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从Si晶体到太阳能电池 ——nanofocus为您提供专业支持
2019-12-12 17:36:02


从Si晶体到太阳能电池
——nanofocus为您提供专业支持
 
上海曼戈斐光学技术有限公司
2019年11月
 

太阳能产业概况
 太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源,生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能;广义地说,太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种,则是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术,再利用热能进行发电的称为太阳能热发电,也属于这一技术领域;通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术,光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的,因此又称太阳能光伏技术
  二十世纪50年代,太阳能利用领域出现了两项重大技术突破:一是1954年美国贝尔实验室研制出6%的实用型单晶硅电池,二是1955年以色列Tabor提出选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层。这两项技术突破为太阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础。
70年代以来,鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加,世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。二十多年来,太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展,成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。这些技术中最没有污染、市场空间最大的是太阳能电池,太阳能电池的研究与开发越来越受到世界各国的广泛重视。目前,技术最成熟,并最具有商业价值的太阳电池当属硅太阳能电池。下面对太阳能电池原理,分类及工艺流程进行介绍。
 
 
太阳能光伏技术
1光伏效应
    光伏效应指当半导体受到光照射时,半导体内部就会产生电流或电动势的现象。当电池表面受到光照射时,在电池内部产生的光生电子-空穴对,扩散到P-N结并受结电场影响而分开,电子移向N区,空穴移向P区,这样在P区和N区时间产生了光生电动势,当外路连接起来时就有电流通过。

2.光伏电池分类
    目前市场上太阳能电池从大的方面可分为晶体硅光电池和非晶硅光电池。
     晶体硅光电池有单晶硅和多晶硅(包括微晶)电池两大类。
     非晶体硅光电池有铜铟硒光电池、硫化镉光电池、砷化镓光电池、磷化铟光电池和纳米晶太阳能电池。
3.一般工艺流程(硅太阳能电池)

一般工艺流程图
清洗
    目的:去除硅片表面的机械损伤层;清除表面硅酸钠、氧化物、油污以及金属离子杂质。
化学清理原理:
HF去除硅片表面氧化层:
HCl去除硅片表面金属杂质:盐酸具有酸和络合剂的双重作用,氯离子能与溶解片子表面可能沾污的杂质,如铝、镁等活泼金属及其它氧化物,但不能溶解铜、银、金等不活泼的金属以及二氧化硅等难溶物质。
 在此可使用nanofocus μsurf系列对硅片表面的三维形貌进行测量以评定清洗效果。
表面+图像案例的3D视图表面+图像案例的3D视图real
                 硅片表面形貌(伪彩)                                                           硅片表面形貌(真彩)   
        
制绒
     目的:对硅片的表面进行凹凸面(金字塔绒面)处理,增加光在太阳电池片表面的折射次数(陷光),减少光的反射率,以利于太阳电池片对光的吸收,达到电池片对太阳能价值的最大利用率。
              未命名.jpg
             制绒后表面微观图像(多晶硅)                          制绒后表面微观图像(单晶硅)
 
    陷光原理:当光入射到一定角度的斜面,光会反射到另一角度的斜面,形成二次或者多次吸收,从而增加吸收率。如下图所示。


                                                                 绒面结构可降低反射率
制绒的原理
利用低浓度碱溶液对晶体硅在不同晶体取向上具有不同腐蚀速率的各向异性腐蚀特性,在硅片表面腐蚀形成角锥体密布的表面形貌 ,就称为表面织构化。最终在表面形成类似金字塔形状的凸起。
     反应为:Si+2NaOH+H2O →Na2SiO3 +2H2 ↑
     nanofocus μsurf系列中的太阳能专用设备是nanofocus公司针对太阳能行业定制开发的,采用了特殊的光源和算法,优化的平台结构,可以对金字塔结构的形貌,分布,高度,面积,锥角等参数进行测量以评定制绒效果。

       三维形貌                                                                      分布,高度,面积,锥角
 
扩散
    目的:在P型硅表面上渗透入很薄的一层磷,使前表面变成N型,使之成为一个PN结,它是半导体器件工作的“心脏”。
太阳电池结构原理
    扩散方法:
1.三氯氧磷(POCl3)液态源扩散
2.喷涂磷酸水溶液后链式扩散
3.丝网印刷磷浆料后链式扩散
    原理(仅介绍POCl3液态源):通过气体携带POCL3分子进入扩散炉管,使之反应生成磷沉淀在表层;磷在高温下渗透入硅片内部形成N区。
图片1.png图片2.jpg
 
