1、 太阳电池的原理与生产工艺太阳电池的原理与生产工艺主要内容主要内容l 太阳电池原理太阳电池原理l 晶体硅太阳电池工艺流程晶体硅太阳电池工艺流程l 太阳电池标准生产过程简介太阳电池标准生产过程简介l 工厂与产品说明工厂与产品说明l 减反射薄膜制备及特点减反射薄膜制备及特点 单晶硅单晶硅-SiOx,热氧化，热氧化，TiO2,APCVD 多晶硅多晶硅-TiO2,APCVD,SiNx,PECVDl TiO2 和和 SiNx 减反射薄膜的性能比较减反射薄膜的性能比较太阳电池原理太阳电池原理l 太阳电池的原理是基于半导体的光生伏特效应将太阳电池的原理是基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射直接转换为电能。太阳
2、辐射直接转换为电能。l 在晶体中电子的数目总是与核电荷数相一致，所在晶体中电子的数目总是与核电荷数相一致，所以以p p型型-硅和硅和n n型型-硅对外部来说是电中性的。硅对外部来说是电中性的。l 如将如将p p型型-硅或硅或n n型型-硅放在阳光下照射，仅是被加硅放在阳光下照射，仅是被加热，外部看不出变化。尽管通过光的能量电子从热，外部看不出变化。尽管通过光的能量电子从化学键中被释放，由此产生电子化学键中被释放，由此产生电子-空穴对，但在很空穴对，但在很短的时间内（在短的时间内（在s s范围内）电子又被捕获，即电范围内）电子又被捕获，即电子和空穴子和空穴“复合复合”。l 当当p p型型-材料和
3、材料和n n型型-材料相接，将在晶体中材料相接，将在晶体中p p型型-和和n n型型-材料之材料之间形成界面，即一个间形成界面，即一个p-np-n结。此时在界面层结。此时在界面层n n型材料中的自由型材料中的自由电子和电子和p p型材料中的空穴相对应。由于正负电荷之间的吸引型材料中的空穴相对应。由于正负电荷之间的吸引力，在界面层附近力，在界面层附近n n型材料中的电子扩散到型材料中的电子扩散到p p型材料中，并且型材料中，并且将在原子作用力允许范围内，与将在原子作用力允许范围内，与p p型材料中的电子缺乏实现型材料中的电子缺乏实现平衡。与此相反，空穴扩散到平衡。与此相反，空穴扩散到n n型材料
4、中与自由电子复合。型材料中与自由电子复合。这样在界面层周围形成一个无电荷区域。在之前这样在界面层周围形成一个无电荷区域。在之前p p型和型和n n型材型材料是电中性的，这样通过界面层周围的电荷交换形成两个带料是电中性的，这样通过界面层周围的电荷交换形成两个带电区：通过电子到电区：通过电子到p p型材料的迁移在型材料的迁移在n n型区形成一个正的空间型区形成一个正的空间电荷区和在电荷区和在p p型区形成一个负空间电荷区。型区形成一个负空间电荷区。l 至今为止，大多数太阳电池厂家都是通过扩散工艺，在至今为止，大多数太阳电池厂家都是通过扩散工艺，在p p型型硅片上形成硅片上形成n n型区，在两区交界
5、就形成了一个型区，在两区交界就形成了一个p-np-n结（即结（即n+/pn+/p）。太阳电池的基本结构就是一个大面积平面）。太阳电池的基本结构就是一个大面积平面p-np-n结。结。由于在结区附近电子和空穴的相互扩散，从而在结区形成一由于在结区附近电子和空穴的相互扩散，从而在结区形成一个由个由n n区指向区指向p p区的内建电场。区的内建电场。l 太阳电池在无光照时，在界面层附近的相反的空间电荷相互太阳电池在无光照时，在界面层附近的相反的空间电荷相互作用，使载流子的继续交换停止。在界面层附近的空间电荷作用，使载流子的继续交换停止。在界面层附近的空间电荷区的厚度一般为区的厚度一般为0.5-1 0.
