太陽能電池制備工藝?yán)碚撗芯?/h1>
2017-08-11 10:21:16李倩常向楠
世界家苑 2017年2期 關(guān)鍵詞：生產(chǎn)工藝原理
李倩 常向楠
摘 要：太陽能是一種清潔可再生能源，其中利用半導(dǎo)體等光電材料的光伏發(fā)電效應(yīng)的太陽能電池有良好的前景。本文通過對太陽能電池原理的分析，簡單介紹了太陽能電池的生產(chǎn)工藝，希望對行業(yè)發(fā)展有所幫助。
關(guān)鍵詞：原理；轉(zhuǎn)化效率；生產(chǎn)工藝
1 原理
太陽能電池發(fā)電是根據(jù)愛因斯坦的光電效應(yīng)；值得注意的是光電效應(yīng)于射線的強(qiáng)度大小無關(guān)，只有頻率達(dá)到或超越可產(chǎn)生光電效應(yīng)的閾值時(shí)，電流才能產(chǎn)生。能夠使半導(dǎo)體產(chǎn)生光電效應(yīng)的光的最大波長同該半導(dǎo)體的禁帶寬度相關(guān)，譬如晶體硅的禁帶寬度在室溫下約為1.155eV，因此必須波長小于1100nm的光線才可以使晶體硅產(chǎn)生光電效應(yīng)。太陽電池是一種可以將太陽能轉(zhuǎn)換的光電元件，其基本構(gòu)造是運(yùn)用P型與N型半導(dǎo)體接合而成的。半導(dǎo)體最基本的材料是“硅”，它是不導(dǎo)電的，但如果在半導(dǎo)體中摻入不同的雜質(zhì)，就可以做成P型與N型半導(dǎo)體，再利用P型半導(dǎo)體有個(gè)電子空穴與N型半導(dǎo)體多了一個(gè)自由電子的電位差來產(chǎn)生電流，所以當(dāng)太陽光照射時(shí)，光能將硅原子中的電子激發(fā)出來，而產(chǎn)生電子和空穴的對流，這些電子和空穴均會受到內(nèi)建電位的影響，分別被N型及P型半導(dǎo)體吸引，而聚集在兩端。此時(shí)外部如果用電極連接起來，形成一個(gè)回路，這就是太陽電池發(fā)電的原理。
2 太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的分析
對于照射到太陽能電池表面的太陽光，應(yīng)該分成兩部分：有效光照和無效光照。所謂無效光照是針對太陽能電池材料本身的光譜響應(yīng)而言的，特定的材料有特定的光譜響應(yīng)頻段，不能響應(yīng)的光照，便無法利用。對于有效光照，一部分被太陽能電池表面反射或漫射，一部分被吸收利用，產(chǎn)生空穴-電子對，但是由于空穴-電子對的復(fù)合，會對其轉(zhuǎn)化效率產(chǎn)生很大影響，另一部分轉(zhuǎn)化為電能。在光強(qiáng)一定的條件下，當(dāng)太陽能電池自身溫度升高時(shí)其輸出功率將下降，其他因素如光強(qiáng)的大小等對其能量轉(zhuǎn)換效率也有所影響?？梢钥闯觯丈涞诫姵乇砻嫔系奶柲艿?3%以上未能轉(zhuǎn)換為有用能量，相當(dāng)一部分能量轉(zhuǎn)化成為熱能，并使電池溫度升高，致電池效率下降。
單晶硅太陽能電池表面的反射或漫射，在源頭上造成有效光照的損失，使得太陽能電池的光吸收率降低，而影響其轉(zhuǎn)化效率。表面復(fù)合與體內(nèi)復(fù)合是影響電池性能的重要因素。硅片的表面的狀態(tài)很復(fù)雜，不僅有原子的懸掛鍵，而且有吸附的雜質(zhì)和外來電荷，這些表面態(tài)都會成為復(fù)合中心，嚴(yán)重影響少數(shù)載流子的收集。硅片內(nèi)部也存在一些金屬雜質(zhì)和晶體缺陷，它們也會成為復(fù)合中心。
總的來說，影響太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的因素，主要可以分為三部分：（1）由于太陽能電池材料本身的光譜響應(yīng)，造成對太陽光譜部分響應(yīng)，不能有效吸收太陽光，這一問題只有通過新材料的發(fā)展來解決。（2）太陽能電池表面對太陽光的反射或漫射，可以采用制絨，或是增加減反射膜的方法。（3）硅片內(nèi)部載流子的復(fù)合，硅太陽電池的表面鈍化技術(shù)可以解決這個(gè)問題，同時(shí)提供良好的減反射膜。為了在硅片內(nèi)部產(chǎn)生更多的電子-空穴對，需要有更多的光子進(jìn)入硅片內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)這樣的過程，硅片表面需要減反射膜，以減少光的反射損失。
