晶体硅太阳电池工艺技术

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1、晶体硅太阳电池工艺技术无锡尚德太阳能电力有限公司(SUNTECHPOWERCO.LTD.）汪义川2004年9月一、晶体硅太阳电池工艺原则高效化低成本大批量二、表现方式2.1大片化，薄片化，高效化大片化多晶硅片210*210（mm）面积441cm2单晶硅片156*156（mm）面积239.9cm22.2薄片化≥220μ薄片化是把双刃剑，薄片化可以降低成本。但是，碎片率会增加。国际上晶片供应商都是朝220μ方向看齐，薄片化会对第三世界太阳电池生产商而言会形成一道强大技术壁垒。中国有可能在未来156×156（mm

2、）单晶硅片生产上，占有让国际光伏圈内不可小视的一席之地。中国有批量生产8吋单晶炉设备的厂家；各地已有不少厂家在上8吋单晶炉，150×150（mm）晶片已问世。高邮江苏顺大半导体发展有限公司拉的8吋单晶，镇江环太硅科技公司切片；无锡尚德太阳能电力有限公司刚之竣工一条年产25MW，生产单晶硅和多晶硅156×156（mm）、150×150（mm）太阳电池生产线。三、光伏技术的发展晶体硅太阳电池是光伏行业的主导产品，占市场份额的90%，尤其是多晶硅太阳电池的市场份额已远超过单晶硅电池的市场份额，自从六十年代太阳能电

3、池作为能源应用于宇航技术以来，太阳能电池的技术得到非常迅速的发展，单晶硅太阳能电池的转换效率已接近25%，多晶硅太阳能电池的转换效率已接近20%。图1显示了单晶硅太阳能电池转换效率的发展过程，1980年以后的转换效率的世界纪录主要由澳大利亚新南威尔斯大学保持。图1单晶硅太阳能电池转换效率的发展过程3.1实验室高效太阳能电池的研究太阳能电池是一种少数载流子工作器件，当光照射到一个P－型半导体的表面上，光在材料内的吸收产生电子与空穴对。在这种情况下，电子是少数载流子，它的寿命定义为从其产生到其与空穴复合之间所生

4、存的时间。少数载流子在电池内的寿命决定了电池的转换效率。因此要提高电池的转换效率，就必须设法减少少数载流子在电池内的复合，从而增加少数载流子的寿命。影响少数载流子寿命的因素有:1）体内复合；2）表面复合；3）电极区复合。1）体内复合减少晶体硅体内的复合，首先要选用适当的掺杂浓度的衬底材料。一般太阳能电池制造所用的硅片的电阻率在0.5到1cm左右。提高晶体的质量，减少缺陷和杂质，是提高少数载流子寿命的重要手段。吸杂(gettering)工艺能有效的提高材料的质量。钝化(passivation)工艺能有效地减

5、少晶体缺陷对少数载流子寿命的影响。2）表面复合减少表面复合通常采用在硅表面生成一层介质膜如二氧化硅(SiO2)和氮化硅(SiN)。这种介质膜完善了晶体表面的悬挂键，从而达到表面钝化的目的。如果这种介质膜生成在n－型硅的表面，由于在这些介质膜内固有的存在作一些正离子，这些正离子排斥了少数载流子空穴向表面移动。另外一种表面钝化的方法是在电池表面形成高－低结(high-lowjunction)。这种结在表面产生一个电场,从而排斥了少数载流子空穴向表面移动。3）电极区复合减少电极区的复合可采用将电极区的掺杂浓度提高

6、，从而降低少数载流子在电极区的浓度。减少载流子在此区域的复合。基于以上提高电池转换效率的途径，派生了多种高效晶体硅太阳能电池的设计和制造工艺。其中包括PESC电池（发射结钝化太阳电池）和表面刻槽绒面PESC电池；背面点接触电池（前后表面钝化电池）；PERL电池（发射结钝化和背面点接触电池）。由这些电池设计和工艺制造出的电池的转换效率均高于20%，其中保持世界记录（24.7%）的单晶硅和多晶硅电池（19.8%）的转换效率均是由PERL电池实现的。图5显示了由澳大利亚新南威尔斯大学设计和制造的高效晶体硅太阳能电

7、池（PERL）示意图。图5：实验室高效太阳能电池结构示意图实验室高效太阳能电池的结构具有以下特点：1)表面采用了倒金字塔结构进一步减小光在前表面的反射并更有效地将进入硅片的光限制在电池之内；2)硅表面磷掺杂的浓度较低以减少表面的复合和避免表面“死层”的存在；5)前表面电极采用更匹配的金属如钛，钯，银金属组合以进一步减小电极与硅的接触电阻；3)前后表面电极下面局部采用高浓度扩散以减小电极区复合并形成好的欧姆接触；4)前表面电极很窄（只有20微米宽)以及电极条之间的距离变窄使得前表面遮光面积降低到最小并减少n－

8、型区横向导电电阻的损失；7)利用两层减反射膜将前表面反射降到最低。6)电池的前后表面采用SiO2和点接触的方法以减少电池的表面复合；目前这种电池技术是制造实验室高效太阳能电池的主要技术之一，25％的电池就是由此技术制造的。但是，这种电池的制造过程相当烦琐，其中涉及到好几道光刻工艺，所以不是一个低成本的生产工艺，很难将且应用于大规模工业生产。八十年代中期，新南威尔斯大学发明了“激光埋沿式电池制造工艺”，图6描述了这