第六章 标准硅太阳能电池工艺

火烤
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将晶片置于高温炉内进行火烤，烧掉金属膏里的有机 化合物，并将金属颗粒烧结在一起。
太阳能电池的丝网印刷流程
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6.5 太阳能电池封装成太阳能电池组件
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6.5.1 组件结构 6.5.2 电池的工作温度 6.5.3 组件的耐久性 6.5.4 组件电路设计
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6.5.1 组件结构
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太阳能电池可用20年以上，其模块结构设计需考虑的因素：
6.5.3 组件的耐久性
设计热场，提高长晶的良率（生产不含任何位错的硅单晶 棒的能力） 18 重复加料，增加出产率
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溶解反应：
SiO2 Si+2O
CZ拉晶流程
在石英坩埚中加入多晶硅原料和掺杂 无。P型掺杂B，N型掺杂P。 a.加料 长晶炉关闭并抽成真空，使其保持一 定的压力值。打开石墨加热器电源，将 原料加热至熔融。
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b.熔化
将硅溶液的温度调节到适合拉晶的稳 定状态。 c.稳定化
CZ拉晶流程
一般使用<100>方向的硅晶片，将该 方向的晶种浸入硅熔液。 d.晶种浸入
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e.晶颈生长
将晶种快速向上提升，使长出的晶体 直径缩小到一定的大小（3~6mm）只要 晶颈足够长，位错（晶种与硅熔液接触 时，产生了热应力，导致晶种产生位错） 能长出晶体表面，产生零位错的晶体。
切片
在切割中，对钢线施加 适当的张力，使钢线来回 拉动。 钢线带动浆料（油及 SiC），使其对晶棒进行切 割。浆料不仅是研磨剂， 还带走研磨中的热量。占 整个切片成本的25%~35%。 太阳能电池厚度为 200~280μm 。 钢 线 直 径 180μm ， 碳 化 硅 为 5~30μm 。
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使用线切割机进行切片
பைடு நூலகம்
正面电极的网印
金属膏： •有机溶剂，使金属膏呈现流体状态，有利于印刷的进 行；
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•有机结合剂，用于固定金属粉末；
•导电金属材料，一般是银的粉末，颗粒大小约为数十微 米，质量约占整个金属膏的60～80%；
•玻璃粉，由低熔点、高活性氧化物粉末组成。可对硅表 面进行蚀刻反应，帮助硅表面与银粉接合。
正面电极的网印
薄膜太阳电池
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薄膜太阳电池可以使用在价格低廉的玻璃、塑料、 陶瓷、石墨，金属片等不同材料当基板来制造。薄膜 厚度仅为数μm，目前转换效率最高可达13%。
6.1 由砂还原为冶金级硅
提炼硅的原始材料是SiO2，是砂的主要成分。
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在电弧炉中加入碳，利用氧化还原反应提取硅：
SiO2 +2C Si+2CO
1. 在石英坩埚中放入纯硅； 2. 加热坩埚，直至硅熔融； 3. 将坩埚缓慢移出加热器，硅从 坩埚底部往上缓慢固化，从而得 到多晶硅锭。
热交换法
布里基曼法
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Si3N4防止多晶硅与坩埚粘结在一起。 坩埚与加热器发生相对移动。 凝固速度1cm/h，完成一次铸造需要2～3天。
多晶硅的晶界
1.晶界将额外的能级缺陷引入到了禁带中，导致了局部 高复合，减少了少数载流子寿命。
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将金属膏添加到印刷板上面，用滚轮对金属膏施压， 从一端滑倒另一端，金属膏就会依据印刷板上的图案印 制到晶片上。
将晶片置于100～200℃的环境下，进行干燥处理，去 除有机挥发物。
背面电极的网印
背面金属电极也采用网印技术制造。
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与正面制造情况不同点在于，金属膏成分同时含有Ag 粉和Al粉。这是由于： • 银粉本身无法与P型硅形成欧姆接触； • 铝粉可形成欧姆接触，但焊接性差。 由于一整层连续背面电极银不同的热膨胀系数，使得 晶片在高温处理时将发生挠曲变形，所以背面电极结构 也为网状。
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在石英坩埚中加入半导体级多晶硅，熔融。 加入微量掺杂剂。控制温度，籽晶能够从 熔融硅中拉出圆柱形单晶硅。
CZ拉晶设备
石英坩埚（SiO2）是 最为重要的热场组件。 石英坩埚内装有熔融 态的硅熔液，两者会发 生化学反应，产生SiO, 将影响长出晶棒的质量。
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降低成本：
拉晶炉内部
CZ拉晶炉设备的外观
h.晶尾生长
长完后的晶棒被升至上炉室冷却一段 时间后取出。 i.单晶棒
修边与切片
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在整个太阳能电池级单晶硅片的制造中，成本构成为：
