Si基高效电池工艺路线汇总

ForABetterWorldEnvironment&Future前言高效晶硅电池技术发展现状其他高效电池技术介绍太阳能电池未来发展趋势内容简介AllrightsreservedbyTalesunSolarCo.,Ltd.1839年法国Becquerel报道光照在插入电解质的电极系统中产生光伏效应；1954年贝尔实验室的三位专家研制成功效率为6％的第一块单晶硅太阳电池。纽约时报当时把这一突破性的成果称为“最终导致使无限阳光为人类文明服务的一个新时代的开始。”——划时代的里程碑；1958年硅电池首次在空间应用；1960年代电池效率大幅度提高，得到普遍应用。1970年代初开始在地面应用，1970年代末地面用电池的量已大大超过空间电池；1998年德国实施十万天棚计划。2004年德国实施光伏法案，导致了太阳能光伏产业和光伏应用的迅猛发展。1959年我国第一个实用太阳电池诞生；1971年太阳电池首次应用于我国第二颗人造卫星—实践1号上；1980年代我国引进国外关键设备或成套生产线，太阳电池产业初步形成。2004年后我国大规模引进国外成套生产线，2007年成为光伏生产强国。前言太阳能光伏发展简史AllrightsreservedbyTalesunSolarCo.,Ltd.前言太阳能电池分类•多晶硅•单晶硅•准单晶硅晶硅电池•a-Si•a-Si/c-Si•CIGS•CdTe•GaAs薄膜电池•染料敏化电池－光电化学电池（Grātzel电池）•有机电池•多结(带隙递变)电池•中间带（杂质带）电池，量子点、量子阱电池•上转换器（低能光子合并成高能光子）电池•下转换器（高能光子分解成低能光子）•热载流子电池等新型电池及新概念电池当前晶硅太阳能电池的生产和使用占据主流市场地位，且在未来15~20年将仍然以晶体硅太阳能电池为主AllrightsreservedbyTalesunSolarCo.,Ltd.太阳能光伏发电是利用太阳电池的光伏效应原理直接把太阳辐射能转变为电能的发电方式。典型的太阳电池是一个p-n结半导体二极管。p型半导体及n型半导体p-n结和内建电场的形成电子／空穴对的产生－光生载流子光伏效应－光生电压电流收集和储存转换前言太阳能电池工作原理AllrightsreservedbyTalesunSolarCo.,Ltd.前言太阳能电池的效率（理论和实验室效率）肖克利的太阳电池效率的理论计算晶体管之父WilliamBradfordShockley或许没有想到，他关于半导体的工作不仅引发了一次产业革命，在数十年后又为另外一个庞大行业提供了研究的基础。1961年，他与Queisser通过理论计算发现，效率极限与材料的带隙有关，具有最高理论转换效率的材料是GaAs，其极限效率接近32%，而Si的极限效率要低一些。虽然Shockley预言了半导体太阳电池的极限效率，但是他的结果仅适用了单个p-n结的器件，随着技术日益完善，采用新材料、具有复杂结构的新型光伏器件的制备技术已经出现。对于多个p-n结结构的多结叠层电池和采用纳米技术制备的新材料和新结构的电池而言，它们不受Shockley极限的限制，以至可获得超过40%甚至50%的效率。WilliamBradfordShockley(February13,1910–August12,1989)AllrightsreservedbyTalesunSolarCo.,Ltd.前言太阳能电池的效率（理论和实验室效率）实验室各类型高效电池记录里程碑（晶硅电池最高效率为24.7％，保持世界记录至今）AllrightsreservedbyTalesunSolarCo.,Ltd.高效晶硅电池技术发展现状——影响太阳能电池效率的主要因素波段损失硅的带隙Eg=1.12eV，对应波长大于1.1m的光透过；多余能量损失：波长小于1.1m的光子能量大于Eg，一个光子只产生一个电子，多余能量变热反射损失硅表面反射率35%光学损失二极管非线性损失复合损失辐射、俄歇、表面复合等接触电阻损失电学损失太阳电池效率的损失机理AllrightsreservedbyTalesunSolarCo.,Ltd.