多晶硅太陽能電池第1頁/共62頁主要介紹方面太陽能電池背景及歷史多晶硅的定義多晶硅太陽能電池原理多晶硅太陽能電池工藝實現多晶硅太陽能電池應用及未來展望多晶硅太陽能電池第2頁/共62頁太陽能對于人類來講，太陽能取之不盡，用之不竭，無污染。每秒輻射到陸地表面的能量相當于全球1年內消耗總能量的3.5萬倍；其中植物吸收的占0.015%，轉化為燃料的不到0.002%。第3頁/共62頁太陽能發電具有許多優點：1、安全可靠，無噪音，無污染；2、能量隨處可得，無需消耗燃料；3、無機械轉動部件，維護簡便，使用壽命長；4、建設周期短，規模大小隨意；5、可以無人值守，也無需架設輸電線路，還可方便與建筑物相結合。第4頁/共62頁1.單晶硅太陽能電池組件2.多晶硅太陽能電池組件3.剛性襯底薄膜太陽能電池組件4.柔性薄膜太陽能電池組件非晶硅薄膜碲化鎘薄膜太陽能電池的分類單結晶硅太陽電池

SINGLECRYSTAL多結晶硅太陽電池

POLYCRYSTAL非結晶硅太陽電池

AMORPHOUS第5頁/共62頁多晶硅:是單質硅的一種形態。熔融的單質硅在過冷條件下凝固時，硅原子以金剛石晶格形態排列成許多晶核，如這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，則這些晶粒結合起來，就結晶多晶硅定義：第6頁/共62頁當熔融的單質硅凝固時,硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶面取向相同的晶粒，則形成單晶硅。如果這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，則形成多晶硅單晶硅和多晶硅的區別第7頁/共62頁多晶硅太陽能電池科技名詞定義中文名稱：多晶硅太陽能電池英文名稱：polycrystallinesiliconsolarcell定義：以多晶硅為基體材料的太陽能電池第8頁/共62頁無機太陽能電池研究進展表1無機太陽能電池的性能及應用第9頁/共62頁多晶硅太陽能電池的發展前景2001-2006年全球太陽能電池產量從386MW增至2500.3MW，增長了5.48倍，年均增長45%左右，成為一個快速發展的新興行業。2004年開始的全球太陽能熱潮使得太陽能電池生產線的建設如火如荼。2007年全球光伏裝機總量達到2300MW，年增速超過40%，未來幾年增長勢頭則更加迅猛第10頁/共62頁據推算，至2010年，全球光伏發電并網裝機容量將達到15GW，未來數年光伏行業的復合增長率將高達30％以上；至2030年，全球光伏發電裝機容量將達到300GW（屆時整個產業的產值有可能突破3000億美元）；至2040年，光伏發電將達到全球發電總量的15%-20%。第11頁/共62頁

2002-2010年全球及中國太陽能級多晶硅需求量統計第12頁/共62頁下面我們將就多晶硅太陽能電池從以下幾個方面展開介紹1.多晶硅太陽能發展的歷史2.多晶硅電池的工作原理3.多晶硅太陽能電池的制造方法及工藝4.多晶硅太陽能電池應用第13頁/共62頁多晶硅太陽能電池1955年美國貝爾實驗室研制成功第一個實用的硅太陽電池,并于其后不久正式用于人造衛星。1960年硅太陽電池發電首次并入常規電網80年代初，太陽電池開始規模化生產第14頁/共62頁我國1958年開始太陽電池的研究,1971年成功地首次應用于我國發射的第二顆衛星,1973年開始地面應用。我國多晶硅始于1964年，但是技術水平低、規模小、產品單耗高、生產成本高。2005年之前，我國年產多晶硅還不到世界年總產量的0.5%。2005年，國內第一個300噸多晶硅生產項目建成投產，從而拉開了中國多晶硅大發展的序幕。第15頁/共62頁成本：多晶硅太陽能電池由于所使用的硅量遠較單晶硅少，又無效率衰減問題，可做成薄膜，在廉價基底上制備，其成本遠低于單晶硅電池。效率：實驗室轉換效率已達18%，遠高于除單晶硅之外的其它非晶硅薄膜電池的光電轉換效率。因此，多晶硅電池被認為是新型高效、低成本（較單晶硅電池）的太陽能電池。多晶硅太陽能電池在現有的太陽能電池中占據一半以上的產量，是光伏產業的主要產品。多晶硅太陽能電池與其他太陽能電池的比較第16頁/共62頁從工業化發展來看，重心已由單晶向多晶方向發展，主要原因為；[1]可供應太陽電池的頭尾料愈來愈少；[2]對太陽電池來講，方形基片更合算，通過澆鑄法和直接凝固法所獲得的多晶硅可直接獲得方形材料；[3]多晶硅的生產工藝不斷取得進展，全自動澆鑄爐每生產周期（50小時）可生產200公斤以上的硅錠，晶粒的尺寸達到厘米級；[4]由于近十年單晶硅工藝的研究與發展很快，其中工藝也被應用于多晶硅電池的生產單晶硅到多晶硅的發展第17頁/共62頁

