歡迎閱讀本文檔，希望本文檔能對(duì)您有所幫助！PAGEPAGE6感謝閱讀本文檔，祝您工作順利，步步高升！太陽(yáng)能電池新工藝一、半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)1.物體的導(dǎo)電能力，一般用材料電阻率的大小來(lái)衡量。電阻率越大，說(shuō)明這種材料的導(dǎo)電能力越弱。表1-1給出以電阻率來(lái)區(qū)分導(dǎo)體，絕緣體和半導(dǎo)體的大致范圍。物體導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體電阻率Ω·CM<10e-410e-3~10e9>10e92.幾種常見(jiàn)元素的原子結(jié)構(gòu)硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)中常用的硅（Si），磷（P），硼（B）元素的原子結(jié)構(gòu)模型如圖1所示PBSiPBSi圖13.單晶和多晶在整個(gè)晶體內(nèi)，原子都是周期性的規(guī)則排列，稱之為單晶。由許多取向不同的單晶顆粒雜亂地排列在一起的固體稱為多晶。4.硅晶體的金剛石結(jié)構(gòu)晶體對(duì)稱的，有規(guī)則的排列叫做晶體格子，簡(jiǎn)稱晶格，最小的晶格叫晶胞。圖2表示一些重要的晶胞((a)簡(jiǎn)單立方（Po）(b)體心立方（Na、W）(c)面心立方（Al、Au）圖2金剛石結(jié)構(gòu)是一種復(fù)式格子，它是兩個(gè)面心立方晶格沿對(duì)角線方向上移1/4互相套構(gòu)而成（見(jiàn)圖3）。圖35.晶面和晶向晶體中的原子可以看成是分布在一系列平行而等距的平面上，這些平面就稱為晶面。每個(gè)晶面的垂直方向稱為晶向。圖1.2-5是幾種常用到的晶面和晶向。111晶向110晶向100晶向圖4比較簡(jiǎn)單的一種包含原子密排面的晶格是面心立方晶格。而金剛石晶格又是兩個(gè)面心立方晶格套在一起，相互之間。沿著晶胞體對(duì)角線方向平移1/4而構(gòu)成的。我們來(lái)看面心立方晶格中的原子密排面。按照硬球模型可以區(qū)分在(100)(110)(111)幾個(gè)晶面上原子排列的情況，如圖4所示。金鋼石晶格是由面心晶格構(gòu)成，所以它的(111)晶面也是原子密排面，它的特點(diǎn)是，在晶面內(nèi)原子密集、結(jié)合力強(qiáng)，在晶面之間距離較大，結(jié)合薄弱，由此產(chǎn)生以下性質(zhì)：(a)由于(111)密排面本身結(jié)合牢固而相互間結(jié)合脆弱，在外力作用下，晶體很容易沿著(111)晶面劈裂，晶體中這種易劈裂的晶面稱為晶體的解理面。(b)由于(111)密排面結(jié)合牢固，化學(xué)腐蝕就比較困難和緩慢，而(100)面原子排列密度比(111)面低。所以(100)面比(111)面的腐蝕速度快，選擇合適的腐蝕液和腐蝕溫度，(100)面腐蝕速度比(111)面大的多，因此，用(100)面硅片采用這種各向異性腐蝕的結(jié)果，可以使硅片表面產(chǎn)生許多密布表面為(111)面的四面方錐體，形成絨面狀的硅表面。6.半導(dǎo)體之所以得到廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗嬖谥恍?dǎo)體和絕緣體所沒(méi)有的獨(dú)特性能。(1)導(dǎo)電能力隨溫度靈敏變化導(dǎo)體，絕緣體的電阻率隨溫度變化很小，（導(dǎo)體溫度每升高一度，電組率大約升高0.4%）。而半導(dǎo)體則不一樣，溫度每升高或降低1度，其電阻就變化百分之幾，甚至幾十，當(dāng)溫度變化幾十度時(shí)，電阻變化幾十，幾萬(wàn)倍，而溫度為絕對(duì)零度（-273℃）時(shí)，則成為絕緣體(2)導(dǎo)電能力隨光照顯著改變當(dāng)光線照射到某些半導(dǎo)體上時(shí)，它們的導(dǎo)電能力就會(huì)變得很強(qiáng)，沒(méi)有光線時(shí)，它的導(dǎo)電能力又會(huì)變得很弱。