应用光伏学-第5章-硅太阳能电池制造技术教材课件

第五章：硅太阳能电池第五章：硅太阳能电池 制造技术制造技术2024/6/16UNSW新南威尔士大学1 5.1 第一个光伏器第一个光伏器 件件 5.2 早期硅太阳能早期硅太阳能 电池电池 5.3 硅晶片和衬底硅晶片和衬底 5.4 硅太阳能电池硅太阳能电池 制造技术制造技术 艾艾德德蒙蒙贝贝克克勒勒（Edmond Becquerel）被被认认为为是是第第一一个个向向世世人人展展示示光光伏伏效效应应的的人人。十十九九岁岁那那年年（1839年年），在在父父亲亲的的实实验验室室工工作作，他他尝尝试试用用不不同同的的光光（包包括括太太阳阳光光）去去照照射射电电极极来来产产生生电电流流。他他发发现现，在在电电极极表表面面涂涂上上感感光光材材料料如如AgCl或或AgBr时时，电电流流产产生生效效果果最最好好的的是是蓝蓝光光或或紫紫外外光光。随随后后，他他便便发发明明了了一一项项利利用用光光伏伏效效应应的的技技术术，即即使使用用“辐辐射射仪仪”来记录辐射的强度以测量物体的温度。来记录辐射的强度以测量物体的温度。2024/6/162 5.1 第一个光伏器件第一个光伏器件1839年，贝克勒描年，贝克勒描述的仪器示意图。述的仪器示意图。铂电极铂电极薄膜薄膜酸性溶液酸性溶液黑箱黑箱2024/6/16UNSW新南威尔士大学3铂丝铂丝透明硒透明硒标记标记玻璃管玻璃管亚当斯和日用以观察硒的光电效应的样本图亚当斯和日用以观察硒的光电效应的样本图 实实验验结结果果令令人人鼓鼓舞舞。这这是是首首次次全全部部利利用用固固体体来来演示光电效应的试验演示光电效应的试验。5.1 第一个光伏器件第一个光伏器件 光光伏伏效效应应的的另另一一个个重重要要进进展展来来自自于于人人们们对对硒硒的的光光导导效效应应的的关关注注。在在研研究究此此效效应应的的时时候候，亚亚当当斯斯和和日日发发现现了了一一个个奇奇怪怪的的现现象象，他他们们解解释释其其中中的的原原因因，为为内内部部有有电电压压产产生生。之之后后他他们们又又利利用用下下图图的的仪仪器器进进行行更更仔仔细细的的研研究究，已已加加热热的的铂铂电电极极被被推推进进到到透透明明硒硒瓶瓶的的另另一一端端，亚亚当当斯斯和和日日(1877)利利用用下下面面的的仪仪器器进进行行试试验验的目的之一就是，观察能否只用光照就能使硒产生电流。的目的之一就是，观察能否只用光照就能使硒产生电流。2024/6/16UNSW新南威尔士大学4金箔金箔硒薄层硒薄层金属层金属层 5.1 第一个光伏器件第一个光伏器件 另另一一个个重重要要的的进进展展来来自自弗弗里里茨茨（Fritts）的的研研究究工工作作。通通过过用用两两种种不不同同材材料料的的金金属属板板来来压压制制融融化化的的硒硒，硒硒能能与与其其中中一一块块板板紧紧紧紧黏黏住住，并并形形成成薄薄片片。然然后后再再用用金金箔箔压压制制硒硒薄薄片片的的另另一一面面，于于是是，历历史史第第一一块块光光伏伏器器件件就就制制成成了了。此此薄薄膜膜器器件件大大概有概有30cm2大。大。Fritts1883年年 制作的硒薄膜制作的硒薄膜 5.1 第一个光伏器件第一个光伏器件 他他也也是是第第一一个个认认识识到到光光伏伏器器件件有有巨巨大大潜潜力力的的人人。他他知知道道光光伏伏器器件件能能以以非非常常低低的的成成本本制制作作，并并说说：“产产生生的的电电流流如如果果不不是是马马上上使使用用，可可以以在在蓄蓄电电池池中中储储存存起起来来，或或者者传传送送到到另另外外一一个个地地方，被使用或者储存。方，被使用或者储存。”然然而而，在在大大约约50年年后后，一一轮轮新新的的进进展展才才开开始始在在这这个个领领域域掀掀起起。当当研研究究在在铜铜表表面面生生长长氧氧化化亚亚铜铜层层的的光光电电导导效效应应时时，研研究究者者发发现现了了铜铜-氧氧化化亚亚铜铜交交界界处处的的整整流流效效应应。这这一一结结果果引引领领了了大大面面积整流器的发展，紧接着又促进了大面积光电池的发展。积整流器的发展，紧接着又促进了大面积光电池的发展。下下图图描描述述了了基基于于铜铜-氧氧化化亚亚铜铜结结的的早早期期光光电电池池的的简简单单结结构构图图。一一圈圈圈圈的的铅铅线线作作为为电电极极连连接接电电池池的的入入光光面面。这这种种方方法法随随后后被被修修改改成成在在表表面面溅溅射射金金属属层层，然然后后移移走走一一部部分分，最最后后形形成由金属线构成的网格。成由金属线构成的网格。这这些些发发展展吸吸引引了了人人们们在在这这个个领领域域的的积积极极研研究究。在在1930到到1932年年间间，格格朗朗道道尔尔（Grondahl）发发表表了了38篇篇有有关关铜铜-氧氧化化亚亚铜铜光伏太阳能电池的论文。光伏太阳能电池的论文。2024/6/16UNSW新南威尔士大学6覆盖玻璃层覆盖玻璃层铅线圈铅线圈铜层铜层氧化亚铜氧化亚铜 5.1 第一个光伏器件第一个光伏器件 5.1 第一个光伏器件第一个光伏器件 这这些些研研究究活活动动也也似似乎乎重重新新唤唤起起了了人人们们对对把把硒硒作作为为光光电电池池材材料料的的兴兴趣趣。