降低光学损失最小的栅线遮挡面积最佳前后表面减反射涂层技术最佳减反射的表面织构化技术高效晶硅电池技术发展现状——减少光学损失的技术方向AllrightsreservedbyTalesunSolarCo.,Ltd.高效晶硅电池技术发展现状——减少光学损失的技术（表面织构化）单晶硅碱制绒金字塔绒面形貌多晶酸制绒显微形貌多晶酸制绒SEM形貌常规电池生产工艺中的表面织构化技术根据单晶硅碱制绒各项异性腐蚀的特点，利用强碱+制绒辅助剂，形成金字塔形貌的低反射率织构化表面。工艺控制要点主要为：制绒时间药液配比制绒温度根据晶硅酸制绒各项同性腐蚀的特点，利用HF+HNO3混合酸液，形成蜂窝状低反射率织构化表面。工艺控制要点主要为：制绒时间药液配比制绒温度AllrightsreservedbyTalesunSolarCo.,Ltd.高效晶硅电池技术发展现状——减少光学损失的技术（表面织构化）干法制绒之RIE技术——反应离子刻蚀表面织构化技术RIE制绒后的SEM照片RIE设备一般是由PECVD改装而来，该工艺主要是利用SF6/O2或Cl2等离子体对硅片表面的刻蚀来制绒，由于Cl2具有毒性，所以常常使用SF6/O2作为反应气体。SF6/O2的等离子体经过加速后到达硅片表面，对硅片发生刻蚀，从而形成几百纳米的绒面结构。该方法的优点是可以同时对单晶和多晶硅片进行制绒，制得绒面均匀性好，反射率低；缺点是反应生成的气体具有一定毒性，同时在硅片表面形成一层损伤层，需要通过湿法腐蚀去除。AllrightsreservedbyTalesunSolarCo.,Ltd.高效晶硅电池技术发展现状——减少光学损失的技术（表面织构化）干法制绒之激光技术——激光刻槽和飞秒激光制绒表面织构化技术激光刻槽制绒SEM照片飞秒激光制绒SEM照片激光刻槽制绒是直接用激光在硅片表面扫描刻槽，由于激光光斑尺寸的限制，该方法刻出的槽的宽度大于20μm，深度也常常大于20μm，同时高能激光对硅片表面形成了严重的损伤，也需要通过湿法来去除损伤层，而且扫描完整片硅片需要的时间很长一般需要30分钟以上，因此限制了该方法的产业化应用。飞秒激光制绒是利用飞秒激光在SF6气氛中，激发SF6同硅片发生反应，从而在硅片表面制备出大小均匀的绒面，绒面的尺寸可以从几百纳米到几微米。但缺点是飞秒激光器价格昂贵，同时反应过程会产生有毒气体，反应速度也比较慢，难于应用于产业化。AllrightsreservedbyTalesunSolarCo.,Ltd.高效晶硅电池技术发展现状——减少光学损失的技术（表面织构化）光刻工艺在表面织构化技术中的应用光刻工艺是半导体制造中最重要的工艺步骤之一。主要作用是将掩膜板上的图形复制到硅片上，为下一步进行刻蚀（干法或湿法刻蚀）或者离子注入工序做好准备。光刻工艺优点可根据设计要求，制作均匀一致的表面织构图形。光刻工艺的不足成本高，工艺耗时长。表面准备涂光刻胶软烘焙对准和曝光显影硬烘焙显影目测刻蚀光刻胶去除最终目见光刻十步法光刻工艺形成的各类型表面织构图形PERL电池“倒金字塔表”表面织构图形AllrightsreservedbyTalesunSolarCo.,Ltd.减反膜原理减反膜效果硅片沉积减反膜后形貌高效晶硅电池技术发展现状——减少光学损失的技术（减反射涂层）常规电池生产工艺中的减反射涂层技术在电池表面形成具有一定厚度和折射率的减反射膜，可以使入射光产生的各级反射相互间进行干涉从而完全抵消，从而增加电池对光的吸收能力。当前常规电池减反射工艺主要是基于PECVD技术。PECVD是借助微波电能使得反应气体电离，在局部形成等离子体，增强SiH4和NH3化学反应活性，在基片上沉积出掺氢氮化硅薄膜（SiNx:H）。