1、绪论本书以光伏电池组件的生产过程为导向,把整个生产工艺流程融入教学过程中,具有情景真实性、过程可操作性的特点。1.光伏电池的发电原理 光伏电池在没有光照时,其特性可视为一个二极管,在没有光照时其正向偏压U与通过电流I的关系式为图0-1半导体能带图图0-2光伏电池的理论模型图0-3理想光伏电池电路模型2.影响光伏电池发电的因素(1)标准测试条件1)光源辐照度:1000W/m2。2)测试温度:(2520)。3)AM1.5地面太阳光谱辐照度分布。(2)光伏电池的等效电路1)理想光伏电池的等效电路(见图0-4)。相当于一个电流为Iph的恒流电源与一只正向二极管并联,流过二极管的正向电流称为暗电流Id,
2、流过负载的电流为I,负载两端的电压为U。2)实际光伏电池的等效电路(见图0-5)。由于漏电流等产生的旁路电阻Rsh,体电阻和电极的电阻产生的串联电阻Rs在Rsh两端的电压为图0-4理想的光伏电池等效电路图0-5实际的光伏电池等效电路Uj=(U+Irs)=Iph-Iooexp(qUj/A0kT)-1在负载短路时,即Uj=0(忽略串联电阻),便得到短路电流,其值恰好与光电流相等,即=Isc-Iooexp(qUj/A0kT)-1当负载R时,输出电流0,便得到开路电压Uoc,其值由下式确定:图0-6不同辐照度下电池的伏安特性曲线3)伏安特性曲线(见图0-6)。受光照的光伏电池,在一定的温度和辐照度以及
3、不同的外电路负载下,流入负载的电流I和电池端电压U的关系曲线称为伏安特性曲线。4)开路电压。在一定的温度和辐照度条件下,光伏发电器在空载(开路)情况下的端电压称为开路电压,通常用Uoc来表示。光伏电池的开路电压与电池面积大小无关,通常单晶硅光伏电池的开路电压约为450600mV,光伏电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成正比。5)短路电流。在一定的温度和辐照条件下,光伏发电器在端电压为零时的输出电流称为短路电流,通常用Isc来表示。Isc与光伏电池的面积大小有关,面积越大,Isc越大。一般1cm2的光伏电池Isc值约为1630mA。Isc与入射光的辐照度成正比。6)最大功率点。在光伏电池伏安特
4、性曲线上对应最大功率的点称为最大功率点,又称最佳工作点。7)最佳工作电压。光伏电池伏安特性曲线上最大功率点所对应的电压称为最佳工作电压,通常用Um表示。8)最佳工作电流。光伏电池伏安特性曲线上最大功率点所对应的电流称为最佳工作电流,通常用Im表示。9)转换效率。受光照光伏电池的最大功率与入射到该光伏电池上的全部辐射功率的百分比称为转换效率,通常用表示。=UmIm/AtPin(0-6)10)填充因子(曲线因子)。光伏电池的最大功率与开路电压和短路电流乘积之比,通常用FF(或CF)表示:FF=ImUm/IscUoc(0-7)11)电流温度系数。在规定的试验条件下,被测光伏电池温度每变化1K,光伏电
5、池短路电流的变化值,通常用表示。对于一般晶体硅电池,有=0.1%/K12)电压温度系数。在规定的试验条件下,被测光伏电池温度每变化1K,光伏电池开路电压的变化值,通常用表示。对于一般晶体硅电池,有=-0.38%/K 图0-7常规光伏电池简单装置1839年,法国的Becquerel第一次在化学电池中观察到光伏效应。1876年,在固态硒(Se)的系统中也观察到了光伏效应,随后开发出Se/CuO光电池。有关硅光电池的报道出现于1941年。贝尔实验室Chapin等人于1954年开发出效率为6%的单晶硅光电池,现代硅光伏电池时代从此开始。硅光伏电池于1958年首先在航天器上得到应用。在随后的10多年里,