特特别别是是在在1931年年伯伯格格曼曼（Bergmann）的的研研究究论论文文提提高高了了硒硒电电池池的的质质量量。此此材材料料被被证证明明是是比比Cu-Cu2O更更好好的的光光伏伏材材料料，且且更更具具商商业业优优势势。1939年年，Nix发发表表了了性性能能相相似似的的砣砣-硫硫化化物物光光电电池池。下下图图展展示示了了由由硒硒、砣砣-硫硫化化物物和和Cu-Cu2O共共同同组组成成的的电池。电池。1930年年代代效效率率最最高的太阳能电池。高的太阳能电池。5.2 早期硅太阳能电池早期硅太阳能电池（a）图：铸锭，在硅融化期间掺杂以形成天然的）图：铸锭，在硅融化期间掺杂以形成天然的pn结结（b）图：垂直）图：垂直pn结切割的光伏器件结切割的光伏器件（c）图：平行）图：平行pn结切割的器件结切割的器件（d）图：平行）图：平行pn结切割的器件表面结切割的器件表面 在在1941年，年，奥尔在硅上发现光伏效应奥尔在硅上发现光伏效应。图示中，（。图示中，（a）显示）显示了在硅铸锭时自然生长了在硅铸锭时自然生长pn结。切割硅锭便可制备太阳能电池结。切割硅锭便可制备太阳能电池了。此外，也可以平行着了。此外，也可以平行着pn结切割硅锭。结切割硅锭。1930年代，几乎在硒电池迅速发展的同一时间，硅也因为年代，几乎在硒电池迅速发展的同一时间，硅也因为在点接触整流器上的应用逐渐引起人们的重视。在点接触整流器上的应用逐渐引起人们的重视。晶晶体体生生长长技技术术和和通通过过扩扩散散形形成成pn结结技技术术的的发发展展，促促使使蔡蔡平平、富富勒勒和和皮皮尔尔逊逊于于1954共共同同研研制制出出了了第第一一块块现现代代太太阳阳能能电电池池。这这种种电电池池有有双双背背电电极极结结构构（如如下下页页图图所所示示），其其效效率率达达到到6%，是早期电池的，是早期电池的15倍。倍。2024/6/16UNSW新南威尔士大学9 5.2 早期硅太阳能电池早期硅太阳能电池早期太阳能结构早期太阳能结构 太太阳阳能能电电池池所所使使用用的的硅硅或或其其它它半半导导体体材材料料可可以以是是单单晶晶体体（single crystalline）、mc多多晶晶体体（multicrystalline）、pc多多晶晶体（体（polycrystalline）微晶体和非晶体（）微晶体和非晶体（amorphous）。这这些些材材料料之之间间最最主主要要的的不不同同就就是是晶晶体体结结构构的的规规则则、有有序序程程度度不不同同，因因此此，半半导导体体材材料料可可以以通通过过组组成成材材料料的的晶晶体体大大小小来分类。来分类。2024/6/16UNSW新南威尔士大学10 5.3.1 硅晶片和衬底硅晶片和衬底硅的种类硅的种类 5.3.1 硅晶片和衬底硅晶片和衬底硅的种类硅的种类晶体类型晶体类型符号符号晶粒尺寸晶粒尺寸生长技术生长技术单晶硅单晶硅sc-Si10cm浮区拉晶法浮区拉晶法Mc-多晶硅多晶硅mc-Si1mm-10cm铸模，切片铸模，切片Pc多晶硅多晶硅pc-Si1m-1mm化学气相沉积化学气相沉积微晶硅微晶硅c-Si1m等离子沉积等离子沉积 各类晶体硅的术语：各类晶体硅的术语：大大多多数数的的太太阳阳能能电电池池都都是是由由硅硅片片制制成成的的，要要么么单晶硅要么多晶硅。单晶硅要么多晶硅。单单晶晶硅硅片片通通常常都都拥拥有有比比较较好好的的材材料料性性能能，但但是是成成本本也也比比较较高高。单单晶晶硅硅的的晶晶体体结结构构规规则则、有有序序，每每个个原原子子都都理理想想地地排排列列在在预预先先确确定定的的位位置置上上。单单晶晶硅硅表表现现的的行行为为可可预预见见且且十十分分同同一一，但但因因为为需需要要精精确确和和缓缓慢的制造过程，也使得它成为慢的制造过程，也使得它成为最昂贵最昂贵的硅材料。的硅材料。2024/6/16UNSW新南威尔士大学12 5.3.2 硅晶片和衬底硅晶片和衬底单晶硅单晶硅 5.3.2 硅晶片和衬底硅晶片和衬底单晶硅单晶硅 单单晶晶硅硅原原子子的的规规则则排排列列形形成成了了清晰可见的价带结构。清晰可见的价带结构。每每个个硅硅原原子子的的最最外外层层都都有有四四个个电电子子。与与相相邻邻原原子子共共享享电电子子对对，所所以以每每个个原原子子都都与与周周围围原原子子共共享享四四个共价键。个共价键。单单晶晶硅硅通通常常被被制制成成大大的的圆圆筒筒形形硅硅锭锭，然然后后切切割割成成圆圆形形或或半半方方的的太太阳阳能能电电池池。半半方方太太阳阳能能电电池池成成型型于于圆圆片片，但但是是应应把把边边缘缘切切掉掉这这样样才才能能在在矩矩形形模模块中装入更多电池。块中装入更多电池。通通常常，人人们们以以制制造造过过程程的的不不同同来来区区别别单单晶晶硅硅晶晶片片。其其中中，直直拉拉晶晶片片（Czochralski(CZ)wafers）是是使使用用最最普普遍遍的的硅硅晶晶片片类类型型，太太阳阳能能电电池池和和集集成成芯芯片片供供应应都都使使用用到到它它。