3 太陽能電池詳細(xì)的生產(chǎn)工藝
3.1硅片切割，材料準(zhǔn)備
工業(yè)制作硅電池所用的單晶硅材料，一般采用坩鍋直拉法制的太陽級單晶硅棒，原始的形狀為圓柱形，然后切割成方形硅片（或多晶方形硅片），硅片的邊長一般為10～15cm，厚度約200～350um，電阻率約1Ω.cm的p型（全球節(jié)能環(huán)保網(wǎng)摻硼）。
3.2去除損傷層
硅片在切割過程會產(chǎn)生大量的表面缺陷，這就會產(chǎn)生兩個(gè)問題，首先表面的質(zhì)量較差，另外這些表面缺陷會在電池制造過程中導(dǎo)致碎片增多。因此要將切割損傷層去除，一般采用堿或酸腐蝕，腐蝕的厚度約10um。
3.3制絨
制絨，就是把相對光滑的原材料硅片的表面通過酸或堿腐蝕，使其凸凹不平，變得粗糙，形成漫反射，減少直射到硅片表面的太陽能的損失。對于單晶硅來說一般采用NaOH加醇的方法腐蝕，利用單晶硅的各向異性腐蝕，在表面形成無數(shù)的金字塔結(jié)構(gòu)，堿液的溫度約80度，濃度約1～2%，腐蝕時(shí)間約15分鐘。對于多晶來說，一般采用酸法腐蝕。
3.4擴(kuò)散制結(jié)
擴(kuò)散的目的在于形成PN結(jié)。普遍采用磷做n型摻雜。由于固態(tài)擴(kuò)散需要很高的溫度，因此在擴(kuò)散前硅片表面的潔凈非常重要，要求硅片在制絨后要進(jìn)行清洗，即用酸來中和硅片表面的堿殘留和金屬雜質(zhì)。
3.5邊緣刻蝕、清洗
擴(kuò)散過程中，在硅片的周邊表面也形成了擴(kuò)散層。周邊擴(kuò)散層使電池的上下電極形成短路環(huán)，必須將它除去。周邊上存在任何微小的局部短路都會使電池并聯(lián)電阻下降，以至成為廢品。目前，工業(yè)化生產(chǎn)用等離子干法腐蝕，在輝光放電條件下通過氟和氧交替對硅作用，去除含有擴(kuò)散層的周邊。
擴(kuò)散后清洗的目的是去除擴(kuò)散過程中形成的磷硅玻璃。
3.6沉積減反射層
沉積減反射層的目的在于減少表面反射，增加折射率。廣泛使用PECVD淀積SiN，由于PECVD淀積SiN時(shí)，不光是生長SiN作為減反射膜，同時(shí)生成了大量的原子氫，這些氫原子能對多晶硅片具有表面鈍化和體鈍化的雙重作用，可用于大批量生產(chǎn)。
3.7絲網(wǎng)印刷上下電極
電極的制備是太陽電池制備過程中一個(gè)至關(guān)重要的步驟，它不僅決定了發(fā)射區(qū)的結(jié)構(gòu)，而且也決定了電池的串聯(lián)電阻和電池表面被金屬覆蓋的面積。最早采用真空蒸鍍或化學(xué)電鍍技術(shù)，而現(xiàn)在普遍采用絲網(wǎng)印刷法，即通過特殊的印刷機(jī)和模版將銀漿鋁漿（銀鋁漿）印刷在太陽電池的正背面，以形成正負(fù)電極引線。
3.8共燒形成金屬接觸
晶體硅太陽電池要通過三次印刷金屬漿料，傳統(tǒng)工藝要用二次燒結(jié)才能形成良好的帶有金屬電極歐姆接觸，共燒工藝只需一次燒結(jié)，同時(shí)形成上下電極的歐姆接觸。在太陽電池絲網(wǎng)印刷電極制作中，通常采用鏈?zhǔn)綗Y(jié)爐進(jìn)行快速燒結(jié)。
3.9電池片測試
完成的電池片經(jīng)過測試分檔進(jìn)行歸類。
4 結(jié)語
總之，隨著一些新理念、新設(shè)想的不斷提出和制造技術(shù)的日益成熟，太陽能電池的效率會不斷得到提高，而其制造成本會進(jìn)一步降低，更有利于產(chǎn)業(yè)化。
參考文獻(xiàn)
[1] 魏奎先，戴永年，馬文會等.太陽能電池硅轉(zhuǎn)換材料現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].輕金屬，2006，（2）：52-56