(3)雜質(zhì)的顯著影響在純凈的半導(dǎo)體材料中，適當(dāng)摻入微量雜質(zhì)，導(dǎo)電能力會(huì)有上百萬(wàn)的增加。這是最特殊的獨(dú)特性能。(4)其他特性溫差電效應(yīng)，霍爾效應(yīng)，發(fā)光效應(yīng)，光伏效應(yīng)，激光性能等。7.半導(dǎo)體中的“電子”和“空穴”(1)本征半導(dǎo)體純凈的半導(dǎo)體，在不受外界作用時(shí)，導(dǎo)電能力很差。而在一定的溫度或光照等作用下，晶體中的價(jià)電子有一部分可能會(huì)沖破共價(jià)鍵的束縛而成為一個(gè)自由電子。同時(shí)形成一個(gè)電子空位，稱之為“空穴”。從能帶圖上看，就是電子離開(kāi)了價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而在價(jià)帶中留下了空穴，產(chǎn)生了一對(duì)電子和空穴。通常將這種只含有“電子空穴對(duì)”的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體?！氨菊鳌敝钢簧婕鞍雽?dǎo)體本身的特性。半導(dǎo)體就是靠著電子和空穴的移動(dòng)來(lái)導(dǎo)電的，因此，電子和空穴被統(tǒng)稱為載流子。(2)產(chǎn)生和復(fù)合由于熱或光激發(fā)而成對(duì)地產(chǎn)生電子空穴對(duì)，這種過(guò)程稱為“產(chǎn)生”?？昭ㄊ枪矁r(jià)鍵上的空位，自由電子在運(yùn)動(dòng)中與空穴相遇時(shí)，自由電子就可能回到價(jià)鍵的空位上來(lái)，而同時(shí)消失了一對(duì)電子和空穴，這就是“復(fù)合”。在一定溫度下，又沒(méi)有光照射等外界影響時(shí)，產(chǎn)生和復(fù)合的載流子數(shù)相等，半導(dǎo)體中將在產(chǎn)生和復(fù)合的基礎(chǔ)上形成熱平衡。此時(shí)，電子和空穴的濃度保持穩(wěn)定不變，但是產(chǎn)生和復(fù)合仍在持續(xù)的發(fā)生。(3)雜質(zhì)和雜質(zhì)半導(dǎo)體純凈的半導(dǎo)體材料中若含有其它元素的原子，那么，這些其它元素的原子就稱為半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)原子。對(duì)硅的導(dǎo)電性能有決定影響的主要是三族和五族元素原子。還有些雜質(zhì)如金，銅，鎳，錳，鐵等，在硅中起著復(fù)合中心的作用，影響壽命，產(chǎn)生缺陷，有著許多有害的作用。①N型半導(dǎo)體磷（P)，銻（sb)等五族元素原子的最外層有五個(gè)電子，它在硅中是處于替位式狀態(tài)，占據(jù)了一個(gè)原來(lái)應(yīng)是硅原子所處的晶格位置，如圖1.6-2。磷原子最外層五個(gè)電子中只有四個(gè)參加共價(jià)鍵，另一個(gè)不在價(jià)鍵上，成為自由電子，失去電子的磷原子是一個(gè)帶正電的正離子，沒(méi)有產(chǎn)生相應(yīng)的空穴。正離子處于晶格位置上，不能自由運(yùn)動(dòng)，它不是載流子。因此，摻入磷的半導(dǎo)體起導(dǎo)電作用的，主要是磷所提供的自由電子，這種依靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為電子型半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱N型半導(dǎo)體。圖1.6-3表示N型半導(dǎo)體材料的能帶圖。而為半導(dǎo)體材料提供一個(gè)自由電子的v族雜質(zhì)原子，通常稱為施主雜質(zhì)。②P型半導(dǎo)體硼（B）鋁（AL）鎵（GA）等三族元素原子的最外層有三個(gè)電子，它在硅中也是處于替位式狀態(tài)，如圖1.6-4所示。