下下面面的的动动画画将将展示直拉大面积单晶硅锭的制造过程。展示直拉大面积单晶硅锭的制造过程。2024/6/16UNSW新南威尔士大学14 5.3.3 硅晶片和衬底硅晶片和衬底直拉单晶硅直拉单晶硅 虽虽然然直直拉拉法法是是制制备备商商业业硅硅晶晶片片最最常常用用的的方方法法，但但它它对对于于高高效效率率实实验验室室太太阳阳能能电电池池和和特特定定市市场场的的太太阳阳能能电电池池，还还是是有有些些不不足之处。足之处。直直拉拉法法制制晶晶片片内内含含有有大大量量的的氧氧。杂杂质质氧氧会会降降低低少少数数载载流流子子的的寿寿命命，继继而而减减小小电电压压、电电流流以以及及转转换换效效率率。此此外外，氧氧原原子子以以及及氧氧和和其其它它元元素素共共同同形形成成的的化化合合物物可可能能在在高高温温时时变变得得十十分分活活跃跃，使得使得晶片对高温处理过程非常敏感晶片对高温处理过程非常敏感。为为了了克克服服这这些些问问题题，人人们们使使用用了了悬悬浮浮区区熔熔法法制制硅硅片片。它它的的过过程程是是，熔熔融融区区域域缓缓慢慢的的通通过过硅硅棒棒或或硅硅条条。熔熔融融区区的的杂杂质质却却留留在在熔熔融融区区内内，而而不不是是一一同同过过去去混混合合在在凝凝结结区区内内，因因此此，当当熔熔融融区的硅都过去后，一块非常纯净的单晶硅锭就形成了。区的硅都过去后，一块非常纯净的单晶硅锭就形成了。2024/6/1615 5.3.4 硅晶片和衬底硅晶片和衬底悬浮区熔单晶硅悬浮区熔单晶硅 5.3.4 硅晶片和衬底硅晶片和衬底悬浮区熔单晶硅悬浮区熔单晶硅多晶硅锭多晶硅锭熔融区的硅熔融区的硅射频线圈射频线圈生长好的生长好的单晶材料单晶材料单晶种子单晶种子悬浮区熔法制硅片法原理图悬浮区熔法制硅片法原理图悬浮区熔法制硅片悬浮区熔法制硅片的过程：的过程：熔融区域缓慢的通熔融区域缓慢的通过硅棒或硅条。熔过硅棒或硅条。熔融区的杂质却留在融区的杂质却留在熔融区内，而不是熔融区内，而不是一同过去混合在凝一同过去混合在凝结区内，因此，当结区内，因此，当熔融区的硅都过去熔融区的硅都过去后，一块非常纯净后，一块非常纯净的单晶硅锭就形成的单晶硅锭就形成了。了。制制备备多多晶晶硅硅的的技技术术相相对对要要简简单单一一些些，成成本本也也因因此此比比单单晶晶硅硅更更低一些。低一些。2024/6/1617 5.3.5 硅晶片和衬底硅晶片和衬底 多晶硅多晶硅多晶硅片多晶硅片在两个晶粒之间被不规则化学键在两个晶粒之间被不规则化学键“挂键挂键”形形成的成的“晶粒边界晶粒边界”隔开，它们能降低电池的隔开，它们能降低电池的性能。性能。为为了了避避免免晶晶界界处处的的过过度度复复合合损损失失，晶晶界界尺尺寸寸必必须须控控制制在在几几毫毫米米以以上上。这这也也能能让让电电池池从从前前到到后后扩扩大大单单个个晶晶界界的的规规模模，减减少少对对载载流流子子流流动动的的阻阻碍碍，同同时时也也减减小小了了电电池池单单位位面面积积上上的的总总晶晶界界长长度度。这这种种多多晶晶硅硅材材料料被被广广泛泛使使用用在在商业太阳能电池制造中。商业太阳能电池制造中。2024/6/16UNSW新南威尔士大学18 5.3.5 硅晶片和衬底硅晶片和衬底 多晶硅多晶硅然而由于有晶界的存在，所以多晶硅材料的性能比不上然而由于有晶界的存在，所以多晶硅材料的性能比不上单晶硅材料。单晶硅材料。晶界的存在导致了局部高复合区晶界的存在导致了局部高复合区，因为它，因为它把额外把额外的能级缺陷引入到了禁带中，也因此减少了总的少数载流子寿的能级缺陷引入到了禁带中，也因此减少了总的少数载流子寿命命。此外，晶界还通过阻碍载流子的流动以及为穿过。此外，晶界还通过阻碍载流子的流动以及为穿过pn结的电结的电流提供分流路径的方式来降低太阳能电池的性能。流提供分流路径的方式来降低太阳能电池的性能。5.3.6 硅晶片和衬底硅晶片和衬底 非晶硅非晶硅 非非晶晶硅硅（-si-si），是是一一种种结结构构上上缺缺少少长长程程有有序序排排列列，但但是是制制造造成成本本却却比比多多晶晶硅硅还还低低的的硅硅材材料料。原原子子排排列列中中缺缺少少长长程程有有序序结构是由于结构是由于“悬挂键悬挂键”的存在的存在。在在把把非非晶晶硅硅材材料料制制成成太太阳阳能能电电池池之之前前，需需要要对对这这些些悬悬挂挂键键进进行行钝钝化化处处理理。即即把把氢氢原原子子与与非非晶晶硅硅材材料料结结合合，使使氢氢原原子子的的比比例例达达到到5-10%，让让悬悬挂挂键键处处于于饱饱和和状状态态，因因此此提提高高了了材材料料的的质质量。量。19 5.3.6 硅晶片和衬底硅晶片和衬底 非晶硅非晶硅额外的悬挂键额外的悬挂键额外的悬挂键被氢原子终结额外的悬挂键被氢原子终结 非非晶晶硅硅结结构构的的长长程程无无序序影影响响了了它它的的半半导导体体特特性性。氢氢原原子子终终结结了了额额外外的的悬悬挂挂键键。平平均均原原子子间间距距的的改改变变以以及及氢氢的的存存在在导导致致了了非非晶晶硅硅的的电电特特性与晶体硅的不同。性与晶体硅的不同。尽管如此，非晶硅的材料性能与那些晶体硅还是有显著的不同。