1、第十章 多晶硅、非晶硅太阳能电池10.1 多晶硅性质及优点 电池片形状：方形更合算，多晶硅通过浇铸可直接获得方形 多晶硅生产工艺不断取得进展 每生产周期（50小时）可长200公斤以上硅锭，晶粒达厘米量级 单晶硅工艺用于多晶硅太阳能电池生产，效率接近单晶电池工业化角度，重心已由单晶向多晶发展多晶硅电池 块状(bulk)电池 用含有大量单晶颗粒的集合体，或废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化 浇铸而成。电池工艺与单晶硅相似，但材料制备简便，成本较低 薄膜(thin film)电池 用CVD、溅射法等结合再晶化过程制备 成本低于单晶硅电池，效率高于非晶硅薄膜电池太阳能级多晶硅料技术要求多晶硅产业链两大分支
2、多晶硅产业链两大分支各环节成本比重多晶硅性质多晶硅性质多晶硅与单晶硅差异主要表现在物理性质不同： 力、光、热学性质的各向异性远不如单晶硅明显 电学性质：导电性远不如单晶硅 化学性质：几乎无差异优点优点：材料利用率高，能耗小，成本低，生长简便，易于大尺寸生长缺点缺点：晶界、位错等缺陷密度高，杂质浓度较高10.2 铸造多晶硅制备方法 浇铸法1975年Wacker公司首创结晶时控制固液界面的温度梯度，保证固液界面在同一平面上优点：工艺成熟，简单能耗低缺点：所用坩埚为石墨、石英污染严重，杂质较多需要翻转坩埚，炉产量较小铸造多晶硅制备方法 定向凝固法定向凝固法通常指的是在同一个坩埚中熔炼, 利用杂质元素
3、在固相和液相中的分凝效应达到提纯的目的, 同时通过单向热流控制, 使坩埚中的熔体达到一定温度梯度, 从而获得沿生长方向整齐排列的柱状晶组织。 热交换法 布里奇曼法优点优点 熔化及凝固过程皆在同一坩埚中, 避免了熔体的二次污染 液相温度梯度接近常数, 生长速度可以调节 缺点缺点 能耗大、产能较小, 多晶硅生长速度慢, 且坩埚只能用1 次, 生产成本较高 在定向凝固过程中, 由于分凝现象，杂质浓度会随着硅锭高度的变化而变化, 杂质的最高浓度分布在最后凝固的硅锭顶部和最先凝固的锭底部。实际生产中多晶硅铸锭头尾料需切除, 降低了材料的利用率热交换法在坩埚底板上通以冷却水或气进行强制冷却, 从而使熔体自
4、上向下定向散热布里奇曼法将坩埚以一定的速度移出热源区域, 从而建立起定向凝固的条件优点优点: 在熔炼过程中, 不使用坩埚, 避免了污染及坩埚损耗 提高了生产率, 可以实现连续操作 由于电磁感应加热及连续铸造, 硅锭性能稳定, 避免了因杂质分凝导致的硅锭质量分布不均匀、需进行切除头尾料的现象,有利于提高材料的利用率缺点缺点: 生长的多晶硅中颗粒尺寸较小 由于其凝固速率较快，固液界面处不平而易产生较高的热应力, 位错密度相对较高, 电池转换效率相对较低 铸造多晶硅制备方法 电磁感应加热连续铸造法基本原理：利用电磁感应加热来熔化硅原料, 其熔化和凝固过程可以在不同部位进行, 节约了生产时间。且随下部
5、硅锭一起向下抽拉时, 上部硅锭可以同时凝固, 从而实现过程的连续操作晶粒和晶界清晰可见晶粒尺寸1-10 mm10.3 多晶硅中的杂质和缺陷多晶硅中的杂质和缺陷氧氧 氧是铸造多晶硅主要杂质之一，浓度1017-1018 cm-3 来源：原材料；熔化及生长过程 状态：以间隙态存在，呈过饱和状态 浓度过高，易形成氧施主和氧沉淀 与B形成B-O键，降低电池效率硅中氧沉淀的TEM照片氢氢 氢是铸造多晶硅中重要杂质 为降低晶界、位错等缺陷的作用，氢钝化是必不可少的工艺 减少晶界两侧的界面态，降低界面和位错复合， 来源：原生铸造多晶硅中不含氢，钝化时引入 氢钝化方法： 在H2+N2混合气体中，450oC热处理