[2] 郭浩，丁麗，劉向陽.太陽能電池的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].許昌學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，25（2）：38-41
（作者單位：英利能源（中國）有限公司）
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李倩 常向楠
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關(guān)鍵詞：原理；轉(zhuǎn)化效率；生產(chǎn)工藝
1 原理
太陽能電池發(fā)電是根據(jù)愛因斯坦的光電效應(yīng)；值得注意的是光電效應(yīng)于射線的強(qiáng)度大小無關(guān)，只有頻率達(dá)到或超越可產(chǎn)生光電效應(yīng)的閾值時(shí)，電流才能產(chǎn)生。能夠使半導(dǎo)體產(chǎn)生光電效應(yīng)的光的最大波長同該半導(dǎo)體的禁帶寬度相關(guān)，譬如晶體硅的禁帶寬度在室溫下約為1.155eV，因此必須波長小于1100nm的光線才可以使晶體硅產(chǎn)生光電效應(yīng)。太陽電池是一種可以將太陽能轉(zhuǎn)換的光電元件，其基本構(gòu)造是運(yùn)用P型與N型半導(dǎo)體接合而成的。半導(dǎo)體最基本的材料是“硅”，它是不導(dǎo)電的，但如果在半導(dǎo)體中摻入不同的雜質(zhì)，就可以做成P型與N型半導(dǎo)體，再利用P型半導(dǎo)體有個(gè)電子空穴與N型半導(dǎo)體多了一個(gè)自由電子的電位差來產(chǎn)生電流，所以當(dāng)太陽光照射時(shí)，光能將硅原子中的電子激發(fā)出來，而產(chǎn)生電子和空穴的對流，這些電子和空穴均會受到內(nèi)建電位的影響，分別被N型及P型半導(dǎo)體吸引，而聚集在兩端。此時(shí)外部如果用電極連接起來，形成一個(gè)回路，這就是太陽電池發(fā)電的原理。
2 太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的分析
對于照射到太陽能電池表面的太陽光，應(yīng)該分成兩部分：有效光照和無效光照。所謂無效光照是針對太陽能電池材料本身的光譜響應(yīng)而言的，特定的材料有特定的光譜響應(yīng)頻段，不能響應(yīng)的光照，便無法利用。對于有效光照，一部分被太陽能電池表面反射或漫射，一部分被吸收利用，產(chǎn)生空穴-電子對，但是由于空穴-電子對的復(fù)合，會對其轉(zhuǎn)化效率產(chǎn)生很大影響，另一部分轉(zhuǎn)化為電能。在光強(qiáng)一定的條件下，當(dāng)太陽能電池自身溫度升高時(shí)其輸出功率將下降，其他因素如光強(qiáng)的大小等對其能量轉(zhuǎn)換效率也有所影響?？梢钥闯觯丈涞诫姵乇砻嫔系奶柲艿?3%以上未能轉(zhuǎn)換為有用能量，相當(dāng)一部分能量轉(zhuǎn)化成為熱能，并使電池溫度升高，致電池效率下降。
單晶硅太陽能電池表面的反射或漫射，在源頭上造成有效光照的損失，使得太陽能電池的光吸收率降低，而影響其轉(zhuǎn)化效率。表面復(fù)合與體內(nèi)復(fù)合是影響電池性能的重要因素。硅片的表面的狀態(tài)很復(fù)雜，不僅有原子的懸掛鍵，而且有吸附的雜質(zhì)和外來電荷，這些表面態(tài)都會成為復(fù)合中心，嚴(yán)重影響少數(shù)載流子的收集。硅片內(nèi)部也存在一些金屬雜質(zhì)和晶體缺陷，它們也會成為復(fù)合中心。
總的來說，影響太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的因素，主要可以分為三部分：（1）由于太陽能電池材料本身的光譜響應(yīng)，造成對太陽光譜部分響應(yīng)，不能有效吸收太陽光，這一問題只有通過新材料的發(fā)展來解決。（2）太陽能電池表面對太陽光的反射或漫射，可以采用制絨，或是增加減反射膜的方法。（3）硅片內(nèi)部載流子的復(fù)合，硅太陽電池的表面鈍化技術(shù)可以解決這個(gè)問題，同時(shí)提供良好的減反射膜。為了在硅片內(nèi)部產(chǎn)生更多的電子-空穴對，需要有更多的光子進(jìn)入硅片內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)這樣的過程，硅片表面需要減反射膜，以減少光的反射損失。