硼原子最外層只有三個(gè)電子參加共價(jià)鍵，在另一個(gè)價(jià)鍵上因缺少一個(gè)電子而形成一個(gè)空位鄰近價(jià)鍵上的價(jià)電子跑來(lái)填補(bǔ)這個(gè)空位，就在這個(gè)鄰近價(jià)鍵上形成了一個(gè)新的空位，這就是“空穴”。硼原子在接受了鄰近價(jià)鍵的價(jià)電子而成為一個(gè)帶負(fù)電的負(fù)離子，它不能移動(dòng)，不是載流子。因此在產(chǎn)生空穴的同時(shí)沒(méi)有產(chǎn)生相應(yīng)的自由電子。這種依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為空穴型半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱P型半導(dǎo)體。圖1.6-5表示P型半導(dǎo)體材料的能帶圖，為半導(dǎo)體材料提供一個(gè)空穴的Ⅲ族雜質(zhì)原子，通常稱之為受主雜質(zhì)。實(shí)際上，一塊半導(dǎo)體中并非僅僅只存在一種類型的雜質(zhì)，常常同時(shí)含有施主和受主雜質(zhì)，此時(shí)，施主雜質(zhì)所提供的電子會(huì)通過(guò)“復(fù)合”而與受主雜質(zhì)所提供的電子相抵消，使總的載流子數(shù)目減少，這種現(xiàn)象就成為“補(bǔ)償”。在有補(bǔ)償?shù)那闆r下，決定導(dǎo)電能力的是施主和受主濃度之差。若施主和受主雜質(zhì)濃度近似相等時(shí)，通過(guò)復(fù)合會(huì)幾乎完全補(bǔ)償，這時(shí)半導(dǎo)體中的載流子濃度基本上等于由本征激發(fā)作用而產(chǎn)生的自由電子和空穴的濃度。這種情況的半導(dǎo)體稱之為補(bǔ)償型本征半導(dǎo)體。在半導(dǎo)體器件產(chǎn)生過(guò)程中，實(shí)際上就是依據(jù)補(bǔ)償作用，通過(guò)摻雜而獲得我們所需要的導(dǎo)電類型來(lái)組成所要生產(chǎn)的器件。在摻有雜質(zhì)的半導(dǎo)體中，新產(chǎn)生的載流子數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)原來(lái)未摻入雜質(zhì)前載流子的數(shù)量，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)主要由占大多數(shù)的新產(chǎn)生的載流子來(lái)決定，所以，在P型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，而電子是少數(shù)載流子。在N型半導(dǎo)體中，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。摻入的雜質(zhì)越多，多載流子的濃度（單位體積內(nèi)載流子的數(shù)目）越大，則半導(dǎo)體的電阻率越低，它的導(dǎo)電能力越強(qiáng)。一塊半導(dǎo)體材料處于某一均勻的溫度中，且不受光照等外界因素的作用，即這塊半導(dǎo)體處于平衡狀態(tài)，此時(shí)半導(dǎo)體中的載流子稱為平衡態(tài)載流子。半導(dǎo)體一旦受到外界因素作用（如光照，電流注入或其它能量傳遞形式）時(shí)，它內(nèi)部載流子濃度就多于平衡狀態(tài)下的載流子濃度。半導(dǎo)體就從平衡狀態(tài)變?yōu)榉瞧胶鉅顟B(tài)，人們把處于非平衡狀態(tài)時(shí)，比平衡狀態(tài)載流子增加出來(lái)的一部分載流子成為非平衡載流子。8.平衡PN結(jié)在一塊完整的半導(dǎo)體晶體中，如果一部分是N型半導(dǎo)體，另一部分是P型半導(dǎo)體。