尽管如此，非晶硅的材料性能与那些晶体硅还是有显著的不同。例如，禁带宽度从晶体硅的例如，禁带宽度从晶体硅的1.1eV上升到了上升到了非晶硅的非晶硅的1.7eV，且，且非晶硅的非晶硅的吸收系数要比晶体硅高的多吸收系数要比晶体硅高的多。此外，大量悬挂键的存。此外，大量悬挂键的存在导致了在导致了高缺陷密度和低扩散长度（高缺陷密度和低扩散长度（）。对对于于-Si-Si太太阳阳能能电电池池来来说说，非非晶晶硅硅的的不不同同材材料料性性质质需需要要不同的设计方法。不同的设计方法。特特别别是是，硅硅-氢氢合合金金的的少少数数载载流流子子的的扩扩散散长长度度远远远远低低于于1m1m。因因此此，要要获获得得高高的的收收集集效效率率就就必必须须在在pnpn结结耗耗尽尽区区产产生生尽尽可可能能多多的的光光生生载载流流子子。结结果果是是，耗耗散散区区就就成成为为了了收收集集光光生生载载流流子最主要的区域子最主要的区域。非非晶晶硅硅的的高高吸吸收收系系数数使使得得电电池池的的材材料料只只有有几几微微米米厚厚，也也意意味着，比起发射区和基区来，味着，比起发射区和基区来，耗散区的厚度要大得多耗散区的厚度要大得多。2024/6/16UNSW新南威尔士大学21本征硅（无掺杂本征硅（无掺杂）存在强电场的耗散区存在强电场的耗散区a-Si:H 太阳能电池示意图。太阳能电池示意图。5.3.6 硅晶片和衬底硅晶片和衬底 非晶硅非晶硅 5.3.6 硅晶片和衬底硅晶片和衬底 非晶硅非晶硅 结结构构的的不不相相同同，意意味味着着-Si-Si和和晶晶体体硅硅太太阳阳能能电电池池的的制制造造技技术术也也不不相相同同。在在-Si和和其其它它薄薄膜膜电电池池的的制制造造技技术术中中，一一层层非非常薄的半导体材料被沉积在玻璃表面常薄的半导体材料被沉积在玻璃表面或其他便宜的衬底上。或其他便宜的衬底上。薄薄膜膜太太阳阳能能电电池池被被运运用用在在许许多多小小型型消消费费产产品品中中，比比如如计计算算机机、手手表表以以及及不不是是很很重重要要的的户户外外产产品品。总总的的来来说说，薄薄膜膜为为太太阳能电池提供了一种阳能电池提供了一种成本非常低成本非常低的制造途径。的制造途径。然然而而，在在户户外外或或在在含含有有紫紫外外线线的的光光源源下下使使用用的的非非晶晶硅硅电电池池会有降低效率的可能会有降低效率的可能，因为紫外线会破坏，因为紫外线会破坏Si-H的价键结构。的价键结构。2024/6/1623 对对于于那那些些能能量量需需求求很很小小以以及及容容易易安安装装电电池池的的消消费费产产品品来来说说，非非晶晶硅硅电电池池是是一一种种理理想想的的选选择择。手手表表的的整整个个表表面面都都是是太太阳阳能能电电池池片片，足足以以为为手手表表运行提供能量。运行提供能量。5.3.6 硅晶片和衬底硅晶片和衬底 非晶硅非晶硅 丝丝网网印印刷刷太太阳阳能能电电池池在在1970年年代代开开始始发发展展起起来来。它它们们是是建建立立的的最最好好、最最成成熟熟的的太太阳阳能能电电池池制制造造技技术术，且且丝丝网网印印刷刷电电池池在在如如今今的的陆陆地地用用光光伏伏电电池池市市场场中中占占据据统统治治地地位位。这这种种技技术术的的主主要要优势就是制造过程相对简单优势就是制造过程相对简单。下下面面的的动动画画展展示示了了制制造造丝丝网网印印刷刷太太阳阳能能电电池池的的一一系系列列步步骤骤。动动画画中中展展示示的的制制造造技技术术是是最最简简单单的的一一种种，现现在在已已被许多制造商和研究实验室改进了。被许多制造商和研究实验室改进了。2024/6/16UNSW新南威尔士大学24 5.4.1 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术丝网印刷太阳能电池丝网印刷太阳能电池磷扩散磷扩散 丝丝网网印印刷刷太太阳阳能能电电池池通通常常使使用用简简单单且且均均匀匀的的扩扩散散方方法法以以形成发射区，形成发射区，此区域的掺杂情况都是相同的此区域的掺杂情况都是相同的。要要保保持持低低电电极极电电阻阻，就就需需要要在在电电极极下下面面的的表表面面掺掺杂杂进进高高浓浓度度的的磷磷。然然而而，表表面面高高浓浓度度的的磷磷将将会会导导致致“死死层层”形形成成，并并降降低电池的蓝光响应低电池的蓝光响应。最最新新的的电电池池设设计计能能制制备备更更浅浅的的发发射射区区，因因此此提提高高电电池池的的蓝蓝光光响应。响应。选选择择性性发发射射区区，即即金金属属电电极极下下面面进进行行更更高高浓浓度度的的掺掺杂杂，也也已已经被研究者提出来了，但依然没有一项被运用到商业制造中。经被研究者提出来了，但依然没有一项被运用到商业制造中。2024/6/16UNSW新南威尔士大学25 5.4.1 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术丝网印刷太阳能电池丝网印刷太阳能电池 表面制绒以减少反射表面制绒以减少反射 从从单单晶晶硅硅锭锭切切割割下下来来的的晶晶片片很很容容易易通通过过制制绒绒来来减减少少表表面面反反射，方法是射，方法是使用化学试剂在晶片表面刻蚀层金字塔状原子结构使用化学试剂在晶片表面刻蚀层金字塔状原子结构。