太阳电池材料制备工艺及检测培训课程(PPT 31页)

8.4.2 性能分析
2. 改善原因
填充因子较高是由于金属化栅线较好的电导和这 些栅线与重掺杂槽区之间较低的接触电阻； 电压较高是由于上表面扩散较高的方块电阻，结 合这些面积上整个的氧化提供极好的表面钝化，以 及精区中的重掺杂提供的接触钝化。 埋栅电池达到了接近700mV的开路电压，接近于实 验室硅电池曾经获得的最高电压。
8.2.2 高效地面电池
2. 钝化发射区太阳电池----PESC电池
8.2.2 高效地面电池
3. 双面钝化太阳电池----PERL电池
使电池性能取得重要突破的是上下表面及电极区域 钝化的电池； 如图所示的PERL电池，结合了早先的PESC结构、 双面钝化以及在电池制造过程中采用了氯化物，以 进一步提高了衬底材料的少子寿命和表面钝化效果； 20世纪80年代末，该电池的效率达到了23%，是 对仅仅7年前17%的最高值的一个巨大改善。
其优点是技术成熟，丝网印刷机、烘干和烧 结丝印金属圆形的熔炉，都在传统的厚膜技术中 成功应用。
2. 丝印的局限性
效率低
8.2 高效实验室电池
8.2.1 硅空间电池的发展
大致可分为三 个区域，即：
五十年代； 九十年代
8.2.1 硅空间电池的发展
1. 为何引入空间电池的概念
1）1958年 太阳电池首次在空间应用，装备美 国先锋1号卫星电源。 2）早期电池都是采用单晶硅，价格极其昂 贵。
• 含硅气态前体在衬底上热分解的化学气 相沉积（CVD）；
• 从熔体的金属液沉积硅的液相外延 （LPE）。
• 化学气相沉积
1. 定义： 化学气相沉积(CVD)是通过包含所需成分的气相 化合物或前体反应在衬底上形成固态膜。例如， 通过硅炕(SiH4)或三氯氢硅(SiHCi3)气体的热分 解使衬底为硅层被覆。 2. 厚度： 10～50μm厚的硅层。 3. 常用方法和技术 1)常压化学气相沉积(APCVD)； 2)快速热化学气相沉积(RTCVD)； 3)低压化学气相沉积(LPCVD)。
2. 工艺
去除切割损伤和织构化后，表面轻扩散和生长氧化 物覆盖整个表面，氧化物在电池工艺中起多重作用， 是工艺相对简化的关键。注意不需要像丝印方法那 样去除扩散氧化物。然后用激光划线机、机械切割 锯，或用其他机械或化学方法在电池上表面开槽。 用化学腐蚀清洗槽后，对槽进行第二次扩散。然后， 用蒸发、溅射、丝网印刷或等离子沉积在背表面沉 积铝。 在烧结铝和腐蚀掉氧化物后，化学镀镍、铜和银层 完成电池金属化。 工艺中一个改进的工序利用Si3N4代替氧化物。
8.4.2 性能分析
8.4.2 性能分析
1. 性能比较
在这种情况下报告了近30%的性能优势，虽然之后 丝印电池的改进后这种差距有所减小。同时， BPSolar报告了单位面积的工艺成本事实上是一样的， 与丝印电池单位面积的工艺成本相差在4%以内。因 此，这提供了每峰瓦低得多的成本和较高的单位面 积功率输出。虽然基础投资费用较高，但较低的材 料成本弥补了这一缺点。几个欧洲制造商和研究机 构对此达成了基本一致的结论。
本节课内容介绍
内容：第八章中的8.1-8.7节，即引 言、高效实验室电池、丝网印刷的局 限、埋栅电池、HIT电池、基于氮化 物的方法和总结。
教学目标： 掌握硅薄膜太阳电池的生长技术； 重点：硅薄膜太阳电池的生长技术
难点：硅薄膜太阳电池的生长技术
8.1 引言
1. 目前的主流工艺
到2003年，在售的绝大多数太阳电池都是采 用单晶或多晶(mc)硅片与简单的丝印金属接触相 结合的方法。
8.2.2 高效地面电池
1. 表面钝化和MINP电池
表面钝化，对裸露于太阳光照下的单晶硅太阳电池 的表面，其重要性不言而喻；
以热氧化对电池表面进行钝化时，氧化层必须很薄； 高效硅太阳电池采用热氧化生长的氧化硅作为表面
钝化层，取得了开路电压和短波响应方面增益的最 大化。
20世纪70年代第一个达到18%效率的硅电池 是MINP电池
8.5 HIT电池
HIT电池(有本征薄层的异质结)结合了晶体硅和非晶 硅电池技术，生产中的转换效率类似于埋栅电池和 曾经报道过的某些最高效率大面积实验室器件，基 本的器件结构如图8-12所示。 这种方法产生了效率高达21.0%的创纪录的实验室大 面积电池。
8.5 HIT电池
作业
丝网印刷的局限性是什么？如何改进？
• 化学气相沉积
5. PECVD过程 1）定义 PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）的概念及其原理：利用强电场或 磁场使所需的气体源分子电离产生等离子体，等 离子体中含有很多活性很高的化学基团这些基团 经过经一系列化学和等离子体反应，在样品表面 形成固态薄膜。
2. 重要的技术进展
4） 紫电池的出现 利用光刻勾画几何形状来画出实际上细得多的 金属栅线图形。 使用改善了的Ti02和Ta2O5基减反射涂层，它 们的吸收比SiO小。 产生了可以吸收0.5μm波长以下光的电池，即紫 电池。在空间辐射条件下能量转换效率为13.5%
2. 重要的 技术进展
5） 黑电池的出现 织构化的应用。 在空间辐射条件 下能量转换效率 为15.5%
8.2.2 高效地面电池
1. 表面钝化和MINP电池
8.2.2 高效地面电池
2. 钝化发射区太阳电池----PESC电池
“顶部”是直接接受太阳光照的表面； 顶部上电极区的钝化是通过电极下面减薄氧化物 薄层实现的 PESC的电池结构（passived emitter solar cell, 钝化发射极电池）的电池结构，又将电池的效率提 高了一步； 1985年，将表面的制绒和PESC方法结合，使硅 太阳电池转换效率首次在非聚光状态下达到了20%。
类。
8.3.1 结构
3.缺点： 丝网印刷方法最大的缺点就在于印 刷过程中消耗大量金属浆料的成本 问题以及最后生产出的电池片效率 相对较低.根本原因在丝网印刷所得 到的栅线宽度受到限制,另一个重要 原因是顶电极和硅接触的电阻较高.
