1、東莞南玻光伏科技有限公司 技術(shù)部：林順勇 2007.12.27,太陽(yáng)能體硅電池原理及工藝介紹,主要內(nèi)容,一 光伏產(chǎn)業(yè)概述 二 太陽(yáng)能電池物理初步介紹 三 體硅電池一般制造工藝流程 四 體硅電池的設(shè)計(jì)理念 五 總結(jié),太陽(yáng)電池發(fā)明人: （1954, Bell Lab) Daryl M. Chapin, Calvin S. Fuller, Gerald L. Pearson,1.1，概述太陽(yáng)能電池歷史,1.2，概述體硅電池產(chǎn)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈,2，太陽(yáng)能電池物理初步介紹,半導(dǎo)體與晶體硅的基本特性 PN結(jié)介紹 體硅電池一般結(jié)構(gòu)和發(fā)電原理,2.1 半導(dǎo)體與晶體硅的基本特性,固體按導(dǎo)電性能的高低可以分為：,它們的導(dǎo)

2、電性能不同， 是因?yàn)樗鼈兊哪軒ЫY(jié)構(gòu)不同。,導(dǎo)體,導(dǎo)體,導(dǎo)體,半導(dǎo)體,絕緣體,Eg,Eg,Eg,2.1.1 導(dǎo)電類型與能帶的關(guān)系圖,在晶體硅中，原子按四面體系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)陣，每個(gè)原子都處在正四面體的中心，而四個(gè)其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對(duì)價(jià)電子。,2.1.2 Si的晶體結(jié)構(gòu),2.1.3 半導(dǎo)體的光吸收,光子能量小于帶隙,光子不被吸收,導(dǎo)帶,價(jià)帶,光子能量等于帶隙,2.1.3 半導(dǎo)體的光吸收,光子被吸收，同時(shí)產(chǎn)生自由電子-空穴對(duì),導(dǎo)帶,價(jià)帶,2.1.3 半導(dǎo)體的光吸收,光子能量大于帶隙,光子被吸收，同時(shí)產(chǎn)生自由電子-空穴對(duì)。 之后載流子振蕩回到導(dǎo)帶底和價(jià)

3、帶頂。 剩余能量轉(zhuǎn)換為熱能。,導(dǎo)帶,價(jià)帶,2.1.4 Si晶體和GaAs在300K下的吸收系數(shù)和能量關(guān)系圖,2.1.5 晶體Si是間接帶半導(dǎo)體，帶隙Eg=1.12 eV,2.1.4 吸收深度,SI基體,不同能量的光子吸收深度不同！,2.1.5 復(fù)合 recombination,帶隙,導(dǎo)帶,價(jià)帶,復(fù)合類型：體復(fù)合、表面復(fù)合,2.2 半導(dǎo)體PN結(jié)介紹,半導(dǎo)體的類型： 本征半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體 PN結(jié)的形成 PN結(jié)的電特性 PN結(jié)的應(yīng)用,2.2.1 半導(dǎo)體的類型,1. 本征半導(dǎo)體：沒(méi)有摻入任何雜質(zhì),. P型半導(dǎo)體,四價(jià)的本征半導(dǎo)體Si，摻入少量三價(jià)的雜質(zhì)元素（如、Ga、n等）形成空穴型半導(dǎo)

4、體，稱 P 型半導(dǎo)體。,量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的空穴的能級(jí)在禁帶中緊靠滿帶處，ED10-2eV，極易產(chǎn)生空穴導(dǎo)電。,該能級(jí)稱受主（acceptor）能級(jí)。,P型半導(dǎo)體,2.2.1 半導(dǎo)體的類型,3. N型半導(dǎo)體,四價(jià)的本征半導(dǎo)體 Si，摻入少量五價(jià)的雜質(zhì)元素（如P、As等）形成電子型半導(dǎo)體,稱 n 型半導(dǎo)體。,量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的電子的能級(jí)在禁帶中緊靠空帶處, ED10-2eV，極易形成電子導(dǎo)電。,該能級(jí)稱為施主（donor）能級(jí)。,3. N型半導(dǎo)體,2.2.3 PN結(jié)的形成,在一塊 P型半導(dǎo)體基片的一側(cè)通過(guò)擴(kuò)散或離子注入摻入較高濃度的施主雜質(zhì)，由于雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，該區(qū)就成為N