6、5-1 m m左右。左右。对于太阳电池来说，界面对于太阳电池来说，界面层应当处于硅片表面的附近位置。层应当处于硅片表面的附近位置。l 如果光线照射在太阳电池上并且光在界面层被吸收，具有足如果光线照射在太阳电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在够能量的光子能够在p p型硅和型硅和n n型硅中将电子从共价键中激发，型硅中将电子从共价键中激发，以至产生电子以至产生电子-空穴对。空穴对。l 界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的场作用被相互分离。电子向带正电的n n区和空穴向带负电的区和空穴
7、向带负电的p p区运动。通过界面层的电荷分离，将在区运动。通过界面层的电荷分离，将在p p区和区和n n区之间产生一区之间产生一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅电池来说，开路电压的典型数值为入电压表。对晶体硅电池来说，开路电压的典型数值为0.5-0.5-0.6 V0.6 V。用一个电流表也可测量电流的强度。用一个电流表也可测量电流的强度。l 通过光照在界面层产生的电子通过光照在界面层产生的电子-空穴对愈多，电流愈大。界空穴对愈多，电流愈大。界面层吸收的光能愈多和界面层即电池面积愈大，在太阳电池面层吸收的光
8、能愈多和界面层即电池面积愈大，在太阳电池中形成的电流也愈大。中形成的电流也愈大。l 对于太阳电池来说，光能到电流的转换仅是在界面层附近才对于太阳电池来说，光能到电流的转换仅是在界面层附近才是有效的。这取决于光线在界面层周围被吸收和尽可能地将是有效的。这取决于光线在界面层周围被吸收和尽可能地将能量传输给晶体。因此，太阳电池的光线入射的一面应该相能量传输给晶体。因此，太阳电池的光线入射的一面应该相应做得薄一些，以便光线可几乎无衰减的到达界面层。应做得薄一些，以便光线可几乎无衰减的到达界面层。l 总而言之，在光照条件下，只有具有足够能量的光子进入总而言之，在光照条件下，只有具有足够能量的光子进入p-
9、np-n结区附近才能产生电子结区附近才能产生电子-空穴对。空穴对。l 对于晶体硅太阳电池来说，太阳光谱中波长小于对于晶体硅太阳电池来说，太阳光谱中波长小于1.1 1.1 m m的光线的光线都可产生光伏效应。都可产生光伏效应。l 对不同材料的太阳电池来说，尽管光谱响应的范围是不同的，对不同材料的太阳电池来说，尽管光谱响应的范围是不同的，但光电转换的原理是一致的：如图所示，在但光电转换的原理是一致的：如图所示，在p-np-n结的内建电场结的内建电场作用下，作用下，n n区的空穴向区的空穴向p p区运动，而区运动，而p p区的电子向区的电子向n n区运动，最后区运动，最后造成在太阳电池受光面（上表面
10、）有大量负电荷（电子）积累，造成在太阳电池受光面（上表面）有大量负电荷（电子）积累，而在电池背光面（下表面）有大量正电荷（空穴）积累。如在而在电池背光面（下表面）有大量正电荷（空穴）积累。如在电池上、下表面做上金属电极，并用导线接上负载，在负载上电池上、下表面做上金属电极，并用导线接上负载，在负载上就有电流通过。只要太阳光照不断，负载上就一直有电流通过。就有电流通过。只要太阳光照不断，负载上就一直有电流通过。晶体硅太阳电池原理示意图晶体硅太阳电池原理示意图 晶体硅太阳电池生产工艺流程晶体硅太阳电池生产工艺流程l 硅片腐蚀硅片腐蚀 (NaOH)用腐蚀硅片表面机械损伤用腐蚀硅片表面机械损伤,p型硅