（1）单单晶晶硅硅：利利用用Si在在稀稀NaOH溶溶液液中中的的各各向向异异性性腐腐蚀蚀，在在硅片表面形成硅片表面形成36um的金字塔结构。的金字塔结构。（2）多多晶晶硅硅：使使用用HF-HNO3溶溶液液，对对硅硅片片进进行行酸酸腐腐蚀蚀（HNO3腐腐蚀蚀，在在硅硅片片表表面面形形成成一一层层SiO2，这这层层SiO2在在HF酸酸的作用下除去）的作用下除去）虽虽然然这这种种刻刻蚀蚀对对单单晶晶硅硅非非常常理理想想，但但是是它它却却依依赖赖于于正正确确的的晶晶体体取取向向，所所以以对对于于多多晶晶硅硅材材料料的的随随机机取取向向界界面面来来说说，化化学学刻蚀的效果很有限。刻蚀的效果很有限。5.4.1 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术丝网印刷太阳能电池丝网印刷太阳能电池减反射膜减反射膜 减减反反射射膜膜非非常常有有利利于于不不容容易易制制绒绒的的多多晶晶硅硅材材料料。二二氧氧化化钛钛（TiO2）与与氮氮化化硅硅（SiNx）是是两两种种常常见见的的减减反反射射膜膜材材料料。膜膜的的制制造造适适用用于于简简单单的的技技术术，如如喷喷洒洒或或化化学学气气相相沉积。沉积。除除了了有有利利于于光光的的吸吸收收外外，绝绝缘缘膜膜还还能能够够使使表表面面钝钝化化，提提高电池的电学特性。高电池的电学特性。边界隔离边界隔离 如如今今有有许许多多边边界界隔隔离离技技术术，比比如如等等离离子子刻刻蚀蚀、激光切割或者首先用膜掩盖住边界以阻止扩散的发生。激光切割或者首先用膜掩盖住边界以阻止扩散的发生。2024/6/16UNSW新南威尔士大学27 5.4.1 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术丝网印刷太阳能电池丝网印刷太阳能电池背电极背电极 背背电电极极是是在在一一般般pn结结电电池池背背面面用用扩扩散散法法或或合合金金法法加加制制一一层层与与基基区区导导电电类类型型相相同同的的重重掺掺杂杂区区，然然后后再再在重掺杂区在重掺杂区上面制作金属接触电极，上面制作金属接触电极，一般为铝电极。一般为铝电极。2024/6/16UNSW新南威尔士大学28 5.4.1 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术丝网印刷太阳能电池丝网印刷太阳能电池 到了现代，上面所说的制造流程已经有了许多改变，既能到了现代，上面所说的制造流程已经有了许多改变，既能获得更高的效率且成本更低。获得更高的效率且成本更低。典型的大规模生产商业太阳能电池制造步骤：典型的大规模生产商业太阳能电池制造步骤：（1）通过表面制绒形成金字塔。通过使被金字塔表面反射的）通过表面制绒形成金字塔。通过使被金字塔表面反射的光线，在逃离电池表面之间至少撞击另一个金字塔表面一次，光线，在逃离电池表面之间至少撞击另一个金字塔表面一次，使入射光反射率从大约使入射光反射率从大约33%减小到减小到11%。（2）上表面磷扩散，以提供一层既薄而又重掺杂的）上表面磷扩散，以提供一层既薄而又重掺杂的N型层。型层。（3）通过丝网印刷在电池表面覆盖铝浆或银铝浆，然后烧结）通过丝网印刷在电池表面覆盖铝浆或银铝浆，然后烧结形成背电场和背金属电极。形成背电场和背金属电极。（4）化学清洗。）化学清洗。（5）丝网印刷并烧结正面银电极。）丝网印刷并烧结正面银电极。（6）边缘结隔绝（去除边缘结），以切断正面电极（顶电极）边缘结隔绝（去除边缘结），以切断正面电极（顶电极）和背面电极之间的传导（短接）路径。和背面电极之间的传导（短接）路径。对印刷电池前端电极的镜头特对印刷电池前端电极的镜头特写。在印刷期间，金属贴片穿过丝写。在印刷期间，金属贴片穿过丝网，到达没被遮盖的区域。网，到达没被遮盖的区域。丝网的丝网的尺寸觉得了栅条的最小宽度尺寸觉得了栅条的最小宽度。栅条。栅条宽度通常为宽度通常为100到到200m。对已经完成丝网印刷的太阳对已经完成丝网印刷的太阳能电池的镜头特写。栅条间距大能电池的镜头特写。栅条间距大于有于有3mm。在包装的时候，在母。在包装的时候，在母栅上焊接一个额外的金属接触带栅上焊接一个额外的金属接触带以减少电池串联电阻。以减少电池串联电阻。5.4.1 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术丝网印刷太阳能电池丝网印刷太阳能电池 拥拥有有完完整整丝丝网网印印刷刷的的太太阳阳能能电电池池的的正正面面图图。由由于于电电池池是是由由多多晶晶硅硅制制造造的的，晶晶粒粒的的不不同同界界面面取取向向清清晰晰可可见见。多多晶晶硅硅电电池池的的正正方方形形形形状状使使电电池池的的组装变得简化。组装变得简化。