6、硅光伏电池在空间应用不断扩大,工艺不断改进,电池设计逐步定型。这是硅光伏电池发展的第一个时期。第二个时期开始于20世纪70年代初,在这个时期,背表面场、细栅金属化、浅结表面扩散和表面织构化开始引入到电池的制造工艺中,光伏电池转换效率有了较大提高。与此同时,硅光伏电池开始在地面应用,而且不断扩大,到20世纪70年代末地面用光伏电池产量已经超过空间电池产量,并促使成本不断降低。20世纪80年代初,硅光伏电池进入快速发展的第三个时期。这个时期的主要特征是把表面钝化技术、降低接触复合效应、后处理提高载流子寿命、改进陷光效应引入到电池的制造工艺中。以各种高效电池为代表,电池效率大幅度提高,商业化生产成本
7、进一步降低,应用不断扩大。在太阳电池的整个发展历程中,先后出现过各种不同结构的电池,如肖特基(Ms)电池,MIS电池,MINP电池;异质结电池(如ITO(n)/Si(p),a-Si/c-Si,Ge/Si)等,其中同质PN结电池结构自始至终占主导地位,其他结构对太阳电池的发展也有重要影响。1.地面应用推动各种新型电池的出现和发展晶硅电池在20世纪70年代初引入地面应用。1)背表面电场(BSF)电池。在电池的背面接触区引入同型重掺杂区,由于改进了接触区附近的收集性能而增加电池的短路电流;背场的作用可以降低饱和电流,从而改善开路电压,提高电池效率。2)紫光电池。这种电池最早(1972年)是为通信卫星
8、开发的。因其浅结(0.10.2m)密栅、减反射(Ta2O5短波透过好)而获得高效率。在一段时间里,浅结被认为是高效的关键技术之一而被采用。3)表面织构化电池。这种电池也称绒面电池,最早(1974年)也是为通信卫星开发的。其AM0时电池效率15%,AMI时18%。这种技术后来被高效电池和工业化电池普遍采用。4)异质结光伏电池。异质结光伏电池是不同半导体材料在一起形成的光伏电池,如SnO2/Si、In2O3/Si、(In2O3+SnO2)/Si电池等。由于SnO2、In2O3、(In2O3+SnO2)等带隙宽,透光性好,制作电池工艺简单,曾引起许多研究者的兴趣。目前因效率不高等问题研究者已不多,但
9、SnO2、In2O3、(In2O3+SnO2)是许多薄膜电池的重要构成部分,作收集电流和窗口材料用。5)MIS电池。这种电池是肖特基(Ms)电池的改型,即在金属和半导体之间加入1.53.0nm绝缘层,使Ms电池中多子支配暗电流的情况得到抑制,而变成少子隧穿决定暗电流,与PN结类似。6)MINP电池。可以把这种电池看做是MIS电池和PN结的结合,其中氧化层对表面和晶界复合起抑制作用。这种电池对后来的高效电池起到过渡作用。7)聚光电池。聚光电池的特点是电池面积小,从而可以降低成本,同时在高光强下可以提高电池开路电压,从而提高转换效率,因此聚光电池一直受到重视。比较典型的聚光电池是斯坦福大学的点接触
10、聚光电池,其结构与非聚光点接触电池结构相同,不同处是采用电阻率为200cm的高阻N型材料并使电池厚度降低到100160m,使体内复合进一步降低。这种电池在140个太阳下转换效率达到26.5%。2.晶硅光伏电池向高效化和薄膜化方向发展晶硅电池在过去20年里有了很大发展,许多新技术的采用和引入使光伏电池的效率有了很大提高。1)新南威尔士大学高效电池。a.钝化发射区电池(PESC):PESC于1985年问世,1986年V形槽技术又被应用到该电池上,效率突破20%。V形槽对电池的贡献是:减少电池表面反射;垂直光线在V形槽表面折射后以41角进入硅片,使光生载流子更接近发射结,提高了收集效率,对低寿命衬底