11、每面腐蚀深度为型硅每面腐蚀深度为10 m;l 硅片表面绒化硅片表面绒化 (Na2CO3)每面腐蚀深度为每面腐蚀深度为5-10 m,最后硅片厚度最后硅片厚度 300-350 m;l 扩散制结扩散制结 用横向石英管扩散炉用横向石英管扩散炉,进行磷扩散形成进行磷扩散形成n 型型层层;l 减反射膜制备减反射膜制备 用用PECVD制作制作SiNx 减反膜减反膜 (PECVD:Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)l 表面金属化表面金属化 采用丝网印刷采用丝网印刷,键式炉加热烧结键式炉加热烧结l 检测分级检测分级 根据电池效率，每根据电池效率，每0.40.4或
12、或0.50.5分级包装分级包装 晶体硅太阳电池生产工艺流程晶体硅太阳电池生产工艺流程l 这里主要介绍晶体硅太阳电池生产工艺流程。这里主要介绍晶体硅太阳电池生产工艺流程。l 以单晶硅电池为例：首先拉制以单晶硅电池为例：首先拉制p p型单晶硅棒，通过切型单晶硅棒，通过切片设备将单晶硅棒切成约片设备将单晶硅棒切成约300 300 m m左右的硅片，硅片左右的硅片，硅片要进行腐蚀、清洗，然后将硅片置于扩散炉石英管要进行腐蚀、清洗，然后将硅片置于扩散炉石英管内，用三氯氧磷在硅片上扩散磷原子，以在内，用三氯氧磷在硅片上扩散磷原子，以在p p型硅片型硅片上形成深度约上形成深度约0.5 0.5 m m左右的左
13、右的n n型导电区，在界面形成型导电区，在界面形成p-n p-n 结，接着在受光面上制作减反射薄膜，并通过结，接着在受光面上制作减反射薄膜，并通过真空蒸发或丝网印刷制作上下电极。在受光面采用真空蒸发或丝网印刷制作上下电极。在受光面采用栅线电极，以便最大限度地采光。栅线电极，以便最大限度地采光。l 下面就太阳电池的主要制造过程：去除硅片表面损下面就太阳电池的主要制造过程：去除硅片表面损伤层、扩散制结、等离子边缘腐蚀、去除磷硅玻璃、伤层、扩散制结、等离子边缘腐蚀、去除磷硅玻璃、沉积减反射膜、制作上下电极等工序沉积减反射膜、制作上下电极等工序,作一具体说明。作一具体说明。l 硅片腐蚀：首先用硅片腐蚀
14、：首先用NaOHNaOH腐蚀硅片，以去除硅片表面机械切痕与腐蚀硅片，以去除硅片表面机械切痕与损伤损伤,p,p型硅片每面腐蚀深度可为型硅片每面腐蚀深度可为5-10 5-10 m m。用。用Na2CO3Na2CO3溶液进行溶液进行硅片表面绒化，现在常用的硅片的厚度为硅片表面绒化，现在常用的硅片的厚度为200-300 200-300 m m左右。去左右。去除硅片表面损伤层是太阳电池制造的第一道常规工序，目前主除硅片表面损伤层是太阳电池制造的第一道常规工序，目前主要是通过化学腐蚀，此法可有效地消除由于切片造成的表面损要是通过化学腐蚀，此法可有效地消除由于切片造成的表面损伤，同时还可以制作绒面表面构造，
15、从而减少光反射。化学腐伤，同时还可以制作绒面表面构造，从而减少光反射。化学腐蚀常用碱腐蚀方法：蚀常用碱腐蚀方法：l SiSi2NaOH 2NaOH H2O Na2SiO3H2O Na2SiO32H22H2l 具有具有100100晶向的单晶硅片由于在化学腐蚀中表现的择优性能，晶向的单晶硅片由于在化学腐蚀中表现的择优性能，即（即（100100）和（）和（111111）的腐蚀速率不同，而在表面出现金字塔构）的腐蚀速率不同，而在表面出现金字塔构造，即形成多个（造，即形成多个（111111）小面，从而形成一个陷光的表面绒面）小面，从而形成一个陷光的表面绒面构造，光线经过这样的表面至少会有构造，光线经过这
16、样的表面至少会有2 2次机会与硅表面接触，次机会与硅表面接触，这样可有效地减少太阳光在硅片表面的反射。硅的折射率达这样可有效地减少太阳光在硅片表面的反射。硅的折射率达3.84(3.84(波长波长6.5m)6.5m)，光线一次与表面接触可高达，光线一次与表面接触可高达30%30%的反射，的反射，但由于金字塔构造，第二次接触时光线的反射就可降到但由于金字塔构造，第二次接触时光线的反射就可降到9%9%以下。以下。在通过蒸镀一层减反射薄膜，甚至可将硅片表面反射率降到在通过蒸镀一层减反射薄膜，甚至可将硅片表面反射率降到1%1%以下。但化学腐蚀的绒面效果对于多晶硅片不明显，这是由于以下。但化学腐蚀的绒面效