多晶硅原料：40%； CZ拉晶：30%； 晶圆加工成型：30%，切片最为重要。
修边
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圆形的单晶硅片浪费了 许多面积
使用方形的硅晶片可以有 效的吸收太阳能
修边
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将硅片置入石英炉管
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磷扩散制作工艺—石英炉管
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1.P型半导体为基板，三氯氧磷（POCl3）通过载气进入加热炉 管； 4POCl +3O 2P O +6Cl
2P2O5 +5Si 4P+6SiO2
3
2
2
5
2
2.在高温扩散作用下（800~900℃），磷原子进入硅晶格内，硅 片表面形成含磷的氧化层； 3.硅片表面区域，磷杂质浓度超过硼杂质； 4.硅片表面区域，会产生一层SiO2，需用氢氟酸HF来去除。 SiO2 6HF H 2SiF6 +2H 2O
有良好的光电转换效率；
有长期的稳定性；
硅太阳能电池的种类
单晶硅： 硅原子排列是周期性的，且朝 同一个方向。 晶格缺陷较少，用作太阳能电 池材料时转换效率高。 多晶硅： 由许许多多不同排列方向的单 晶粒组成。 晶界缺陷使得转换效率降低，但 成本相对较低。
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非晶硅： 排列松散，没有规则。 目前全球生产的太阳能电池90%以上使 用的是结晶硅，10%使用了薄膜技术。在 结晶硅太阳能电池中，多晶硅太阳能电池 占了50%以上，单晶硅占40%左右。
将液态硅倒入铸模内进行凝固，用压碎机压成小块。 所得到的硅为冶金级硅（MG-Si），纯度为98%~99%。
生产冶金级多晶硅原料的电弧炉
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电弧炉外观
电能加热电弧炉中的石墨电极 焦炭、煤炭和木屑为还原剂
液态硅倒入铸模
冶金级硅中杂质的浓度
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可在液化硅中加入氧化气体，与比 硅活性强的元素（Al，Ca，Mg等）发 生反应，形成炉渣，从而移除杂质。
正面电极的网印
太阳能电池对正面金属电极的要求： •与硅接触时电阻低 •金属线宽小： •与硅之间的黏着力强 •可焊性高； •可以大量生产、制造成本低等。 网印技术是目前最为普遍的正面电极制造技术。
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正面电极的网印
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印刷板： 一个铝制边框，上面有许多不锈钢线，密度 为80～100条/cm，线直径为10 μm ，线间距 为10 μm 。
和腐蚀。
组件结构
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当晶片焊上互联条，再与EVA及铁质强化玻璃堆栈好后， 放入层压机做真空封装。
互联条
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温度上升时，电池与电池的间隙将扩大。所以用互联条 来调节电池之间的膨胀。 通常，电池之间的连接线是成圆形的，以尽量减小周期应 力（收缩与膨胀）。互联条一般为双层以防止被这种应力破 坏。
6.5.2 电池的工作温度
电池性能因温度升高而变差。
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对于典型工作条件下，每种组件将有一个特定的温度，即 电池额定工作温度（NOCT）。 安装在露天框架上的组件，在充足的阳光照射下（ 100mW/cm2）,大多数的电池温度大约高于环境温度30℃。 在非标准工作条件下，电池温度的近似表达式可写为： T电池(℃)= T环境(℃)+0.3×阳光强度(mW/cm2) 52
三氯硅烷的制造与纯化
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600℃ 时， Si 3HCl SiHCl 3 H 2 低温保存，避免日照， 防止SiHCl3发生急速气化 而爆炸。
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Siemens方法生产多晶硅
1100℃反应炉： SiHCl 3 H 2 Si 3HCl 将晶种固定在电极上
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H2还充当了SiHCl3的运输气体
可承受机械负载；
避免环境污染；
电绝缘； 紫外稳定性； 在高低极限温度及热冲击下电池不致因应力而破裂； 自净能力； 维持电池低温以将功率损失最小化的能力； 成本低廉等。
组件结构
强化玻璃：有足够的机械强
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度和透光性（紫外）。
EVA高分子塑料，作为保护
层。
背面层：复合塑料，防水汽
第六章 标准硅太阳能电池工艺
南京理工大学 材料科学与工程学院
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内容
6.1 由砂还原为冶金级硅
6.2 冶金级硅提纯为半导体级硅
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6.3 半导体级多晶硅转变为单晶硅片
6.4 单晶硅片制成太阳能电池 6.5 太阳能电池封装成太阳能电池组件 6.6 能量收支结算
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太阳能电池材料