5、型半導(dǎo)體。 此時(shí)這塊半導(dǎo)體有一端是P型，一端是N型，PN型的交界面稱為PN結(jié)，N型的厚度也稱為結(jié)深。,耗盡區(qū),N型區(qū),P型區(qū),空穴,電子,PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)形成過(guò)程,內(nèi)電場(chǎng)！,2.3，體硅電池的一般結(jié)構(gòu)和發(fā)電原理,2.3.1，體硅電池的一般結(jié)構(gòu),2.3.2，太陽(yáng)能電池發(fā)電原理,V,N層,P層,背電場(chǎng),減反射層,輸出,3，太陽(yáng)能電池工藝流程,3.1，一次清洗,清洗設(shè)備,去除硅片表面的機(jī)械損傷層。 對(duì)硅片的表面進(jìn)行凹凸面(金字塔絨面）處理,增加光在太陽(yáng)電池片表面的折射次數(shù),利于太陽(yáng)電池片對(duì)光的吸收,以達(dá)到電池片對(duì)太陽(yáng)能價(jià)值的最大利用率。（NaOH制絨） 清除表面硅酸鈉、氧化物、油污以及金屬離子雜質(zhì) （H

6、F) (HCL),3.1.1 一次清洗的目的,3.1.2 單晶硅清洗后的表面形貌,3.1.3 絨面結(jié)構(gòu)可降低反射率,平坦的硅表面,通常反射率為30%,反射率可降至12%,插片,一次清洗機(jī),甩干機(jī),擴(kuò)散,傳遞窗,3.1.4 清洗工藝操作流程,測(cè)試,貨架,3.1.5 工藝輔材,去損傷層：NaOH溶液 制絨：NaOH溶液、異丙醇和硅酸鈉 酸洗：HF酸、鹽酸HCl、DI水,3.1.5 檢驗(yàn),外觀檢驗(yàn)： 目視：不能有碎片、裂紋、崩邊等外觀不良，顏色暗且均勻。 顯微鏡：微觀絨面覆蓋率85%以上，不能有花斑和水痕。 尺寸檢驗(yàn)： 螺旋測(cè)微器：工序前后硅片厚度減少10m以上，單硅片厚度不能低于165m。 電子天

7、平：前后重量差，判斷腐蝕厚度（重量/28.8=厚度） 電性能： 少子壽命測(cè)試儀：少子壽命（酸洗后少子壽命2us)。 光學(xué)性能（可能的話）： 分光光度計(jì)：反射率光譜,3.2 擴(kuò)散,擴(kuò)散的目的：在p型晶體硅上進(jìn)行N型擴(kuò)散，形成PN結(jié)，它是半導(dǎo)體器件工作的“心臟”； 擴(kuò)散方法：POCl3液體擴(kuò)散源。,3.2.1 擴(kuò)散的目的,P型襯底,通常的，摻雜濃度更大的區(qū)域稱為發(fā)射極，摻雜濃度較小的區(qū)域成為基體?；w區(qū)域通常是吸收區(qū)域，因?yàn)榘l(fā)射極非常薄，大部分的光吸收發(fā)生在基體。,3.2.2 pn結(jié)形成,3.2.3 擴(kuò)散間操作流程,刻蝕,傳遞窗,測(cè)試,凈化存儲(chǔ)柜,傳遞窗,裝/卸片,裝/卸片,TCA,工作臺(tái),外觀檢

8、驗(yàn)： 1.色澤：表面顏色均勻，無(wú)偏磷酸滴落 目視，放大鏡 2.物理： 對(duì)崩邊缺口等機(jī)械缺陷的控制 目視，放大鏡 3.彎曲度 塞尺 電性能： 1.方塊電阻檢驗(yàn) 四探針 2.少子壽命 少子壽命測(cè)試儀,3.2.4 擴(kuò)散后檢驗(yàn),POCl3是目前磷擴(kuò)散用得較多的一種雜質(zhì)源，瓶裝。 無(wú)色透明液體，具有刺激性氣味。如果純度不高則呈紅黃色。 比重為1.67，熔點(diǎn)2，沸點(diǎn)107，在潮濕空氣中發(fā)煙。 POCl3很容易發(fā)生水解，POCl3極易揮發(fā)。,3.2.5 擴(kuò)散輔材,3.3 等離子周邊刻蝕,去除硅片周邊的n層，防止短路。 工藝方法有等離子刻蝕和激光劃邊 我們采用等離子刻蝕機(jī)把周邊n層刻蝕掉。,3.3.1 周邊刻