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3.2去除損傷層
硅片在切割過程會產(chǎn)生大量的表面缺陷，這就會產(chǎn)生兩個(gè)問題，首先表面的質(zhì)量較差，另外這些表面缺陷會在電池制造過程中導(dǎo)致碎片增多。因此要將切割損傷層去除，一般采用堿或酸腐蝕，腐蝕的厚度約10um。
3.3制絨
制絨，就是把相對光滑的原材料硅片的表面通過酸或堿腐蝕，使其凸凹不平，變得粗糙，形成漫反射，減少直射到硅片表面的太陽能的損失。對于單晶硅來說一般采用NaOH加醇的方法腐蝕，利用單晶硅的各向異性腐蝕，在表面形成無數(shù)的金字塔結(jié)構(gòu)，堿液的溫度約80度，濃度約1～2%，腐蝕時(shí)間約15分鐘。對于多晶來說，一般采用酸法腐蝕。
3.4擴(kuò)散制結(jié)
擴(kuò)散的目的在于形成PN結(jié)。普遍采用磷做n型摻雜。由于固態(tài)擴(kuò)散需要很高的溫度，因此在擴(kuò)散前硅片表面的潔凈非常重要，要求硅片在制絨后要進(jìn)行清洗，即用酸來中和硅片表面的堿殘留和金屬雜質(zhì)。
3.5邊緣刻蝕、清洗
擴(kuò)散過程中，在硅片的周邊表面也形成了擴(kuò)散層。周邊擴(kuò)散層使電池的上下電極形成短路環(huán)，必須將它除去。周邊上存在任何微小的局部短路都會使電池并聯(lián)電阻下降，以至成為廢品。目前，工業(yè)化生產(chǎn)用等離子干法腐蝕，在輝光放電條件下通過氟和氧交替對硅作用，去除含有擴(kuò)散層的周邊。
擴(kuò)散后清洗的目的是去除擴(kuò)散過程中形成的磷硅玻璃。
3.6沉積減反射層
沉積減反射層的目的在于減少表面反射，增加折射率。廣泛使用PECVD淀積SiN，由于PECVD淀積SiN時(shí)，不光是生長SiN作為減反射膜，同時(shí)生成了大量的原子氫，這些氫原子能對多晶硅片具有表面鈍化和體鈍化的雙重作用，可用于大批量生產(chǎn)。
3.7絲網(wǎng)印刷上下電極
電極的制備是太陽電池制備過程中一個(gè)至關(guān)重要的步驟，它不僅決定了發(fā)射區(qū)的結(jié)構(gòu)，而且也決定了電池的串聯(lián)電阻和電池表面被金屬覆蓋的面積。最早采用真空蒸鍍或化學(xué)電鍍技術(shù)，而現(xiàn)在普遍采用絲網(wǎng)印刷法，即通過特殊的印刷機(jī)和模版將銀漿鋁漿（銀鋁漿）印刷在太陽電池的正背面，以形成正負(fù)電極引線。
3.8共燒形成金屬接觸
晶體硅太陽電池要通過三次印刷金屬漿料，傳統(tǒng)工藝要用二次燒結(jié)才能形成良好的帶有金屬電極歐姆接觸，共燒工藝只需一次燒結(jié)，同時(shí)形成上下電極的歐姆接觸。在太陽電池絲網(wǎng)印刷電極制作中，通常采用鏈?zhǔn)綗Y(jié)爐進(jìn)行快速燒結(jié)。
3.9電池片測試
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4 結(jié)語
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參考文獻(xiàn)
[1] 魏奎先，戴永年，馬文會等.太陽能電池硅轉(zhuǎn)換材料現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].輕金屬，2006，（2）：52-56
[2] 郭浩，丁麗，劉向陽.太陽能電池的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].許昌學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，25（2）：38-41
（作者單位：英利能源（中國）有限公司）
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