器在空载（开路）情况下的端电压，通常用Voc来表示。

太阳电池的开路电压与电池面积大小无关，通常单晶硅太阳电池的开路电压约为450-600mV，最高可达690mV。

太阳电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成正比。

5．短路电流

在一定的温度和辐照条件下，光伏发电器在端电压为零时的输出电流，通常用Isc来表示。

Isc与太阳电池的面积大小有关，面积越大，Isc越大。

一般1cm2的太阳电池Isc值约为16-30mA。

Isc与入射光的辐照度成正比。

6．最大功率点

在太阳电池的伏安特性曲线上对应最大功率的点，又称最佳工作点。

7．最佳工作电压

太阳电池伏安特性曲线上最大功率点所对应的电压。

通常用Vm表示

8．最佳工作电流

太阳电池伏安特性曲线上最大功率点所对应的电流。

通常用Im表示

9．转换效率

受光照太阳电池的最大功率与入射到该太阳电池上的全部辐射功率的百分比。

η=VmIm/AtPin

其中Vm和Im分别为最大输出功率点的电压和电流，At为太阳电池的总面积，Pin为单位面积太阳入射光的功率。

10．填充因子（曲线因子）

太阳电池的最大功率与开路电压和短路电流乘积之比，通常用FF（或CF）表示：

FF=ImVm/IscVoc

IscVoc是太阳电池的极限输出功率

ImVm是太阳电池的最大输出功率

填充因子是表征太阳电池性能优劣的一个重要参数。

11．电流温度系数

在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变化10C，太阳电池短路电流的变化值，通常用α表示。

对于一般晶体硅电池

α=+0.1%/0C

12．电压温度系数

在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变化10C，太阳电池开路电压的变化值，通常用β表示。

对于一般晶体硅电池

β=-0.38%/0C