17、果对于多晶硅片不明显，这是由于多晶硅的表面是多重取向的。现在正在研究用等离子刻蚀的方多晶硅的表面是多重取向的。现在正在研究用等离子刻蚀的方法替代化学腐蚀，也称活性离子刻蚀，也可将多晶硅片的表面法替代化学腐蚀，也称活性离子刻蚀，也可将多晶硅片的表面刻蚀成比较理想的金字塔表面绒面构造。刻蚀成比较理想的金字塔表面绒面构造。l 扩散制结：多数厂家都选用扩散制结：多数厂家都选用p p型硅片来制作太阳电池，型硅片来制作太阳电池，那么一般用那么一般用POCL3POCL3液态源作为扩散源。扩散设备可用液态源作为扩散源。扩散设备可用横向石英管或链式扩散炉横向石英管或链式扩散炉,进行磷扩散形成进行磷扩散形成n n
18、 型层。型层。扩散的最高温度可达到扩散的最高温度可达到850-900850-900。这种方法制出的。这种方法制出的结均匀性好，方块电阻的不均匀性小于结均匀性好，方块电阻的不均匀性小于1010，少子，少子寿命可大于寿命可大于10 Ms10 Ms。扩散过程遵从如下反应式：。扩散过程遵从如下反应式：l 4POCL3 4POCL3 3O23O2（过量）（过量）2P2O52P2O52CL22CL2（气），（气），2P2O52P2O55Si 5SiO 2+4P5Si 5SiO 2+4Pl 近年来，近年来，SheI1 SolarSheI1 Solar开发了新的扩散工艺，即采用开发了新的扩散工艺，即采用红外加
19、热的办法，明显提高了工效，扩散速度可以红外加热的办法，明显提高了工效，扩散速度可以达到每秒完成一片电池。达到每秒完成一片电池。l 等离子边缘腐蚀：扩散过程中，在硅片的周边表面等离子边缘腐蚀：扩散过程中，在硅片的周边表面也形成扩散层，使电池短路，必须除去。利用辉光也形成扩散层，使电池短路，必须除去。利用辉光放电中氟离子与硅发生反应，产生挥发性的产物放电中氟离子与硅发生反应，产生挥发性的产物SiF4SiF4，可达到边缘腐蚀的目的。，可达到边缘腐蚀的目的。l 去磷硅玻璃：用化学方法除去扩散层去磷硅玻璃：用化学方法除去扩散层SiO2SiO2与与HFHF生成生成可溶于水的可溶于水的SiFSiF，从而使硅
20、表面的磷硅玻璃（掺，从而使硅表面的磷硅玻璃（掺P2O5P2O5的的SiO2SiO2）溶解，化学反应为：）溶解，化学反应为：l SiO2 SiO2 6HF H26HF H2（SiF6SiF6）2H2O2H2Ol 减反射膜制备：采用等离子体增强化学气相沉积减反射膜制备：采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD:Plasma Enhanced Chemical Vapor(PECVD:Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)Deposition)技术在电池表面沉积一层氮化硅技术在电池表面沉积一层氮化硅（SiNxSiNx）减反射膜，不但可以减少光的反射，而且
21、）减反射膜，不但可以减少光的反射，而且因为在制备因为在制备SiNx SiNx 减反膜过程中大量的氢原子进入，减反膜过程中大量的氢原子进入，能够起到很好的表面钝化和体钝化的效果。能够起到很好的表面钝化和体钝化的效果。l 这对于具有大量晶界的多晶硅材料而言，由于晶界这对于具有大量晶界的多晶硅材料而言，由于晶界的悬挂健被饱和，从而降低了复合中心的作用。由的悬挂健被饱和，从而降低了复合中心的作用。由于具有明显的表面钝化和体钝化作用，因此可以用于具有明显的表面钝化和体钝化作用，因此可以用比较差一些的硅材料来制作太阳电池。比较差一些的硅材料来制作太阳电池。l SiNxSiNx薄膜起到增强对光的吸收性的同时