氮化硅薄膜具有高效的光学减反射性能，优良的表面钝化效果，良好的化学稳定性，以及阻挡钠离子和水蒸汽的能力。此外，减反射技术也可以利用SiNx、Al2O3、TiO2、SiO2、SnO2、ZnS、MgF2等形成单层、双层或多层减反射膜。一些过渡层的存在同时可更好的钝化硅片表面结构，减少表面的缺陷态密度，从而增加少子寿命，提升电池效率。AllrightsreservedbyTalesunSolarCo.,Ltd.高效晶硅电池技术发展现状——减少光学损失的技术（减少正面栅线及阴影遮挡）当前常规丝网印刷工艺，一般会造成5%~10%电池面积的栅线及阴影遮挡损失。如果采用一些特殊的电池制作工艺，可显著降低此部分能量的损失，从而达到增强光吸收，提高电池效率的目的。减少正面栅线及阴影遮挡的主要方法有二次印刷技术（Doubleprint）和电镀技术（Electroplating）激光刻槽埋栅（LGBC）透明电极技术（透明导电氧化物薄膜—TCO）背接触（IBC，MWT，EWT）AllrightsreservedbyTalesunSolarCo.,Ltd.高效晶硅电池技术发展现状——减少光学损失的技术（减少正面栅线及阴影遮挡之DP和电镀技术）二次印刷和电镀都是希望减小电池正面栅线的宽度，提高栅线的高宽比，从而减少光遮挡，减小接触电阻来提高太阳电池的效率。二次印刷技术主要利用套印网版进行两次丝网印刷，形成较优的栅线高宽比。电镀技术一般先在氮化硅表面形成栅线较细的电极图形(种子层)，经过烧结后该层与PN结形成良好的欧姆接触，然后通过电镀的方式增加电极的导电性，从而可以得到栅线宽度在40um左右甚至更窄的电极Appliedmaterial二次印刷技术效果对比示意电镀效果示意电镀后电镀前（种子层）AllrightsreservedbyTalesunSolarCo.,Ltd.清洗,腐蚀制绒面清洗淡磷扩散热氧化钝化开槽槽区腐蚀清洗槽区浓磷扩散背面蒸铝烧制背场化学镀埋栅制作背面电极蒸镀减反射膜去边烧结测试LGBC常规工艺流程高效晶硅电池技术发展现状——减少光学损失的技术（减少正面栅线及阴影遮挡之LGBC技术）LGBC电池是有激光刻槽埋栅电极（Lasergrooveburycontact）工艺电池的简称。由UNSW开发的技术，是利用激光技术在硅表面上刻槽，然后埋入金属，以起到前表面点接触栅极的作用。新南威尔士大学激光刻槽埋栅电池Eta＝19.8%LGBC电池的主要特点•绒面、减反射膜和背面反射器的结合使太阳光充分被利用；•栅指电极只占电池表面积2～4％，遮光率很小，提高短路电流密度；•栅指电极排列紧密减小发射极电阻；•淡磷扩散避免形成“死层”，增加对短波的吸收；•埋栅电极处实行重掺杂使接触电阻降低，有利于欧姆接触；•埋栅电极深入到硅衬底内部增加对基区光生电子的收集；浓磷扩散降低浓磷区电阻功耗和栅指电极与衬底的接触电阻功耗，提高电池的开路电压。AllrightsreservedbyTalesunSolarCo.,Ltd.高效晶硅电池技术发展现状——减少光学损失的技术（减少正面栅线及阴影遮挡之TCO技术）无论是采用丝网印刷技术还是LGBC工艺，电池表面总是有一部分被金属电极覆盖。因此，透明电极受到了人们的关注。太阳能电池用透明电极一般是用ZAO（ZnOx）制成，可以避免表面被遮盖。但是由于硅电池的后续工艺都需要高温，透明电极的导电性能和透光性能在后续工艺中都会下降，因此限制了其当前的应用。ITO-Ag-ITO构造中银薄膜厚度对穿透光谱的模拟结果及所制作的样品透明导电膜中银的网状构造透明电极应用实例CIGS电池结构AllrightsreservedbyTalesunSolarCo.,Ltd.高效晶硅电池技术发展现状——减少光学损失的技术（减少正面栅线及阴影遮挡之IBC技术）交叉指型背接触电池(InterdigitatedBack-