5.4.1 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术丝网印刷太阳能电池丝网印刷太阳能电池 5.4.1 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术丝网印刷太阳能电池丝网印刷太阳能电池 拥拥有有完完整整丝丝网网印印刷刷的的太太阳阳能能电电池池的的背背面面图图。电电池池要要么么是是由由Al/Ag粘粘贴贴成成网网格格（左左），要要么么全全部部由由铝铝构构成成并并形形成成背背面面电电场场（右右），但但是是需需要要第第二道印刷工序。二道印刷工序。下下面面的的几几幅幅图图将将向向你你展展示示商商业业丝丝网网印印刷刷太太阳阳能能电电池的制造设备。全部图片承蒙欧洲太阳能公司池的制造设备。全部图片承蒙欧洲太阳能公司SPA提供。提供。制制造造的的多多晶晶硅硅锭锭的的结结晶晶炉炉。大大面面积积硅硅板板，大大约约0.5mx0.5m，20cm厚厚。精精确确控控制制冷冷却却液液体，能够制造出大晶粒少缺陷的的硅材料。体，能够制造出大晶粒少缺陷的的硅材料。从从结结晶晶炉炉出出来来的的大大块块多多晶晶硅硅锭锭被被切切割割成成10cmx10cm的的小小砖砖块块。然然后后小小砖块又被切割成同样面积的薄片。砖块又被切割成同样面积的薄片。5.4.2 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术制造太阳能电池制造太阳能电池 欧欧洲洲太太阳阳能能公公司司的的生生产产线线。虽虽然然太太阳阳能能电电池池制制造造需需要要处处在在洁洁净净的的环环境境中中，但但是是比比起起集集成成电电路路芯芯片片的的制制造造环环境境来来，还还是是较较为为宽宽松松一一些些。因因此此不不需需要要员员工工穿穿上上全全套套洁洁净服。净服。上上图图为为自自动动上上料料的的扩扩散散炉炉以以及及已已经经掺掺杂杂了了磷磷的的硅硅晶晶片片。点点击击图图片片能能转转换换不不同同图图片片。需需要要注注意意的的是是，图图中中即即将将进进入入右右边边扩扩散散炉炉的的晶晶片片都都是是出出自自同同一一块块硅硅锭锭，它们拥有相似的晶粒分布它们拥有相似的晶粒分布。5.4.2 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术制造太阳能电池制造太阳能电池2024/6/16UNSW新南威尔士大学35 自自动动上上料料的的扩扩散散炉炉。使使用用机机器器人人设设备备能能够够提提升升电电池池制制造造的的可可靠靠性，并降低成本。性，并降低成本。丝丝网网印印刷刷的的生生产产线线。点点击击图图片片能能进进距距离离观观察察蓝蓝色色塑塑料料屏屏下下的的丝丝网网印印刷刷过程。过程。5.4.2 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术制造太阳能电池制造太阳能电池 先先进进的的丝丝网网印印刷刷机机器器，使使用用摄摄像像机机来来快快速速准准确确地地排排布布金金属属电电极网的图案。极网的图案。在在完完成成每每个个电电池池的的效效率率测测量量工工作作后后，对对它它们们进进行行排排序序以以尽尽量量减减小小模模块块错错配配。用鼠标点击图片观看另一幅图片。用鼠标点击图片观看另一幅图片。5.4.2 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术制造太阳能电池制造太阳能电池2024/6/16UNSW新南威尔士大学37在进行压片之前排列电池片。在进行压片之前排列电池片。5.4.2 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术制造太阳能电池制造太阳能电池 埋埋电电极极太太阳阳能能电电池池（如如图图）是是一一种种高高效效率率的的商商业业用用太太阳阳能能电电池池，其其特特点点是是把把金金属属电电极极镀镀到到激激光光形形成成槽槽内内。埋埋电电极极技技术术克克服服了了丝丝网网印印刷刷电电极极的的许许多多缺缺点点，这这也也使使得得埋埋电电极极太太阳阳能能电电池池的的效率能达到效率能达到25%，比商业丝网印刷电池要高。，比商业丝网印刷电池要高。2024/6/16UNSW新南威尔士大学38埋电极太阳能电池，激光刻槽的横截图。埋电极太阳能电池，激光刻槽的横截图。氧化物氧化物背金属电极背金属电极 5.4.3 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术埋电极太阳能电池埋电极太阳能电池 5.4.3 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术埋电极太阳能电池埋电极太阳能电池 为了看得更清晰，动为了看得更清晰，动画中的电池厚度被扩大了。画中的电池厚度被扩大了。下面的动画展示了激光刻槽埋电极太阳能电池的制造工序。下面的动画展示了激光刻槽埋电极太阳能电池的制造工序。