                  4POCL3 + 5O2 = 2P2O5  + 6Cl2
                2P2O5  + 5Si  =  4P  + 5SiO2    
 
周边刻蚀
    目的:去除硅片边缘的N型区域,将硅片内部的N层和P层隔离开,以达到 PN结的结构要求。
原理 :
    干法刻蚀(等离子刻蚀):等离子刻蚀是采用高频辉光放电反应,使反应气体激活成活性粒子,这些活性粒子与需要被刻蚀区域的Si/SiO2发生反应,形成挥发性生成物而被去除。它的优势在于快速的刻蚀速率同时可获得良好的物理形貌。原理如下图。
图片4.png

图片3.png
     湿法刻蚀(背腐蚀):利用HF-HNO3溶液,对硅片背表面和边缘进行高速腐蚀,以达到去掉边缘层和消除背面绒面的作用。
Si + HNO3 → SiO2 + NOx ↑ + H2O
SiO2 + 6HF → H2SiF6 + 2H2O
     激光去边:利用激光束的高能量使硅熔化,在硅片背表面划槽用来隔断N层和P层,以达到分离的目的。
 使用nanofocus μsurf系列对激光刻痕进行测量,可以得到边缘形貌,深度,宽度等信息反馈以指导激光参数调整。
Step height calculations
      刻痕形貌                                                                                      刻痕深度和宽度
 
去磷硅玻璃(二次清洗)
    目的:扩散工艺会在在硅片表面形成一层含有磷元素的SiO2,称之为磷硅玻璃(PSG);它会阻止光吸收,同时又是绝缘的;工艺上采用HF酸腐蚀去除,也称为去PSG。
    原理 :利用HF和硅片表面的P-Si玻璃层反应,并使之络合剥离,以达到清洗的目的。
                  HF + SiO2 → H2SiF6  + H2O
    去PSG发展方向:相对来讲,二次清洗是比较简单的工艺,之后的发展应该会如集成于湿法刻蚀设备,从而缩减流程。
 
PECVD镀减反射膜
    目的:在硅片前表面均匀的镀上一层高效的减反射膜,并对mc-Si(多晶硅)进行体钝化。
    原理:PECVD =Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition
即“等离子增强型化学气相沉积”,是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离,在局部形成等离子体,而等离子化学活性很强,很容易发生反应,在基片上沉积出所期望的薄膜。

 
作用:1)减少反射,提高能力利用率:通过调整薄膜厚度及折射率,使得两次反射(R1和R2)产生相消干涉,即光程差为1/2波长,薄膜的厚度应该是1/4波长的光程。


 镀膜厚度直接影响到光能利用率,厚度控制不当甚至会使光线全部反射;nanofocus提供多款传感器用于高精度层厚度检测,帮助客户实现对镀膜过程的精确把控。

    2)PECVD氮化硅膜钝化技术:钝化硅体内的悬挂键等缺陷(氢钝化)。在晶体硅太阳电池表面采用PECVD法镀上一层氮化硅减反射膜,由于硅烷分解时产生氢离子,对晶体硅电池可产生氢钝化的效果。
 
印刷电极和烧结
    目的:在电池上下表面各印上电极图形,经烧结与硅片形成欧姆接触。
    原理:银浆,铝浆印刷过的硅片,通过烘干有机溶剂完全挥发,膜层收缩成为固状物紧密粘附在硅片上,可视为金属电极材料和硅片接触在一起。当硅片投入烧结炉共烧时,金属材料融入到硅里面,之后又几乎同时冷却形成再结晶层,也就是在金属和晶体接触界面上生长出一层外延层,如果外延层内杂质成份相互合适,这就获得了欧姆接触。
印刷工艺流程:
    印刷背电极 → 烘干 →印刷背电场 → 烘干 →印刷正面栅线
烧结工艺流程:
     印刷完硅片 → 烘干 →升温 → 降温共晶 → 冷却
    solar cell-b
              正面电极                        背面电极
    nanofocusμsurf系列可实现对栅线和电极形貌,高度,宽度及粗糙度等多项参数的测量。

 
单片分选测试
    目的:通过模拟太阳光太阳能电池进行参数测试和分析,将电池片按照一定的要求进行分类。
    原理:利用太阳能电池的光谱特性,温度特性,输出特性等,通
过相关参数的测定和计算,来表达电池的电性能情况。(具体内容非常复杂,这里不再赘述)
    重要参数
光照强度:100mw/cm2(即1000W/m2
转换效率,功率,电池片面积(125单晶为例148.6cm2)的关系:
功率=光照强度*面积 *转换效率
短路电流(Isc),开路电压(Voc),填充因子(FF),功率的关系:
功率=Isc*Voc*FF
最大工作电流(Im),最大工作电压(Vm),功率的关系:
功率=Im*Vm
串联电阻(Rs),并联电阻(Rsh)。
 
模组封装
目的:1.保护电池及内部结构免受外界环境影响;
      2.提供满足规格要求的电流输出;
      3.提供满足要求的尺寸和机械强度便于保存,运输,安装。
结构:



不同规格电池组件
 
 
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