11、尤为重要;V形槽可使发射极横向电阻降低至原来的1/3。由于PESC的最佳发射极方块电阻在150/以上,降低发射极电阻可提高电池填充因子。在发射结磷扩散后,m数量级厚的铝层沉积在电池背面,再热生长10nm表面钝化氧化层,并使背面铝和硅形成合金,正面氧化层可大大降低表面复合速度,背面铝合金可吸除体内杂质和缺陷,因此开路电压得到提高。PESC的金属化由剥离方法形成Ti-Pd接触,然后电镀Ag构成。这种金属化有相当大的厚/宽比和很小的接触面积,因此这种电池可以做到FF83%的填充因子和20.8%(AM1.5时)的效率。b.钝化发射区和背表面电池(PERC电池):铝背面吸杂是PESC的一个关键技术。然而
12、由于背表面的高复合和低反射,它成了限制PESC技术进一步提高的主要因素。PERC和PERL电池成功地解决了这个问题。它用背面点接触来代替PESC的整个背面铝合金接触,并用TCA(氯乙烷)生长的110nm厚的氧化层来钝化电池的正表面和背表面。TCA氧化产生极低的界面态密度,同时还能排除金属杂质和减少表面层错,从而能保持衬底原有的少子寿命。由于衬底的高少子寿命和背面金属接触点处的高复合,背面接触点设计成2mm的大间距和200m的接触孔径。接触点间距需大于少子扩散长度以减小复合。这种电池达到了大约700mV的开路电压和22.3%的效率。然而,由于接触点间距太大,串联电阻高,因此填充因子较低。c.钝化
13、发射区和背面局部扩散电池(PERL电池):在背面接触点下增加一个浓硼扩散层,以减小金属接触电阻。由于硼扩散层减小了有效表面复合,接触点间距可以减小到250m、接触孔径减小到10m而不增加背表面的复合,从而大大减小了电池的串联电阻。PERL电池达到了702mV的开路电压和23.5%的效率。PERC和PERL电池的另一个特点是其极好的陷光效应。由于硅是间接带隙半导体,对红外的吸收系数很低,一部分红外光可以穿透电池而不被吸收。理想情况下入射光可以在衬底材料内往返穿过4n2次,n为硅的折射率。PERL电池的背面,由铝在SiO2上形成一个很好反射面,入射光在背表面上反射回正表面,由于正表面的倒金字塔结构
14、,这些反射光的一大部分又被反射回衬底,如此往返多次。美国Sandia国家实验室的P.Basore博士发明了一种红外分析的方法来测量陷光性能,测得PERL电池背面的光谱反射比大于95%,陷光系数大于往返25次。因此PREL电池的红外响应极高,也特别适应于对单色红外光的吸收。在1.02m波长的单色光下,PERL电池的转换效率达到45.1%。这种电池AM0下效率也达到了20.8%。d.埋栅电池:UNSW开发的激光刻槽埋栅电池,在发射结扩散后,用激光在前面刻出20m宽、40m深的沟槽,将槽清洗后进行浓磷扩散。然后在槽内镀出金属电极。电极位于电池内部,减少了栅线的遮蔽面积。电池背面与PESC相同,由于刻
15、槽会引进损伤,其性能略低于PESC电池。电池效率达到19.6%。2)斯坦福大学的背面点接触电池(PCC)。点接触电池的结构与PERL电池一样,用TCA生长氧化层钝化电池正反面。为了减少金属条的遮光效应,金属电极设计在电池的背面。电池正面采用由光刻制成的金字塔(绒面)结构。位于背面的发射区被设计成点状、50m间距、10m扩散区和5m接触孔径,基区也做成同样的形状,这样可减小背面复合。衬底采用n型低阻材料(取其表面及体内复合均低的优势),衬底减薄到约100m,以进一步减小体内复合。这种电池的转换效率在AM1.5下为22.3%。3)德国Fraunhofer太阳能研究所的深结局部背场电池(LBSF电池