9、蝕的目的,3.3.2 等離子刻蝕過(guò)程,P型,N型,插片,二次清洗機(jī),甩干機(jī),傳遞窗,測(cè)試,貨架,傳遞窗,去邊,去邊,夾片、測(cè)試,二次清洗機(jī),石英管清洗機(jī),3.3.3 刻蝕工藝操作流程,刻蝕工位,鍍膜間,外觀檢驗(yàn)： 不能有碎片、裂紋、崩邊等外觀不良 目視、放大鏡 電性能檢驗(yàn)： 硅片周邊PN型判定 導(dǎo)電類型測(cè)試儀（冷熱探針）,3.3.4 刻蝕后檢驗(yàn),3.3.5 刻蝕工藝輔材 CF4+O2 特種氣體,3.4，二次清洗（去磷硅玻璃）,擴(kuò)散工藝會(huì)在在硅片表面形成一層含有磷元素的SiO2，稱之為磷硅玻璃（PSG）。它會(huì)阻止光吸收，同時(shí)又是絕緣的。工藝上采用HF酸腐蝕，所以也稱為去PSG。,3.4.1，二次

10、清洗（去磷硅玻璃）的目的,插片,二次清洗機(jī),甩干機(jī),傳遞窗,測(cè)試,貨架,傳遞窗,去邊,去邊,夾片、測(cè)試,二次清洗機(jī),石英管清洗機(jī),二次清洗工位,鍍膜間,3.4.2，二次清洗操作流程,3.4.3，二次清洗后檢驗(yàn),外觀檢驗(yàn)： 目視：不能有碎片、裂紋、崩邊等外觀不良，顏色暗且均勻；表面是否脫水。,3.4.4，二次清洗輔材 HF酸、DI水,氫氟酸是無(wú)色透明的液體，具有較弱的酸性、易揮發(fā)性和很強(qiáng)的腐蝕性。氫氟酸的一個(gè)很重要的特性是它能夠溶解二氧化硅，因此不能裝在玻璃瓶中。,3.5，PECVD鍍減反射膜,3.5.1，設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖,3.5.2 光的基本理論,光的波動(dòng)性、粒子性 光的傳輸：直線傳輸、反射、透

11、射、干涉、衍射 光程d、光程差n*d 光的疊加：相長(zhǎng)干涉、相消干涉,3.5.3，減反射原理,一次反射R1,SiN,N-Si,n0,n1,ns,二次反射R2,目的： 通過(guò)調(diào)整薄膜厚度及折射率，使得兩次反射產(chǎn)生相消干涉，即光程差為1/2波長(zhǎng)，薄膜的厚度應(yīng)該是1/4波長(zhǎng)的光程。,裝片,傳遞窗,測(cè)試,凈化存儲(chǔ)柜,傳遞窗,3.5.4，減反射工藝操作流程,載板柜,卸片,印刷,PECVD,3.5.5，鍍膜后檢驗(yàn),外觀檢驗(yàn)： 不能有碎片、裂紋、崩邊、顏色不均、色差等不良 目視、放大鏡 減反層測(cè)試： 折射率、薄膜厚度80nm5% 橢偏儀 電性能測(cè)試： 少子壽命 少子壽命測(cè)試儀 光學(xué)測(cè)量（可能的話）： 反射率光譜

12、 分光光度計(jì),3.5.6，鍍膜工藝輔材,特種氣體： 硅烷SiH4、氨氣NH3、氮?dú)釴2,3.6，印刷燒結(jié),3.6.1 印刷燒結(jié)的目的,金屬接觸，收集載流子。 背面場(chǎng)，經(jīng)燒結(jié)后形成的鋁硅合金，提高轉(zhuǎn)換效率。 采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)。,3.6.2 印刷燒結(jié)工藝流程,工作臺(tái),印刷,烘干,印刷,烘干,印刷,烘干,工作臺(tái),工作臺(tái),燒結(jié),測(cè)試分選,傳遞窗,工作臺(tái),測(cè)試臺(tái),3.6.3 印刷燒結(jié)后的電池片,3.6.3 印刷工藝輔材,一次印刷：銀漿（銀鋁漿），作為背面電極（正極）。 二次印刷：鋁漿，形成背電場(chǎng)。 三次印刷：銀漿，作為正面電極（負(fù)極）。,3.7 測(cè)試分選,成品測(cè)試 根據(jù)功率進(jìn)行分檔，可同時(shí)測(cè)量以下電參數(shù)： 功率、短路電流、開(kāi)路電壓、最佳工作電流、最佳工作電壓、填充因子、串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻。,3.7.1 測(cè)試分選的目的,工作臺(tái),印刷,烘干,印刷,烘干,印刷,烘干,工作臺(tái),工作臺(tái),燒結(jié),測(cè)試分選,傳遞窗,工作臺(tái),測(cè)試臺(tái),3.7.2 測(cè)試分選操作流程,3.7.3 成品檢驗(yàn),4 體硅電池的設(shè)計(jì)理念,光學(xué)特性 降低復(fù)合 電極設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),如何