太阳能电池培训手册[上] - 图文

由天下分享时间：2024/12/3 20:40:58 加入收藏我要投稿点赞

太阳能电池培训手册

开路电压降低，并且导致填充因子下降。

３、晶向、位错、寿命

太阳电池较多选用（１１１）和（１００）晶向生长的单晶。由于绒面电池相对有较高的吸光性能，较多采用（１００）间的硅衬底材料。在不要求太阳电池有很高转换效率的场合，位错密度和电子寿命不作严格要求。

2.2 单体电池的制造

硅单体太阳电池的主要制造工艺主要包包括表面准备、扩散制结、制作电极和减反射膜几道工序，下面分别作一叙述：

2.2.1硅片的表面处理

硅片的表面准备是制造硅太阳电池的第一步主要工艺，它包括硅片的化学清洗和表面腐蚀。

2.2.1.1硅片的化学处理

通常，由单晶棒所切割的硅片表面可能污染的杂质大致可归纳为三类：1、油脂、松香、蜡等有机物质。2、金属、金属离子及各种无机化合物。3、尘埃以及其它可溶性物质，通过一些化学清洗剂可以达到去污的目的。如硫酸、王水、酸性和碱性过氧化氢溶液等。

2.2.1.2硅片的表面腐蚀

硅片经过初步清洗去污后，要进行表面腐蚀，这是由于机械切片后，在硅片表面留下的平均为30～50μm厚的损伤层，腐蚀液有酸性和碱性两类。

1、酸性腐蚀法

硝酸和氢氟酸的混合液可以起到很好的腐蚀作用，其溶液配比为浓硝酸：氢氟酸=10：1到2：1。硝酸的作用是使单质硅氧化为二氧化硅，其反应为

3Si+4HNO3===3SiO2+2HO2+4NO↑

而氢氟酸使在硅表面形成的二氧化硅不断溶解，使反应不断进行，其反应为

SiO2+6HF=H2[SiF6]+2H2O

生成的络合物六氟硅酸溶于水，通过调整硝酸和氢氟酸的比例，溶液的温度可控制腐蚀速度，如在腐蚀液中加入醋酸作缓冲剂，可使硅片表面光亮。一般酸性腐蚀液的配比为

硝酸：氢氟酸：醋酸==5：3：3或5：1：1

2、碱性腐蚀

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硅可与氢氧化钠、氢氧化钾等碱的溶液起作用，生成硅酸盐并放出氢气，化学反应

为：Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑

出于经济上的考虑，通常用较廉价的NaOH溶液，图3.4为100°C下不同浓度的NaOH溶液对（100）晶向硅片的腐蚀速度。

图3.4 硅片在不同浓度NaOH溶液中的腐蚀速率

碱腐蚀的硅片表面虽然没有酸腐蚀光亮平整，但制成的电池性能完全相同，目前，国内外在硅太阳电池生产中的应用表明，碱腐蚀液由于成本较低，对环境污染较小，是较理想的硅表面腐蚀液，另外碱腐蚀还可以用于硅片的减薄技术，制造薄型硅太阳电池。

2.2.1.3碱面硅表面的制备

太阳电池主要进展之一是应用了绒面硅片，绒面状的硅表面是利用硅的各向异性腐蚀，在硅表面形成无数的四面方锥体，图3.5为扫描电子显微镜观察到的绒面硅表面。

图3.5 在扫描电镜下绒面电池表面的外貌

高10μm的峰是方形底面金字塔的顶。这些金字塔的

侧面是硅晶体结构中相交的(111)面

由于入射光在表面的多次反射和折射，增加了光的吸收，其反射率很低，故绒面电池也称为黑电池或无反射电池。

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各向异性腐蚀即腐蚀速度随单晶的不同结晶方向而变化，一般说来，晶面间的共价健密度越高，也就越难腐蚀。对于硅而言，如选择合适的腐蚀液和腐蚀温度，（100）面可比（111）面腐蚀速度大数十倍以上。因此，（100）硅片的各向异性腐蚀最终导致在表面产生许多密布的表面为（111）面的四面方锥体，由于腐蚀过程的随机性，方锥体的大小不等，以控制在3～6μm为宜。

硅的各向异性腐蚀液通常用热的碱性溶液，如氢氧化钠，氢氧化钾，氢氧化锂，联氨和乙二胺等，商品化电池的生产中，通常使用廉价的氢氧化钠稀溶液（浓度为1～2%）来制备绒面硅，腐蚀温度为80°C左右，为了获得均匀的绒面，还应在溶液中添加醇类（如无水乙醇或异丙醇等）作为络合剂，加快硅的腐蚀。

2.2.2扩散制结

制结过程是在一块基体材料上生成导电类型不同的扩散层，它和制结前的表面处理均是电池制造过程中的关键工序。制结方法有热扩散，离子注入，外延，激光及高频电注入法等。本节主要介绍热扩散法。

扩散是物质分子或原子运动引起的一种自然现象，热扩散制p—n结法为用加热方法使V族杂质掺入P型或Ⅲ族杂质掺入n型硅。硅太阳电池中最常用的V族杂质元素为磷，Ⅲ族杂质元素为硼。

