太阳能光伏黑硅技术

高效太阳能电池新工艺研究成果介紹夏洋[e-mail]中国科学院微电子研究所2012.12.08内容一、背景二、黑硅发现三、黑硅制作新技术四、各种黑硅技术比较五、黑硅太阳能电池六、等离子体掺杂制备PN结七、原子层沉积钝化技术八、进一步提高效率的方法CostperWattGrossMarginFirstSolar$0.7648.4%TrinaSolar$1.132.1%YingliSolar$1.333.5%Solarfun$1.321%SunPower$1.722.9%成本+空间的占用提高转换效率有待技术突破市场：销售额372亿，装机容量7.3GW分布：欧洲70%；美国9%；中国2%；日本等其他19%一、背景光伏电池产业分布物理法有可能提高质量、降低成本和能耗资料来源：EPIA晶硅一直占主导地位,中国硅晶体占~97%！厚度的限制：200μm→120μm多晶硅技术发展大晶粒晶界优化起源：1999年，哈佛大学教授EricMazur和他的研究生C.Wu在一次实验中意外发现了一种后来称之为黑硅的结构材料。随及在美军方资助下秘密研究了近10年。2008年成立SiOnyx公司，生产黑硅光电探测器。短脉冲激光器二、黑硅的发现SF6Si二维横向移动韩国成均馆大学利用RIE制备了柱状组织的黑硅，反射率6%，单晶电池转换效率可以达到15.1%；美国NREL利用金诱导催化化学腐蚀制备孔状黑硅，单晶黑硅太阳电池效率达到了16.8%；2012年项目目标为单晶17.8%，多晶15.8%复旦大学采用电化学腐蚀法制备了折射率呈梯度变化的多层多孔黑硅，其反射率在大波段范围内已达到5%以下；半导体所利用飞秒激光研究黑硅。黑硅材料及太阳能电池研究三、黑硅制备新技术：利用等离子体浸没离子注入制备黑硅：高效、易控、低成本、低反射率、低损伤。单晶常规制绒单晶PIII黑硅多晶常规制绒多晶PIII黑硅等离子体注入（PIII）技术介绍硅片浸没在等离子体中，在脉冲偏压下产生离子鞘层，形成整片离子掺杂。高能离子注入等离子体浸没注入热扩散Plasmaimmersionionimplantation，PIIIB，orPPIII形成黑硅机理采用等离子体浸没离子注入技术制备黑硅材料，与传统的硼、磷或砷注入不同，反应气体离子在负偏压的作用下被注入进入硅片晶格内，与硅片发生反应，生成孔状或针状组织，通过调节工艺参数，可以实现黑硅材料的可控制备，具有成本低、效率高等优点。PIII制备黑硅材料(本课题原创技术，已申请8项国际、17项国内发明专利）平板式批量黑硅生产原型装备整个原型装备由工作腔室、等离子体源、偏压控制、真空系统和测试系统几个部分组成，系统框图如图所示。V-1V-2P-3V-3P-4P-5V-4P-6V-5P-7V-6P-8P-9P-10P-11注入源大面积平板式ICP等离子体源真空系统自动控制系统出气进气注入偏压V-8P-13V-7P-14P-15P-9V-9温控系统分子泵干泵尾气处理注入鞘层硅片..×RF功率源13.56MHz自动匹配网络××.PIII可控制备多种结构孔状针状复合结构树状蜂窝状山包状NaOH制绒四、黑硅制备技术比较与总结激光扫描等离子注入形状吸光载流子分离电流收集原位掺杂成本损伤金子塔，适合单晶一般，方向敏感一般一般不能低低针尖，单、多晶有利，方向不敏感有利不利不能高高多孔，单、多晶有利，方向不敏感有利有利能低中多孔黑硅，载流子可以绕过孔传输。针尖黑硅，载流子无法在针尖跳跃传输多孔黑硅有利载流子传输多角度吸光，增加全天时效率单晶硅制绒是化学法腐蚀出金字塔结构，斜角入射反射率高多孔黑硅，可增加全天时效率上午中午下午五、黑硅太阳能电池多晶黑硅反射率随波长变化（在红外波段有明显优势）多晶黑硅量子效率明显优于酸制绒16.3%16%预计18%SEM俯视图SEM斜视图多孔状多晶黑硅电池多晶黑硅电池的效率比同批次常规电池效率提高0.8%！