16、)。LBSF电池的结构与PERL电池类似,也采用TCA氧化层钝化和倒金字塔正面结构。由于背面硼扩散一般造成高表面复合,局部铝扩散被用来制作电池的表面接触,2cm2cm电池电池效率达到23.3%(Uoc=700mV,Isc=41.3mA,FF=0.806)。4)日本SHARP公司的C-Si/c-Si异质pp+结高效电池。SHARP公司能源转换实验室的高效电池,前面采用绒面织构化,在SiO2钝化层上沉积SiN为减反射层(ARC),后面用RF-PECVD掺硼的c-Si薄膜作为背场,用SiN薄膜作为后表面的钝化层,铝层通过SiN上的孔与c-Si薄膜接触。5cm5cm电池在AM1.5条件下的效率达到21
17、.4%(Uoc=669mV,Isc=40.5mA,FF=0.79)。5)我国单晶硅高效电池。我国在“八五”和“九五”期间也进行了高效电池研究,并取得了可喜成果。近年来硅电池的一个重要进展来自于表面钝化技术的提高。从钝化发射区光伏电池(Passi-vated Emitter Solar Cell,PESC)的薄氧化层(10nm)发展到PCC、PERC、PERL电池。电池的厚氧化层(110nm)。热氧化钝化表面技术已使表面态密度降到1010/cm2以下,表面复合速度降到100cm/s以下。此外,表面V形槽和倒金字塔技术,双层减反射膜技术的提高和陷光理论的完善也进一步减小了电池表面的反射和对红外光的
18、吸收。低成本高效硅电池也得到了飞速发展。(2)多晶硅高效电池多晶硅光伏电池的出现主要是为了降低成本,其优点是能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方形硅锭,设备比较简单,制造过程简单、省电、节约硅材料,对材质要求也较低。1)金属杂质的释放/扩散决定了吸杂温度的下限。2)分凝模型控制了吸杂的最佳温度。另有学者提出,在磷扩散时,硅的自间隙电流的产生是吸杂机制的基本因素。1)Geogia Tech电池。美国Geogia工业大学光伏中心使用电阻率0.65cm、厚度280m的热交换法(Heat Exchange Method,HEM)多晶硅片制作电池,n+发射区的形成和磷吸杂结合,采用快速热过程制备铝背场,
19、用lift-off法制备Ti/Pd/Ag前电极,并加双层减反射膜。1cm2电池的效率AM1.5下达到18.6%。2)UNSW电池。UNSW光伏中心的高效多晶硅电池工艺基本上与PERL电池类似,只是其表面织构化不是倒金字塔,而是用光刻和腐蚀工艺制备的蜂窝结构。多晶硅片由意大利的Eurosolare提供,1cm2电池的效率AM1.5下达到19.8%,这是目前水平最高的多晶硅电他的研究结果。该工艺打破了多晶硅电池不适合采用高温过程的传统观念。3)Kysera电池。日本kyocera公司在多晶硅高效电池上采用体钝化和表面钝化技术,PECVD SiN膜既作为减反射膜,又作为体钝化措施,表面织构化采用反应
20、性粒子刻边技术。背场则采用丝印铝奖烧结形成。电池前面栅线也采用丝印技术。15cm15cm大面积多晶硅电池效率达17.1%。目前日本正计划实现这种电池的产业化。4)我国多晶硅电池。北京有色金属研究总院在多晶硅电池方面做了大量研究工作,目前10cm10cm电池效率达到11.8%。北京市太阳能研究所在“九五”期间开展了多晶硅电池研究,1cm2电池效率达到14.5%。我国中试生产的10cm10cm多晶硅太阳电池的效率为10%11%,最高效率为12%。(3)多晶硅薄膜电池自20世纪70年代以来,为了大幅度降低光伏电池的成本,光伏界一直在研究开发薄膜电池,并先后开发出非晶硅薄膜电池、碲化镉(CdTe)电池