多晶硅太陽能電池工作原理第18頁/共62頁太陽光譜圖太陽能電池的發電原理是基于光伏效應(PhotovoltaicEffect)由太陽光與材料相互作用而產生電勢。UVVisibleInfrared48%第19頁/共62頁多晶硅太陽能電池工作原理：太陽能電池芯片是具有光電效應的半導體器件，半導體的PN結被光照后產生電流，當光直射太陽能電池芯片，其中一部分被反射，一部分被吸收。一部分透過電池芯片、被吸收的光激發被束縛的高能級狀態下的電子，使之成為自由電子，這些自由電子在晶體內向各方向移動，余下空穴（電子以前的位置）。空穴也圍繞晶體飄移，自由電子（－）在N結聚集，空穴（＋）在P結聚集，當外部環路被閉合，電流產生。第20頁/共62頁太陽電池等效電路第21頁/共62頁多晶硅太陽能電池的制造方法第22頁/共62頁1、關于光的吸收2、金屬化技術3、PN結的形成技術4、表面和體鈍化技術提高電池效率方法改進方向第23頁/共62頁對于光吸收主要是：（1）降低表面反射；（2）改變光在電池體內的路徑；（3）采用背面反射。1、關于光的吸收第24頁/共62頁對于單晶硅，采用堿溶液各向異性化學腐蝕的方法可在（100）表面制作金字塔狀的絨面結構，降低表面光反射。但多晶硅晶向偏離（100）面，采用上面的方法無法作出均勻的絨面，目前采用下列方法:1.1多晶硅絨面技術第25頁/共62頁（1）激光刻槽用激光刻槽的方法可在多晶硅表面制作倒金字塔結構，在500～900nm光譜范圍內，反射率為4～6％，與表面制作雙層減反射膜相當，而在（100）面單晶硅化學制作絨面的反射率為11％。用激光制作絨面比在光滑面鍍雙層減反射膜層（ZnS/MgF2）電池的短路電流要提高4％左右，這主要是長波光（波長大于800nm）斜射進入電池的原因。激光制作絨面存在的問題是在刻蝕中，表面造成損傷同時引入一些雜質，要通過化學處理去除表面損傷層。該方法所作的太陽電池通常短路電流較高，但開路電壓不太高，主要原因是電池表面積增加，引起復合電流提高。第26頁/共62頁激光刻槽微觀圖第27頁/共62頁（2）化學刻槽應用掩膜（Si3N4或SiO2）各向同性腐蝕，腐蝕液可為酸性腐蝕液，也可為濃度較高的氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液，該方法無法形成各向異性腐蝕所形成的那種尖錐狀結構。據報道，該方法所形成的絨面對700～1030微米光譜范圍有明顯的減反射作用。但掩膜層一般要在較高的溫度下形成，引起多晶硅材料性能下降，特別對質量較低的多晶材料，少子壽命縮短。應用該工藝在225cm2的多晶硅上所作電池的轉換效率達到16.4%。掩膜層也可用絲網印刷的方法形成。第28頁/共62頁而各向同性酸腐蝕技術可以比較容易地整合到當前的太陽電池處理工序中，應用起來基本上是成本最低的，在大規模工業化生產中,各向同性酸腐蝕是目前廣泛應用的多晶硅太陽電池絨面技術。（3）各向同性酸腐蝕技術第29頁/共62頁（4）反應離子腐蝕（RIE）

該方法為一種無掩膜腐蝕工藝，所形成的絨面反射率特別低，在450～1000微米光譜范圍的反射率可小于2％。僅從光學的角度來看，是一種理想的方法，但存在的問題是硅表面損傷嚴重，電池的開路電壓和填充因子出現下降。第30頁/共62頁31硅片表面絨面受光面積（絨面金字塔形的理解計算）