6、 生长Si3N4减反层时进行退火 与氧相互作用：形成氢氧复合体；促进氧扩散和氧沉淀形成 与浅施主结合：形成D-H中心 与浅受主结合：形成A-H中心 与Au, Pt, Co等深能级结合，形成复合体，去除深能级中心 在掺B情况下，形成B-H复合体 与位错上的悬键结合，钝化位错电活性 与空位结合，形成V-Hn复合体多晶硅中的杂质和缺陷多晶硅中的杂质和缺陷金属杂质金属杂质 过渡金属杂质，浓度 1m2)生长a-Si:H薄膜 低温：可使用廉价、柔性衬底，如玻璃、塑料 掺杂技术和合金技术简单，可制作低成本太阳能电池 以及平板显示薄膜晶体管 可见光波段吸收系数比晶Si高一个量级，用1m厚的a-Si膜即可吸收9
7、0%能量。这是它成为低成本太阳能电池的最主要因素态密度扩展态和局域态光照时，可产生多余的悬挂键缺陷，导致电学性质和光学性质改变Staebler-Wronski效应可通过与Ge, C, O, N等形成合金，调节能带结构PECVD电感耦合产生等离子体电容耦合气体放电，产生等离子体生长非晶Si薄膜的PECVD系统薄膜沉积过程：(1) 初级反应：硅烷于等离子体中被电子撞击后产生离子及中性的基团(2) 次级反应：初级反应的产物向生长表面输送及产物间再互相碰撞形成新的基团(3) 表面反应：初级及次级产物于基板表面吸附(4) 表面反应形成薄膜，并释放其它气体产物回等离子体中(1) SiH3与Si-H作用，将
8、Si-H键打断释放SiH4，形成硅悬键(Si-)(2) 硅悬键(Si-)吸收SiH3基团形成Si-SiH3*(3) 由Si-SiH3* 形成Si-Si-H及释放氢气(4) SiH键与邻近Si-H联网形成稳定结构SiH3基团寿命最长，是沉积a-Si:H薄膜的最主要基团非晶硅电池结构：非晶硅电池结构：pin结构最常用结构最常用 两种结构光都从p型一侧入射 空穴迁移率低，利于空穴收集 沉积次序不同 对衬底透明度要求不同同质结与异质结电池异质结：将p层换成宽带隙的a-SiC，提高短波区域的吸收效率非晶Si叠层电池单结同带隙双结异带隙双结三结室内产品（弱光性能好）室外产品（大面积）应用范围广应用范围广缺
9、点：光照不稳定性缺点：光照不稳定性通过生长时氢稀释可减轻光照不稳定性通过生长时氢稀释可减轻光照不稳定性缺点：效率较低缺点：效率较低 a-Si材料的带隙较宽，实际可利用的主要光谱域是350-700nm， 相对较窄 a-Si太阳电池开路电压与预期值相差较大 迁移边存在高密度的带尾态，掺杂杂质离化形成的电子或空穴仅 有一定比例成为自由载流子，费米能级距带边较远； 材料多缺陷，载流子扩散长度很短，电荷收集主要靠内建电场驱 动下的漂移运动，输出电压较低 a-Si材料局域态密度较高，载流子复合几率较大，二极管理想因子通常大于2，与n=1的理想情况相差较大 a-Si太阳电池的p区和n区的电阻率较高，接触电阻较高，甚至存在界面势垒，带来附加的能量损失 克服非晶Si薄膜太阳电池性能的光致衰退 加强带有a-Si合金薄膜成分或者具有a-Si廉价特色的混合叠层电池的研究，结合自身优点与其它电池的优点 进行产业化新技术途径的开发，实现更大规模的太阳电池产业化非晶硅发展方向非晶硅发展方向纳米线结构纳米线结构纵向吸光侧向收集