22、，氢原子对薄膜起到增强对光的吸收性的同时，氢原子对太阳电池起到很好的表面和体内钝化作用，从而提太阳电池起到很好的表面和体内钝化作用，从而提高了电池的短路电流和开路电压。高了电池的短路电流和开路电压。l 表面金属化：太阳电池制造的最后一道制作工序是印刷电极，表面金属化：太阳电池制造的最后一道制作工序是印刷电极，最早是采用的真空蒸镀或化学电镀技术，而现在普遍采用丝网最早是采用的真空蒸镀或化学电镀技术，而现在普遍采用丝网印刷法，即通过特殊的印刷机和模板将银浆、铝浆印制在太阳印刷法，即通过特殊的印刷机和模板将银浆、铝浆印制在太阳电池的正、背面，以形成正、负电极引线，再经低温烘烤、高电池的正、背面，以形
23、成正、负电极引线，再经低温烘烤、高温烧结，最终即可制成太阳电池。温烧结，最终即可制成太阳电池。l 在电池的背面制作电极毫无问题，可在整个背面加上一层薄的在电池的背面制作电极毫无问题，可在整个背面加上一层薄的金属层，为了容易焊接必要时要镀上一层锡。但电池的正面必金属层，为了容易焊接必要时要镀上一层锡。但电池的正面必须保证对光线透明，因此，电池的正面的电极呈梳子状形式或须保证对光线透明，因此，电池的正面的电极呈梳子状形式或丝网状树枝状结构。丝网状树枝状结构。l 正面电极的形式和厚度总是两方面因素平衡的结果，一方面要正面电极的形式和厚度总是两方面因素平衡的结果，一方面要有高的透过率，另一方面要保证栅
24、网电极有一个尽可能低的接有高的透过率，另一方面要保证栅网电极有一个尽可能低的接触电阻。触电阻。l 各生产厂家有许多不同的制作工艺。通常电池片正面（负极）各生产厂家有许多不同的制作工艺。通常电池片正面（负极）的梳子状电极结构中，一般有的梳子状电极结构中，一般有2 2条或条或3 3条主电极粗线，以便于连条主电极粗线，以便于连接条焊接，而背面往往以铝硅合金作为背表面场，以提高开路接条焊接，而背面往往以铝硅合金作为背表面场，以提高开路电压，背面（正极）也有电压，背面（正极）也有2 2条或条或3 3条便于焊接的粗电极线，并往条便于焊接的粗电极线，并往往还布满细细的网格状银线。往还布满细细的网格状银线。l
25、 丝网印刷技术近年来不断改进，自动化程度不断提丝网印刷技术近年来不断改进，自动化程度不断提高。先进的丝网印刷的模板采用镍板激光刻槽制成，高。先进的丝网印刷的模板采用镍板激光刻槽制成，以保证模板的耐久和栅格的精度。一般丝网印刷的以保证模板的耐久和栅格的精度。一般丝网印刷的正面电极对光线有正面电极对光线有7%7%左右的遮挡，采用先进的模板左右的遮挡，采用先进的模板印刷工艺可减少对光的遮挡，同时接触电阻又有一印刷工艺可减少对光的遮挡，同时接触电阻又有一定程度的降低，制造出的电池效率也会有所提高。定程度的降低，制造出的电池效率也会有所提高。l 检测分级：电极印刷后到高温烧结结束，整个太阳检测分级：电极
26、印刷后到高温烧结结束，整个太阳电池制造过程也就完成了，在太阳光下将太阳电池电池制造过程也就完成了，在太阳光下将太阳电池正、负极用导线接上，就有电流通过了。为了保证正、负极用导线接上，就有电流通过了。为了保证产品质量得一致性，通常要对每个电池测试，并按产品质量得一致性，通常要对每个电池测试，并按电流和功率大小进行分类，可根据电池效率，每电流和功率大小进行分类，可根据电池效率，每0.40.4或或0.50.5分级包装。但要使太阳电池能很好的满足用户分级包装。但要使太阳电池能很好的满足用户发电需要，还须将太阳电池封装成太阳电池组件。发电需要，还须将太阳电池封装成太阳电池组件。Standard Sola