5.4.3 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术埋电极太阳能电池埋电极太阳能电池1、埋埋电电极极大大大大增增加加了了金金属属栅栅条条的的高高-宽宽比比例例，具具有有良良好好的的减减反反射特性射特性。大大的的高高-宽宽比比意意味味着着能能够够在在接接触触电电极极中中使使用用大大量量的的金金属属，而而不不需需要要在在表表面面铺铺上上宽宽大大的的金金属属条条。因因此此，金金属属栅栅条条的的大大高高-宽宽比比允许窄的栅条间距（允许窄的栅条间距（20um宽），同时保持高的透明度宽），同时保持高的透明度。部分激光刻槽的横截图部分激光刻槽的横截图大大面面积积器器件件，采采用用丝丝网网印印刷刷电电池池，其其被被阻阻挡挡的的光光就就可可能能达达到到10%到到15%，而而使使用用埋埋电电极极结结构构，则则其其损损失失就就只只有有2%到到3%。这这样样低低的的光光损损失失能能降降低低光光反反射射并并因因此此提提高高短路电流。短路电流。2024/6/16UNSW新南威尔士大学412、埋埋电电极极电电池池技技术术还还能能降降低低寄寄生生电电阻阻损损耗耗，因因为为它它的的金金属属栅栅条条具具有有高高的的高高-宽宽比比、栅栅条条的的间间距距适适当当，以以及及良良好好的的金金属属电电极极材料。材料。（1）之之所所以以埋埋电电极极能能减减少少电电池池的的发发射射区区电电阻阻，是是因因为为栅栅条条之之间的距离越窄，发射区的电阻损耗也越小。间的距离越窄，发射区的电阻损耗也越小。（2）金金属属网网格格的的电电阻阻也也减减小小了了，因因为为在在激激光光刻刻槽槽中中使使用用的的金金属量大大增加了，且金属还是电阻率比铝低的铜。属量大大增加了，且金属还是电阻率比铝低的铜。（3）在在半半导导体体-金金属属交交界界面面处处形形成成镍镍硅硅化化物物以以及及它它们们交交界界面面积积的扩大，使得的扩大，使得埋电极的接触电阻埋电极的接触电阻也比丝网印刷电池的也比丝网印刷电池的小小。总总的的来来说说，这这些些电电阻阻损损耗耗的的减减小小使使得得大大面面积积电电池池拥拥有有高高的的填填充充因子。因子。5.4.3 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术埋电极太阳能电池埋电极太阳能电池 3、与与丝丝网网印印刷刷相相比比，埋埋电电极极电电池池的的金金属属化化方方案案同同样样提提升升了发射区的性能。了发射区的性能。为为了了尽尽量量减减少少电电阻阻损损耗耗，要要对对丝丝网网印印刷刷电电池池的的发发射射区区进进行行重重掺杂掺杂，而这也导致了电池表面，而这也导致了电池表面“死层死层”的出现。的出现。因因为为埋埋电电极极结结构构的的发发射射区区电电阻阻很很小小，所所以以能能够够通通过过优优化化发发射射区的掺杂区的掺杂来获得高开路电压和短路电流。来获得高开路电压和短路电流。2024/6/16UNSW新南威尔士大学42 5.4.3 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术埋电极太阳能电池埋电极太阳能电池 高高效效率率太太阳阳能能电电池池制制造造的的成成本本比比普普通通硅硅太太阳阳能能电电池池要要高高得多，因此通常使用在太阳能车或空间应用上。得多，因此通常使用在太阳能车或空间应用上。2024/6/16UNSW新南威尔士大学43 Honda dream，1996年世界太阳能汽车挑战年世界太阳能汽车挑战赛的冠军车。此车的太阳能电池效率超过赛的冠军车。此车的太阳能电池效率超过20%。5.4.4 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术高效率太阳能电池高效率太阳能电池 5.4.4 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术高效率太阳能电池高效率太阳能电池 为为了了获获得得最最高高效效率率，实实验验室室制制造造硅硅太太阳阳能能电电池池时时所所使使用用的的一些技术和工艺特点：一些技术和工艺特点：在发射区扩散低浓度的磷，既能尽量减小复合损失又能避免在发射区扩散低浓度的磷，既能尽量减小复合损失又能避免 电池表面电池表面“死层死层”的出现。的出现。缩窄金属栅条的距离以减小发射区横向电阻的功率损耗。缩窄金属栅条的距离以减小发射区横向电阻的功率损耗。非常细小的金属栅条，通常小于非常细小的金属栅条，通常小于20m，以减小阴影损失。，以减小阴影损失。打磨或抛光晶片表面后进行激光雕刻并铺上金属网格。打磨或抛光晶片表面后进行激光雕刻并铺上金属网格。小的电池面积和好的金属导电性，以尽量减小金属网格电阻小的电池面积和好的金属导电性，以尽量减小金属网格电阻 损失。损失。小的金属接触面积和在金属电极下面进行重掺杂，以尽量小的金属接触面积和在金属电极下面进行重掺杂，以尽量减小复合效应。减小复合效应。使用精密加工的金属，如钛使用精密加工的金属，如钛/钯钯/银，尽量降低接触电阻。银，尽量降低接触电阻。