对扩散的要求是获得适合于太阳电池p—n结需要的结深和扩散层方块电阻，浅结死层小，电池短波响应好，而浅结引起串联电阻增加，只有提高栅电极的密度，才能有效提高电池的填充因子，这样，增加了工艺难度，结深太深，死层比较明显，如果扩散浓度太大，则引起重掺杂效应，使电池开路电压和短路电流均下降，实际电池制作中，考虑到各个因素，太阳电池的结深一般控制在0.3～0.5μm，方块电阻均20～70Ω/□，硅太阳电池所用的主要热扩散方法有涂布源扩散，液态源扩散，固态源扩散等，下面分别对这几种方法作简单介绍。

2.2.2.1涂布源扩散

涂布源扩散一般分简单涂源扩散和二氧化硅乳胶源涂布扩散。

简单涂源扩散是用一、二滴五氧化二磷或三氧化二硼在水（或乙醇）中稀溶液，预先滴涂于p型或n型硅片表面作杂质源与硅反应，生成磷或硼硅玻璃。沉积在硅表面的杂质元素在扩散温度下向硅内部扩散。因而形成pn或np结。

工业生产中，涂布源方法有喷涂，刷涂，丝网印刷，浸涂，旋转涂布等。该方法成本低廉，适宜于小批量生产涂源扩散工艺的主要控制因素是扩散温度，扩散时间和杂质源浓度，最佳扩散条件常随硅片的性质和扩散设备而变化。

实例：

p型硅片晶向（111）电阻率 1.0Ωcm 扩散温度 900～950°C

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扩散时间 10～15min 氮气流量 30～70ml/min

杂质源为特纯P2O5在水或乙醇中的溶液表面方块电阻20～40Ω/□

二氧化硅乳胶实际上是一种有机硅氧烷的水解聚合物，能溶于乙醇等有机溶剂中，形成有一定粘度的溶液，它在100～400°C下烧烘烤后逐步形成无定型的二氧化硅。二氧化硅乳胶可在硅酸乙酯中加水和无水乙醇经过水解而成，也可将四氯化硅通入醋酸后加乙醇制得。乳胶中适量溶解五氧化二磷或三氧化二硼等杂质，并经乙醇稀释成可用的二氧化硅乳胶源。

实例

1Ωcm P型硅片中，将掺杂五氧化二磷的这种源涂布，干燥温度 200°C

扩散温度 800～950°C 扩散时间 15～60min

则可使方块电阻为10～40Ω/□ 结深0.5μm左右。

2.2.2.2液态源扩散

液态源扩散有三氯氧磷液态源扩散和硼的液态源扩散，它是通过气体携带法将杂质带入扩散炉内实现扩散。其原理如图3.6：

图3.6 三氯氧磷扩散装置示意图

对于p型10Ωcm硅片，三氯氧磷扩散过程举例如下：

（1）将扩散炉预先升温至扩散温度（850～900°C）。先通入大流量的氮气（500～1000ml/min），驱除管道内气体。如果是新处理的石英管，还应接着通源，即通小流量氮气，（40～100ml/min）和氧气（30～90ml/min），使石英壁吸收饱和。

（2）取出经过表面准备的硅片，装入石英舟，推入恒温区，在大流量氮气（500～1000ml/min）保护下预热5分钟。

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（3）调小流量，氮气40～100ml/min、氧气流量30～90ml/min。通源时间10～15min。（4）失源，继续通大流量的氮气５min，以赶走残存在管道内的源蒸气。

（5）把石英舟拉至炉口降温５分钟，取出扩散好的硅片，硼液态源扩散时，其扩散装置与三氯氧磷扩散装置相同，但不通氧气。

2.2.2.3固态氮化硼源扩散

固态氮化硼扩散通常采用片状氮化硼作源，在氮气保护下进行扩散。片状氮化硼可用高纯氮化硼棒切割成和硅片大小一样的薄片，也可用粉状氮化硼冲压成片。扩散前，氮化硼片预先在扩散温度下通氧３０分钟使氮化硼表面的三氧化二硼与硅发生反应，形成硼硅玻璃沉积下在硅表面，硼向硅内部扩散。扩散温度为９５０～１００0°Ｃ，扩散时间１５～３０分钟，氮气流量２０００ｍｌ／ｍｉｎ以下，氮气流量较低，可使扩散更为均匀。

2.2.2.4各种扩散方法的比较

扩散方法比较

简单涂布源扩散设备简单，操作方便。工艺要求较低，比较成熟。扩散硅片中表面状

态欠佳，ｐ—ｎ结面不太平整，对于大面积硅片薄层电阻值相差较大。

二氧化硅乳胶源涂

设备简单，操作方便，扩散硅片表面状态良好，ｐ—ｎ结平整。均匀

布扩散

性，重复性较好。改进涂布设备。可以适用自动化，流水线生产。

液态源扩散设备和操作比较复杂。扩散硅片表面状态好，ｐ—ｎ结面平整，均匀

性，重复性较好，工艺成熟。

氮化硼固态源扩散设备简单，操作方便，扩散硅片表面状态好，ｐ—ｎ结面平整，均匀

性，重复性比液态源扩散好适合于大批量生产。