27、r Cell TechnologyView inside a Solar Cell Production LineStandard Solar Cell TechnologyMono-Si and Poly-Si Solar CellStandard Solar Cell TechnologyEFG-Solar Cells prepared by RWE Schott SolarSolar Cells(Photowatt)Solar Cells(Photowatt)SiNTi02Ae2.395%Ad2.3514%Ac2.3022%Ab2.2622%1%Aa2.2214%3%A02.188%6%
28、A12.135%10%A22.093%13%A32.052%15%B2.0115%C1.9612%D1.929%E1.886%F-J1.751%9%KL1.51%1%2.242.01Full distribution Average power:3%Q1-Q2 2002 DistributionClassTyp PowerMotech Multicrystalline Silicon Solar Cell MHC103P MHC103S MHC103 EMHC103 TMHC125P MHC125S MHC125E MHC125TConversion Efficiency 11-11.99 1
29、2-12.99 13-13.49 13.5-14.99 11-11.99 12-12.99 13-13.49 13.5-14.99Rated Power(Wp)1.17-1.27 1.28-1.38 1.39-1.43 1.44-1.59 1.72-1.87 1.88-2.03 2.04-2.11 2.12-2.35Maximun-Power Current(A)2.44-2.65 2.67-2.88 2.90-2.98 3.00-3.32 3.59-3.90 3.92-4.23 4.25-4.40 4.42-4.90NormalMaximun-PowerVoltage(V)0.48 0.48
30、 0.48 0.48 0.48 0.48 0.48 0.48Average Short-Circuit Current 3.130.02 3.170.02 3.220.02 3.250.02 4.540.02 4.600.02 4.650.02 4.730.02Average Open-Circuit Voltage 0.5910.01 0.5980.01 0.6020.01 0.6090.01 0.5940.01 0.5980.01 0.6030.01 0.6100.01Dimensions 1030.5mm*1030.5mm 1250.5mm*1250.5mmThickness 0.320
31、.05mm 0.320.05mmStandard Solar Cell TechnologyShell Solar in Gelsenkirch,Germany Standard Solar Cell TechnologyThe Solar Cell Production Line,Foto:Shen HuiStandard Solar Cell TechnologyThe solar cell production line，Shell Solar in Gelsenkirch Fraunhofer ISE,Germany减反射膜及结构制备减反射膜及结构制备薄膜太阳电池的结构薄膜太阳电池的结构非晶硅与晶硅太阳电池光谱响应非晶硅与晶硅太阳电池光谱响应非晶硅非晶硅(短波短波)与单晶硅与单晶硅(长波长波)太阳电池光谱响应曲线太阳电池光谱响应曲线