良好的背面钝化以减少复合。良好的背面钝化以减少复合。使用减反射膜，能使反射光从使用减反射膜，能使反射光从30%减少到减少到10%。有有些些现现存存的的电电池池设设计计也也整整合合了了先先进进的的实实验验室室方方法法。其其中中有有两两种种方方法法已已经经在在市市场场中中使使用用了了，如如太太阳阳能能电电池池车车的的PERL电电池池，由由新新南南威威尔尔士士大大学学制制造造；还还有有背背电电极极太太阳阳能能电池，由斯坦福大学和太阳动力公司研发。电池，由斯坦福大学和太阳动力公司研发。2024/6/16UNSW新南威尔士大学45 5.4.4 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术高效率太阳能电池高效率太阳能电池 5.4.4 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术高效率太阳能电池高效率太阳能电池PERL太阳能电池太阳能电池 发发射射区区钝钝化化及及背背面面局局部部扩扩散散（PERL）的的太太阳阳能能电电池池-电电池池使使用用了了微微电电子子技技术术使使得得在在AM1.5条条件件下下电电池池的的效效率率接接近近25%。钝钝化化发发射射区区指指的的是是在在电电池池表表面面形形成成高高质质量量的的氧氧化化物物，能能显显著著减减少少表表面面载载流流子子复复合合的的数数量量。对对背背面面进进行行本本地地扩扩散散，指指的的是是只只在在与与金金属属接接触触的的区区域域掺掺杂杂，以以在在尽尽量量减减少少复复合合的的同同时保持良好的电接触。时保持良好的电接触。实验室高效率太实验室高效率太阳能电池的示意图。阳能电池的示意图。实验室高效率太实验室高效率太阳能电池的示意图。阳能电池的示意图。PERL电电池池表表面面的的电电子子显显微微镜镜图图像像，显显示示了了一一根根断断的的金金属属栅栅条条，栅栅条条总总的的宽宽度度小小于于20m，而接触部分的宽度为，而接触部分的宽度为3m。5.4.4 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术高效率太阳能电池高效率太阳能电池PERL电池具有高效率的原因：电池具有高效率的原因：（1）电池正面采用）电池正面采用“倒金字塔倒金字塔”，这种结构受光效果优于，这种结构受光效果优于绒面结构，具有很低的反射率，从而提高的光电池的绒面结构，具有很低的反射率，从而提高的光电池的Jsc.（2）淡磷、浓磷的分区扩散。栅电极下的浓磷扩散可以减）淡磷、浓磷的分区扩散。栅电极下的浓磷扩散可以减少栅电极接触电阻；而受光区域的淡磷扩散满足横向电阻功少栅电极接触电阻；而受光区域的淡磷扩散满足横向电阻功耗小，且短波响应好的要求。耗小，且短波响应好的要求。（3）背面进行定域、小面积的硼扩散）背面进行定域、小面积的硼扩散P+区。这会减少背面区。这会减少背面极的接触电阻，又增加了硼背面场，蒸铝的背电极本身又是极的接触电阻，又增加了硼背面场，蒸铝的背电极本身又是很好的背反射器，从而进一步提高了电池的转化效率。很好的背反射器，从而进一步提高了电池的转化效率。（4）双面钝化。发射极的表面钝化减少了前表面的少子复）双面钝化。发射极的表面钝化减少了前表面的少子复合。而背面钝化使反向饱和电流下降，同时光谱响应也得到合。而背面钝化使反向饱和电流下降，同时光谱响应也得到改善。改善。5.4.4 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术高效率太阳能电池高效率太阳能电池二氧化硅钝化层和减反射膜二氧化硅钝化层和减反射膜N型扩散型扩散拥有长少数载流子寿命的拥有长少数载流子寿命的p型衬底型衬底N型扩散型扩散负电极负电极P型扩散型扩散正电极正电极N型扩散型扩散负电极负电极全部电极都在电池的背面，即简化连接又消除了阴影损失全部电极都在电池的背面，即简化连接又消除了阴影损失商业产品中使用的背电极电池商业产品中使用的背电极电池背电极太阳能电池背电极太阳能电池背电极电池指背电极电池指把两边电极都放到电池背面。把两边电极都放到电池背面。背背电电极极电电池池通通过过把把两两边边电电极极都都放放到到电电池池背背面面的的方方式式来来消消除除阴阴影影损损失失。由由高高质质量量材材料料制制成成的的薄薄膜膜太太阳阳能能电电池池，其其在在前前表表面面被被吸吸收收的的光光生生电电子子空空穴穴对对依依然然能能被被电电池池的的背背面面电电极极收收集集。这这种种电电池池在在聚聚光光太太阳阳能能系系统统中中非非常常有有用用，聚聚光光电电池池系统中的串联电阻要比普通的系统中的串联电阻要比普通的大大很多。很多。把把两两种种电电极极都都移移到到背背面面的的另另一一个个好好处处就就是是两两者者之之间间的的相相互互连连接接更更加加容容易易，栅栅条条之之间间相相距距更更近近，因因为为不不必必要要在电池背面留下空间。在电池背面留下空间。5.4.4 硅太阳能电池的制造技术硅太阳能电池的制造技术高效率太阳能电池高效率太阳能电池