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禁带宽度1.1eV~1.7eV，以直接带隙半导体为佳； 组成的材料不具有毒性； 材料易取得，成本低；
被还原的Si将沉积在晶种上
钟形罩需水冷，消耗了90%的电力
多晶硅原料
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硅多晶棒经过敲打成为块状， 通过酸洗、干燥、包装等程序 后，成为CZ硅单晶生长或铸造 多晶硅使用的块状原料。
多晶棒
块状多晶原料
半导体级硅原料制备流程图
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6.3 半导体级多晶硅转变为单晶硅片
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单晶硅片通常都拥有比较好的材料性能，但因为需要精确和 缓慢的制造过程，但成本较高，是最为昂贵的硅材料。
边缘绝缘处理
N
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需把边缘的N型掺杂区 移除，不然将出现正面 与背面电极的导通。 N P 采用低温干蚀刻方法： 将晶片堆栈在一起； 放入反应炉； 用CF4和O2的等离子进 行干蚀刻；
金属电极的制作
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金属电极位于太阳能电池结构的表面，通过它，可以取出 带电的光生载流子，进而在半导体与外电路之间产生流通。 太阳能电池正面与背面，会 有 两 条 平 行 的 金 属 电 极 (Bus Bar)，提供了与外界线路的接 焊。宽度在0.5mm左右。 正面的金属电极向侧面伸展 出一系列的细金属线，称为 格子线。用于收集载流子。 为了防止遮光，宽度在50μm 以下。 金属电极材料通常以铝或者银合金为主。
铝和铁为主要杂质
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生产的冶金级硅中，大部分被用于钢铁与铝工业上。 只有很少的一部分用于半导体行业，用于制作太阳能 电池的更少。
6.2 冶金级硅提纯为半导体级硅
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将冶金级硅转变为挥发性的化合物，采用分馏的方法将它 冷凝、提纯，然后提取超纯硅。 1. 利用HCl将冶金级硅原料转换为液态的三氯硅烷SiHCl3。 Si 3HCl SiHCl 3 H 2 这一过程中，Fe、Al、B等杂质也形成了各自的卤化物。 2. SiHCl3为无色易燃液体，沸点为31.9℃ ，通过多重的分馏 法可将它与其他卤化物分离，提高纯度。 3. 采用西门子化学沉积法，将SiHCl3及H2通入1100℃反应炉 内，进行200~300小时： SiHCl 3 H 2 Si 3HCl Si被还原，以细晶粒的多晶硅形式沉积到电加热的硅棒上。
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2.晶界还阻碍了载流子的流动，为穿过pn结的电流提供 分流路径，这也降低太阳能电池的性能。
方形 晶界降低了电池的性能
切片
切片
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多晶硅太阳电池的制造方法与结构
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6.4 单晶硅片制成太阳能电池
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（1） N型杂质的掺入 （2）金属电极的制作
(1) N型杂质的掺入
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在标准太阳能电池工艺中，通常将硼（B）加入到熔料中， 生产出p型硅片。 为制造pn结，需在P型硅片表面制备一层薄的、重掺杂的n 型区。
单晶硅原子的价带结构。每个硅 原子的最外层都有四个电子，与 相邻原子共享电子对。
单晶硅通常被制成大的圆筒形硅锭， 然后切割成圆形或半方的太阳能电 池。还需将边缘切掉，便于装入模 块。
生产单晶硅片的制作工艺
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单晶硅片的制备
生长单晶硅的方法：CZ法（Czochralski） FZ法（Float Zone 浮融法） CZ 拉晶法： Czochralski于1917年发明。 理论转换效率24.7%。
蚀刻清洗
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在切割中，硅片表面会有一层因机械应力所造成的结构 损失层，影响了太阳能电池效率，所以需去掉。 通常用化学蚀刻的方法，加入HF和HNO3调配的混酸，去 除10μm ~20μm厚的表层。
单晶硅太阳电池的制造与结构
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多晶硅的制备
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制备多晶硅的技术相对要简单一些，成本也因此比单晶硅 更低一些。然而由于有晶界的存在，所以多晶硅材料的性能 不如单晶硅材料。 铸造多晶硅一般采用定向凝固的方式。可以长出宽度约数 毫米到数厘米的柱状排列晶体。
f.晶冠和 晶肩生长
降低拉速与温度，使得晶体直径渐渐 增大到所需大小。
CZ拉晶流程
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g.晶身生长
直径固定的部分为晶身。硅晶片取自 晶身。拉速随着晶身长度的增加而递减， 这是因为随着液面高度的下降，晶棒受 到石英坩埚壁的热辐射增加，散热能力 变差。 为避免热应力产生的位错，将晶棒直 径慢慢缩小，直到成一个尖点再与液面 分开。