金字塔形角錐體的表面積S0等于四個邊長為a正三角形S之和

由此可見有絨面的受光面積比光面提高了倍即1.732倍。第31頁/共62頁32

硅片表面絨面反射率：

當一束強度為E0的光投射到圖中的A點，產生反射光Φ1和進入硅中的折射光Φ2。反射光Φ1可以繼續投射到另一方錐的B點，產生二次反射光Φ3和進入半導體的折射光Φ4；而對光面電池就不產生這第二次的入射。經計算可知還有11%的二次反射光可能進行第三次反射和折射，由此可算得絨面的反射率為9.04%。第32頁/共62頁1.2制作減反射膜層對于高效太陽電池，最常用和最有效的方法是蒸鍍ZnS/MgF2雙層減反射膜，其最佳厚度取決于下面氧化層的厚度和電池表面的特征，例如，表面是光滑面還是絨面，減反射工藝也有蒸鍍Ta2O5,PECVD沉積Si3N3等，ZnO導電膜也可作為減反材料。第33頁/共62頁在高效電池的制作中，金屬化電極必須與電池的設計參數，如表面摻雜濃度、PN結深，金屬材料相匹配。實驗室電池一般面積比較小（面積小于4cm2），所以需要細金屬柵線（小于10微米），一般采用的方法為光刻、電子束蒸發、電子鍍。工業化大生產中也使用電鍍工藝，但蒸發和光刻結合使用時，不屬于低成本工藝技術。2、金屬化技術第34頁/共62頁[1]發射區形成和磷吸雜對于高效太陽能電池，發射區的形成一般采用選擇擴散，擴散的方法有兩步擴散工藝、擴散加腐蝕工藝和掩埋擴散工藝，目前采用選擇擴散，150mm×150mm電池轉換效率達到16.4%。

對于Mc-Si材料，擴磷吸雜對電池的影響得到廣泛的研究，較長時間的磷吸雜過程（一般3～4小時），可使一些Mc-Si的少子擴散長度提高兩個數量級。在對襯底濃度對吸雜效應的研究中發現，即便對高濃度的襯第材料，經吸雜也能夠獲得較大的少子擴散長度（大于200微米），電池的開路電壓大于638mv,轉換效率超過17％。3、PN結的形成技術第35頁/共62頁[2]背表面場的形成及鋁吸雜技術在Mc-Si電池中，背p+p結由均勻擴散鋁或硼形成，硼源一般為BN、BBr、APCVDSiO2：B2O8等，鋁擴散為蒸發或絲網印刷鋁，800度下燒結所完成，對鋁吸雜的作用也開展了大量的研究，與磷擴散吸雜不同，鋁吸雜在相對較低的溫度下進行。其中體缺陷也參與了雜質的溶解和沉積，而在較高溫度下，沉積的雜質易于溶解進入硅中，對Mc-Si產生不利的影響。到目前為至，區域背場已應用于單晶硅電池工藝中，但在多晶硅中，還是應用全鋁背表面場結構。

第36頁/共62頁[3]雙面Mc-Si電池Mc-Si雙面電池其正面為常規結構，背面為N＋和P＋相互交叉的結構，這樣，正面光照產生的但位于背面附近的光生少子可由背電極有效吸收。背電極作為對正面電極的有效補充，也作為一個獨立的栽流子收集器對背面光照和散射光產生作用，據報道，在AM1.5條件下，轉換效率超過19％。第37頁/共62頁對于Mc-Si，因存在較高的晶界、點缺陷（空位、填隙原子、金屬雜質、氧、氮及他們的復合物）對材料表面和體內缺陷的鈍化尤為重要，除前面提到的吸雜技術外，鈍化工藝有多種方法，通過熱氧化使硅懸掛鍵飽和是一種比較常用的方法，可使Si-SiO2界面的復合速度大大下降，其鈍化效果取決于發射區的表面濃度、界面態密度和電子、空穴的浮獲截面，在氫氣氛中退火可使鈍化效果更加明顯。采用PECVD淀積氮化硅近期正面十分有效，因為在成膜的過程中具有加氫的效果，該工藝也可應用于規模化生產中，應用RemotePECVDSi3N4可使表面復合速度小于20cm/s。4、表面和體鈍化技術第38頁/共62頁電池從研究室走向工廠，實驗研究走向規模化生產是其發展的道路，所以能夠達到工業化生產的特征應該是：[1]電池的制作工藝能夠滿足流水線作業；[2]能夠大規模、現代化生產；[3]達到高效、低成本。工業化電池工藝第39頁/共62頁下面我們就硅太陽電池的制造工藝流程以及各工序進行簡單的介紹。晶體硅太陽能電池制造的常規工藝流程主要包括：硅片清洗、絨面制備、擴散制結、（等離子周邊刻蝕）、去PSG(磷硅玻璃)、PECVD減反射膜制備、電極(背面電極、鋁背場和正電極)印刷及烘干、燒結、Laser和分選測試等。同時,在各工序之間還有檢測項目,主要有抽樣檢測制絨效果、抽樣測方塊電阻、抽樣測氮化硅減反射膜厚度和折射率等項目。多晶硅太陽電池的制造工藝流程第40頁/共62頁1）、硅太陽能電池的制造工藝流程：