单位衬底类型电池效率面积备注中科院微电子所多晶黑硅17.88％156*156mm2小批量产品美国国家能源实验室（NatureNano2012）单晶黑硅18.2％8.9*8.9mm2实验室样品•束线离子注入：离子可筛选，高能注入，但设备昂贵•等离子体浸没注入（PIII）：低能高剂量，浅结注入，成本低。六、注入掺杂制备PN结等离子浸没离子注入机晶圆直径：200mm注入能量：100eV～10KeV掺杂类型：P型、N型靶注入方式：单圆片注入能量精度：±2％注入剂量均匀性：±5％注入剂量重复性：±5％注入结深：≤5nm@（100eV，1019atoms/cm3）准单晶注入，方阻均值65.6，非均匀性小于3%多晶硅注入，方阻均值24.5，非均匀性小于3%PIII注入掺杂制备PN结0.00.10.20.30.40.50.60.71E171E181E191E201E21830度2h830度1has-implantaionPconcenterationdepthnmplasmadoping8601h扩散文献对比ionimplantation840度•PIII注入掺杂SIMS曲线，退火后，结深推进；•总剂量相比于扩散和离子注入低；PIII注入SIMS曲线准单晶多晶硅多晶黑硅14.1%13.6%14.84%PIII注入掺杂方阻40~60ohm/sq，获得最高效率。高于目前报道的PIII注入电池结果PIII注入掺杂制备电池结果2008年，德国弗朗霍夫太阳能研究所的Benick等人在n型Si衬底的p型发射极表面沉积Al2O3薄膜，制得了效率高达23.2%的电池。七、原子层沉积氧化铝钝化技术n型电池p型电池2010年，德国ISFH的Schmidt等人在p型Si衬底的背表面沉积Al2O3薄膜，得到了最高21.4%的电池效率。原子层沉积氧化铝的反应机理Thermal-ALD：(A)AlOH*+Al(CH3)3→AlOAl(CH3)2*+CH4(B)AlCH3*+H2O→AlOH*+CH4PE-ALD：(A)AlOH*+Al(CH3)3→AlOAl(CH3)2*+CH4(B)AlCH3*+4O→AlOH*+CO2+H2O薄膜均匀性maxmin2TTT非均匀性计算公式：折射率：1.6-1.7消光系数：02.94%1.58%1.13%连续模式→脉冲模式吹扫时间加长关闭载气表面粗糙度0.9-1.2nm最好钝化少子寿命沉积态退火后n型片p型片50片PEALD设备2850pcs等离子体原子层沉积系统29400片TALD设备主要技术指标：1、设备功率15KW2、产能400片3、沉积片间非均匀性：±1%4、批次间非均匀性：±1.5%5、10nm氧化铝工艺时间1h内容一、背景二、黑硅发现三、黑硅制作新技术四、各种黑硅技术比较五、黑硅太阳能电池六、等离子体掺杂制备PN结七、原子层沉积钝化技术八、进一步提高效率的方法黑硅的掺杂：表面积增大（孔隙率），方阻减小P目前由于银浆颗粒较大，银不能流入硅孔，栅线和硅的接触电阻较大通过回流工艺，使银流入硅孔，形成准埋栅结构银栅准埋栅结构，减少接触电阻由于多孔结构，黑硅的钝化有很大差别研究反应自钝化工艺，实现表面、体内同时钝化SiNx黑硅的钝化PECVD,ALDSiNx减反层，背铝SiNxAL各种工艺折射率等离子体注入制备黑硅太阳能电池清洗注入F+制备黑硅掺杂P形成ＰＮ结吸附O-钝化印刷电极等离子体注入收集栅的制作探索全新栅线制作技术，减少栅电阻3倍，栅线20微米，提高效率2%，降低成本。内容一、背景二、黑硅发现三、黑硅制作新技术四、各种黑硅技术比较五、黑硅太阳能电池六、进一步提高效率的方法七、发展计划黑硅整线制造装备设备特点：整线生产能力1500片/小时，和电池生产线匹配；多种衬底适用，包括单晶硅、多晶硅、带硅等；非常适合植入自动化生产线；单面处理，避免背面损伤；制备黑硅反射率可控，1%～15%；碎片率极低，≤0.1%；电池效率提高0.8%～1%吸光：多孔陷光，SiNx减反层，背铝产生电子空穴:上、下转换，杂散能级，量子点，叠层电子空穴分离：浅结、耗散区、弯曲电场传输:少子寿命，表面完整性，表面和体内钝化收集:密栅、局部掺杂、新型微细栅效率进一步提高：18%-20%40珍惜每一缕阳光感谢各位！极精微集广成