在N型半導(dǎo)體中，多數(shù)載流子是電子，電子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)少數(shù)載流子空穴的濃度，而在P型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，空穴濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)少數(shù)載流子電子的濃度，如圖5所示。P型P型N型圖5空間電荷區(qū)圖6空間電荷區(qū)在N型和P型半導(dǎo)體的交界面處存在有電子和空穴濃度梯度，N區(qū)中的電子就向P區(qū)滲透擴(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果是N型區(qū)域中鄰近P型區(qū)域一邊的薄層內(nèi)有一部分電子擴(kuò)散到N型中去了。由于這個(gè)薄層失去了一些電子，在N區(qū)就形成帶正電荷的區(qū)域。同樣，P型區(qū)域中鄰近N型區(qū)域一邊的薄層內(nèi)有一部分空穴擴(kuò)散到N型區(qū)域一邊去了。由于這個(gè)薄層失去了一空穴，在P區(qū)就形成了帶負(fù)電荷的區(qū)域。這樣在N型區(qū)和P型區(qū)交界面的兩側(cè)形成了帶正，負(fù)電荷的區(qū)域，叫做空間電荷區(qū)。如圖6?？臻g電荷區(qū)中的正負(fù)電荷間形成電場(chǎng)。電場(chǎng)的方向是由N型區(qū)域指向P型區(qū)域，這個(gè)由于載流子濃度不均勻而引起擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)后形成的電場(chǎng)稱為自建電場(chǎng)。我們知道，載流子在電場(chǎng)作用下，會(huì)產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)。自建電場(chǎng)將N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散的電子接回到N區(qū)，把P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散的空穴接回到P區(qū)，由此可見(jiàn)，在空間電荷區(qū)內(nèi)，自建電場(chǎng)引起電子和空穴的漂移運(yùn)動(dòng)方向與它們各自的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向正好相反。開(kāi)始時(shí)，電子和空穴的擴(kuò)散占優(yōu)勢(shì)，隨著電子和空穴的不斷擴(kuò)散?？臻g電荷的數(shù)量不斷增強(qiáng)自建電場(chǎng)也越來(lái)越強(qiáng)，直到載流子的漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相抵消時(shí)（即大小相等，方向相反），這時(shí)，N型區(qū)域內(nèi)的電子和P型區(qū)域的空穴不再減少，空間電荷區(qū)也不再加厚，達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡?？臻g電荷區(qū)也叫阻擋層，（意思時(shí)阻止電子和空穴的繼續(xù)擴(kuò)散），就是我們通常講的PN結(jié)。PN結(jié)時(shí)許多半導(dǎo)體組件的核心，PN結(jié)的性質(zhì)集中反映了半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的特點(diǎn)，如：存在兩種載流子，載流子有漂移擴(kuò)散和產(chǎn)生，復(fù)合等基本運(yùn)動(dòng)的形成。所以，P-N結(jié)是半導(dǎo)體組件入門(mén)的基礎(chǔ)。二、新工藝介紹1．高效單晶硅太陽(yáng)電池工藝流程如下：SiN共燒工藝流程：制備絨面發(fā)射區(qū)擴(kuò)散邊緣p-n結(jié)刻蝕、去磷硅玻璃PECVD沉積SiN絲網(wǎng)印刷背電極、背電場(chǎng)以及正面電極共燒形成金屬接觸電池片測(cè)試2.