8.3.2 典型性能
丝网印刷方法得到的电池开路电压取决于 衬底电阻率，其典型值为580～620mV， 短路电流密度为28～32mA/cm2，大面积 电池的填充因子为70%～75%。丝印金属 化一般遮挡大面积电池的上表面的10%～ 15%，如图8-7所示，一般由150～ 200μm宽、间隔2～3mm的金属栅线组 成。
8.3.2 典型性能
8.3.3 改进的技术
由等离子体化学气相沉淀技术(PECVD)制作 的氮化硅薄膜作为电池的正表面的减反膜,即降 低了电池的表面反射;同时也有效钝化了电池的 表面,降低了电池表面的复合。 改进银浆配方,使得电池表面发射结的薄层电 阻提高的情况下也能实现较好的欧姆接触. 共烧技术,电池的正表面在丝网印刷银浆栅线 后,随着在电池的背面印刷上铝浆和银铝浆,在浆 料烘干后,进入烧结炉,进行前后电极的共烧过程。
预习
内容：第9章中的9.1-9.2
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8.2.2 高效地面电池刷电池的局限
8.3.1 结构 1.电池 结构
8.3.1 结构
2.电池工艺：
腐蚀除去起始晶片的切割损伤，上表面的化学 织构化(若起始材料是<100>晶片)，上表面扩 散到约4OΩ/□，通常将电池叠成一摞而在等 离子体中去边的边结隔离，腐蚀去除扩散氧化 物，前面金属浆料通过适当图形的丝印，前表 面金属化的烘干和烧结，后表面金属浆料的丝 印，后金属接触的烘干和烧结，电池测试和分
• 低温化学气相沉积LPE
液相外延【liquid phase epitaxy】 由溶液 中析出固相物质并沉积在衬底上生成单晶 薄层的方法。液相外延由尼尔松于1963 年发明，成为化合物半导体单晶薄层的主 要生长方法，被广泛的用于电子器件的生 产上。薄层材料和衬底材料相同的称为同 质外延，反之称为异质外延。
8.2.1 硅空间电池的发展
2. 重要的技术进展
1）1954年第一块现代意 义上的单晶硅太阳电池问 世了，它的发明者是贝尔 实验室的Pearson、 Fuller和Chapin。称之为 包绕型结。 优点：顶层没有电极遮挡； 电极容易连接。 缺点：电阻较高。 其效率仅为4.5%
2. 重要的技术进展
8.4 埋栅电池
8.4.1 结构
图8-10所示的埋栅太阳电池被开发出来，以克 服先前所述的丝印电池方法的效率限制。这种 方法量显著的特征是在上表面利用槽形成电池 的金属化。虽然最初研究了利用丝印的金属化 步骤(在印刷操作中将金属压入槽中)，最成功 的设计利用了化学镀金属栅线。
8.4.1 结构
8.4.2 性能分析
2） 随后的十几年里发展缓慢。 关键特征包括利用10Ω•cm的P型衬底使抗辐射 性能最强，使用名义上的4OΩ/□、0.5μm深的 磷扩散等。在空间辐射条件下能量转换效率为 10%～ 11%
3）铝背场的出现 20世纪60年代末，背铝处理的优点日益明显， 特别是对于比正常厚度稍薄的电池。把空间电池 效率相应地提高到12.4%。
材料、制备工艺及检测
上节课知识点
6.4.2 硅沉积技术
• 高温硅沉积法； • 低温沉积法；
一、 高温硅沉积法
• 概述： 高温(>1000℃)的硅沉积法是获得硅的高沉
积速率(1-20μm/min)的重要方法。 2. 高温沉积技术包括：
• 元素硅熔融后在衬底上沉积薄膜或硅层 的熔体生长和熔体被覆技术；