太阳能光伏黑硅技术

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SIMS曲线
• 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；
1E21
P concenteration
1E20
文献 对比
1E19
1E18
830度1h 830度2h
金子塔，适合单晶 一般，方向敏感
针尖，单、多晶 有利，方向不敏感
多孔，单、多晶 有利，方向不敏感
载流子分离
电流收集 原位掺杂 成本 损伤
一般
一般 不能 低 低
有利
不利 不能 高 高
有利
有利 能 低 中
多孔黑硅有利载流子传输
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，可增加全天时效率
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）
PIII注入掺杂制备PN结
(B) AlCH3* + H2O → AlOH* + CH4
薄膜均匀性
非均匀性计算公 式： Tmax Tmin 2T 折射率：1.6-1.7 消光系数：0
2.94%
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
多晶黑硅
电池效率
17.88％
面积
156*156mm2
备注
小批量产品
美国国家能源实验室 （Nature Nano 2012）
单晶黑硅
18.2％
8.9*8.9mm2
实验室样品
多晶黑硅电池的效率比同批次常规电池效率提高0.8%！
六、注入掺杂制备PN结
• 束线离子注入：离子可筛选， • 等离子体浸没注入（PIII）： 高能注入，但设备昂贵 低能高剂量，浅结注入，成本 低。
光伏电池产业分布
晶硅一直占主导地位,
中国硅晶体占~97%！
物理法有可能提高质 量、降低成本和能耗
资料来源：EPIA
厚度的限制：
200μm→ 120μm
多晶硅技术发展
大晶粒
晶界优化
二、黑硅的发现
起源：1999年，哈佛大学教授 Eric Mazur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。
13.6%
多晶黑硅
14.84%
高于目前报道的PIII注入电池结果
七、原子层沉积氧化铝钝化技术
n型电池
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。
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。
出气 真空系统 分子泵
V-9 P-13 P-5 P-7
V-8
V-1
V-2
V-3
进气
P-14 P-8 P-3 P-4
干泵
尾气处理 注入鞘层 注入源 硅片 温控系统 注入偏压
PIII可控制备多种结构
针状
复合结构
孔状
树状
山包状
蜂窝状
四、黑硅制备技术比较与总结
NaOH制绒 激光扫描 等离子注入
形状 吸光
上午 中午 下午
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
五、黑硅太阳能电池
预计18%
16.3 % 16%
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
多孔状多晶黑硅电池
SEM 俯视图
单位
中科院微电子所
SEM 斜视图
衬底类型
as-implantaion
0.0 0.1 0.2
扩散
ion implantation 840度
0.3 0.4 0.5
plasma doping 860 1h
1E17
0.6
0.7
depth nm
PIII注入掺杂制备电池结果
PIII注入掺杂方阻40~60ohm/sq，获得最高效率。
准单晶
14.1%
多晶硅
SF6 Si
短脉冲激光器
二维 横向 移动
黑硅材料及太阳能电池研究
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。
高效太阳能电池新工艺研究成果介紹
夏洋
xiayang@ime.ac.cn
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
一、背景
成本+空间的占用
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
B，or P
热扩散
高能离子注入
等离子体浸没注入
Plasma immersion ion implantation，PIII
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。
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）
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形成黑硅机理
Biblioteka Baidu
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%
效率进一步提高：18%-20%
n 型 片
沉积态
退火后
p 型 片
50片PEALD设备
50pcs等离子体原子层沉积系统
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400片TALD设备
主要技术指标：
1、设备功率15KW
2、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
29
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
SiNx减反层，背铝
SiNx
折射率
AL
各种工艺
等离子体注入制备黑硅太阳能电池
等离子体注入
清 洗
注入F+
掺杂P 吸附O-
制备黑硅
形成ＰＮ结 钝化
印 刷 电 极
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
原子层沉积氧化铝的反应机理
Thermal-ALD： (A) AlOH* + Al(CH3)3 → AlOAl(CH3)2* + CH4
PE-ALD： (A) AlOH* + Al(CH3)3 → AlOAl(CH3)2* + CH4 (B) AlCH3* + 4O → AlOH* + CO2 + H2O
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。
自动控制系统
RF功率源 13.56MHz
P-15 P-9 P-10 P-9 P-11
自动匹配 网络
大面积平板式ICP等离子体源
× × ×
.
.
.
V-7
V-4
V-5 P-6
V-6
黑硅的掺杂：表面积增大（孔隙率），方阻减小 P
准埋栅结构，减少接触电阻
银栅
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
黑硅的钝化
SiNx
PECVD,ALD
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
Cost per Watt First Solar Trina Solar Yingli Solar Solarfun SunPower $0.76 $1.1 $1.3 $1.3 $1.7
提高转换效率
Gross Margin 48.4% 32.1% 33.5% 21% 22.9%
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%
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
极精微
集广成
珍惜每一缕阳光 感谢各位！
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