絨面制備硅片采用0.5~2Ω·cm，P型晶向?yàn)?lt;100>的單晶硅片。利用氫氧化鈉溶液可對(duì)單晶硅片進(jìn)行各向異性腐蝕的特點(diǎn)來(lái)制備絨面。當(dāng)各向異性因子＝10時(shí)（所謂各向異性因子就是（100）面與（111）面單晶硅腐蝕速率之比），可以得到均勻的金字塔形的角錐體組成的絨面。絨面具有受光面積大，反射率低的特點(diǎn)，可提高單晶硅太陽(yáng)電池的短路電流Isc，從而提高太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。金字塔形角錐體的表面積S0等于四個(gè)邊長(zhǎng)為a正三角形S之和由此可見(jiàn)有絨面的受光面積比光面提高了倍即1.732倍。當(dāng)一束強(qiáng)度為E0的光投射到圖中的A點(diǎn)，產(chǎn)生反射光Ф1和進(jìn)入硅中的折射光Ф2。反射光Ф1可以繼續(xù)投射到另一方錐的B點(diǎn)，產(chǎn)生二次反射光Ф3和進(jìn)入半導(dǎo)體的折射光Ф4；而對(duì)平面光電池就不產(chǎn)生這第二次的入射。經(jīng)計(jì)算可知還有11％的二次反射光可能進(jìn)行第三次反射和折射，由此可算得絨面的反射率為9.04％。3.發(fā)射區(qū)擴(kuò)散采用三氯氧磷氣體攜帶源方式，這個(gè)工藝的特點(diǎn)是生產(chǎn)高，有利于降低成本。新購(gòu)的8寸硅片擴(kuò)散爐、石英管口徑達(dá)270mm，可以擴(kuò)散150×150（mm）的硅片。由于石英管口徑大，恒溫區(qū)長(zhǎng)，提高了擴(kuò)散薄層電阻均勻性，有利于降低太陽(yáng)電池的串聯(lián)電阻Rs，從而提高太陽(yáng)電池填充因子FF。4.PECVD淀積SiN多晶硅太陽(yáng)電池廣泛使用PECVD淀積SiN，是由于PECVD淀積SiN時(shí)，不光是生長(zhǎng)SiN作為減反射膜，同時(shí)帶來(lái)了大量氫等離子體，這種氫離子體能對(duì)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)高效多晶硅太陽(yáng)電池。由于生成的氮化硅薄膜含有大量的氫，可以很好的鈍化硅中的位錯(cuò)、表面懸掛鍵，從而提高了硅片中載流子遷移率，一般要提高20％左右，同時(shí)由于SiN薄膜對(duì)單晶硅表面有非常明顯鈍化作用，表面的少子壽命提高了5倍左右，用PECVD制造單晶硅太陽(yáng)電池效率較高于傳統(tǒng)APCVD制造單晶硅太陽(yáng)電池。5.共燒形成金屬接觸晶體硅太陽(yáng)電池要通過(guò)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，是高效晶體硅太陽(yáng)能電池的一項(xiàng)重要關(guān)鍵工藝，國(guó)外著名的金屬漿料廠商非常賣(mài)力推廣共燒工藝。這個(gè)工藝基礎(chǔ)理論來(lái)自合金法制P－N結(jié)工藝，就是電極金屬材料和半導(dǎo)體單晶硅在溫度達(dá)到電極材料的溶點(diǎn)或共晶溫度時(shí)，單晶硅原子按相圖以一定的比例量溶入到熔融的合金電極材料中去，單晶硅原子溶入到電極金屬中的整個(gè)過(guò)程是相當(dāng)快的，一般只需幾秒鐘時(shí)間，溶入的單晶硅原子數(shù)目決定于合金溫度和電極材料的體積，燒結(jié)合金溫度愈高，電極金屬材料體積愈大，則溶入的硅原子數(shù)目也愈多,這時(shí)狀態(tài)被稱為晶體電極金屬的合金系統(tǒng)，如果此時(shí)溫度降低，系統(tǒng)開(kāi)始冷卻，這時(shí)原先溶入到溶融到電極金屬材料中的硅原子，重新以固態(tài)形式結(jié)晶出來(lái)，也就是在金屬和晶體接觸界面上生長(zhǎng)出一層新的晶體層再結(jié)晶層，如果再結(jié)晶層內(nèi)含有足夠量的，與原先晶體材料導(dǎo)電類型相同雜質(zhì)成份，這就獲得了用合金法工藝形成歐