21、和铜铟硒(CIS)电池等。1)CVD多晶硅薄膜电池。各种CVD(PECVD、RTCVD、cat-CVD、Hot-wire CVD等)技术被用来生长多晶硅薄膜,在实验室内有些技术获得了重要的结果。例如,日本kaneka公司采用PECVD技术在550以下和玻璃衬底上制备出具有pin结构的多晶硅薄膜电池,电池总厚度约2m,效率达到10%;德国Fraunhofer太阳能研究所使用SiO2和SiN包覆陶瓷或SiC包覆石墨为衬底,用快速热化学气相沉积(RTCVD)技术沉积多晶硅薄膜,硅膜经过区熔再结晶(ZMR)后制备光伏电池,两种衬底的电池效率分别达到9.3%和11%。2)多层多晶硅薄膜电池。UNSW于1
22、994年提出一种多层多晶硅薄膜电池的概念和技术,并于同年与Pacific Power公司合作成立kcific solar公司开发这种电池。最近报道,该公司已经生产出30cm40cm的中试电池组件。薄膜采用CVD 工艺沉积,衬底为玻璃,通过激光刻槽和化学镀膜实现接触、互联和集成。据称,电池组件的主要成本是封装玻璃,商业化后的发电成本可与煤电相比。三、光伏电池用晶硅材料1.单晶硅材料单晶硅材料制造要经过如下过程:石英砂冶金级硅 多晶硅锭单晶硅硅片。2.多晶硅材料由于硅材料成本占光伏电池成本中的绝大部分,因此降低硅材料成本是光伏应用的关键。1)盛硅容器的材质。因为硅熔体冷凝时会牢固地粘附在坩埚的内壁
23、,若两者的膨胀系数不同,硅固化时体积增加9%,会使硅锭产生裂纹或破碎。此外,熔化硅几乎能与所有材料起化学反应,因而坩埚对硅料的污染必须控制在太阳级硅所允许的限度以内。2)晶体结构。用调整热场等方法控制晶体结构,以生长出大小适当(数毫米)的具有单向性的晶粒,并尽量减少晶体中的缺陷,这样才有可能制成效率较高的电池。近年来,铸锭工艺主要朝大锭的方向发展。1)限边喂膜(Edge Deifined Film Growth)带硅技术。该技术的工艺过程如下:采用适当的石墨模具从熔硅中直接拉出正八角硅筒,正八角的边长比10cm略长,总管径约30cm,管壁厚度(硅片厚)与石墨模具毛细形状、拉制温度和速度有关,约
24、200400m,管长约5m。采用激光切割法将硅管切成10cm10cm方形硅片。电池工艺中采用针头注入法制备电池栅线,其他工艺与常规电池工艺相同。电池效率为13%15%。该技术目前属于ASE公司所有,商品化生产规模是4MW/年,正计划扩产。2)枝蔓蹼状带硅技术。在生长硅带时两条枝蔓晶直接从坩埚熔硅中长出,由于表面张力的作用,两条枝晶的中间会同时长出一层如蹼状的薄片,所以称为蹼状晶。切去两边的枝晶,用中间的片状晶制作光伏电池。蹼状晶在各种硅带中质量最好,但其生长速度相对较慢。我国在20世纪70年代初就拉制出无位错的蹼状晶。3)Delaware大学多晶片状硅制造技术。该技术基于液相外延工艺,衬底为廉
25、价陶瓷。陶瓷衬底可以重复使用。在电池制作中采用了Al和POCl3,吸杂和低温PECVD-Si3N4,钝化技术,钝化技术提供了体钝化和发射区钝化。1cm2电池效率达到15.6%。Delaware大学和Austropower公司合作通过了中试产业化技术。4)小硅球光伏电池。硅球的平均直径为12mm,约有2万个小球镶在100cm2的铝箔上以形成光伏电池,每个小球具有PN结,这么多的小球在铝箔上形成并联的结构,100cm2面积的电池效率可达到10%。原则上可使用冶金级的小硅球,小硅球本身也容易进行提纯。该方法在技术上具有一定的特色,但要降低成本在技术上仍有许多困难。该方法在20世纪90年代初发展起来,但近几年其研究与发展陷于停顿状态。我国复旦大学也曾对这种光伏电池工艺进行了探索性实验,掌握了基本技术的要点。