分選測試PECVD清洗制絨去磷硅玻璃燒結印刷電極周邊刻蝕檢驗入庫擴散第41頁/共62頁2）、工序簡介

目前硅太陽能電池制造工序主要有：制絨清洗工序擴散工序PECVD工序絲網印刷工序燒結工序Laser刻蝕工序測試分選工序第42頁/共62頁(a).

多晶制絨目的與作用：（1）去除單晶硅片表面的機械損傷層和氧化層。（2）有效增加硅片對入射太陽光的吸收,從而提高光生電流密度，提高單晶硅太陽能電池的光電轉換效率。第43頁/共62頁(b).

去磷硅玻璃---PSG

在擴散過程中發生如下反應：

POCl3分解產生的P2O5淀積在硅片表面，P2O5與Si反應生成SiO2和磷原子：

這樣就在硅片表面形成一層含有磷元素的SiO2，稱之為磷硅玻璃。去除磷硅玻璃的目的、作用：磷硅玻璃的厚度在擴散中工藝難控制，且其工藝窗口太小，不穩定。磷硅玻璃的折射率在1.5左右，比氮化硅折射率（2.07左右）小，若磷硅玻璃較厚會降低減反射效果。磷硅玻璃中含有高濃度的磷雜質，會增加少子表面復合，使電池效率下降。第44頁/共62頁2.擴散擴散的目的：制造太陽能電池的PN結。PN結是太陽能電池的“心臟”。制造PN結，實質上就是想辦法使受主雜質在半導體晶體內的一個區域中占優勢（P型），而使施主雜質在半導體內的另外一個區域中占優勢（N型），這樣就在一塊完整的半導體晶體中實現了P型和N型半導體的接觸。第45頁/共62頁3.沉積減反射膜沉積減反射膜的作用、目的：沉積減反射膜實際上就是對電池進行鈍化。鈍化可以去掉硅電池表面的懸空鍵和降低表面態，從而降低表面復合損失，提高太陽電池的光電轉換效率。鈍化作用能使硅電池表面具有很小的反射系數，減少光反射損失，提高太陽電池的光電轉換效率。第46頁/共62頁4.絲網印刷上電極以及正面的小柵線是銀漿背電極是銀鋁漿背電場是鋁漿背電極、上電極以及小柵線起到收集電子的作用。背電場的作用是可以提高電子的收集速度，從而提高電池的短路電流（JSC）和開路電壓（VOC）進而提高電池的光電轉換效率。

正電極第47頁/共62頁燒結的目的、作用：

燃盡漿料的有機組分，使漿料和硅片形成良好的歐姆接觸，從而提高開路電壓和短路電流并使其具有牢固的附著力與良好的可焊性。背面場經燒結后形成的鋁硅合金，鋁在硅中是作為P型摻雜，它可以減少金屬與硅交接處的少子復合，從而提高開路電壓和短路電流，改善對紅外線的響應。上電極的銀、氮化硅、二氧化硅以及硅經燒結后形成共晶，從而使電極與硅形成良好的歐姆接觸，從而提高開路電壓和短路電流。5.燒結第48頁/共62頁Laser刻蝕的目的、作用：

用激光切出絕緣溝道，可以使電池短路，減少電流泄漏。6.laser刻蝕硅片經Laser刻蝕后的示意圖第49頁/共62頁7.測試分選主要是測量電池片的短路電流（JSC）、開路電（VOC）、填充因子（FF），經計算得出電池的光電轉換效率（η）。根據電池的光電轉換效率（η）對電池片進行分類。

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