太阳能电池培训课件.ppt

1、太阳能电池培训资料太阳能电池培训资料Ape2008.12.12太阳能电池的基本原理太阳能电池的基本原理太阳能电池主要依靠P-N结的光生伏打效应来工作,而当P型半导体和N型半导体紧密结合连成一块时,P型半导体中的空穴向N型半导体的方向扩散运动,而N型半导体的电子向P型半导体的方向扩散运动,如下图所示:其中P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子均称为多子,P型半导体中的电子和N型半导体中的空穴均称为少子,在扩散运动的同时在P型半导体和N型半导体的中央形成了一个由N区指向P区的电场称为内建电场,在内建电场的影响下.将产生孔穴向右而电子向左的飘移运动,当漂移运动和扩散运动达到平衡的时候就形成了P-N结

2、.太阳能电池的基本原理太阳能电池的基本原理如右图所示,当处于开路的情况下,当光生电流和正向电流相等的时候,P-N结两端将建立起稳定的电势差Voc(P区为正,N区为负),如果与外电路接通,只要光生电流不停止,就会有源源不断的电流通过电路,P-N结起到了一个电源的作用.这就是太阳能电池的工作原理。太阳能电池的基本性质太阳能电池的基本性质光电转换效率%评估太阳能电池好坏的重要因素。=（1000*Isc*Uoc*FF)/S。目前：实验室24%,产业化15%。单体电池电压U:0.4-0.6V由材料本身的掺杂程度来决定。填充因子FF%：评估太阳能电池负载能力的重要因素。FF=(Im*Um)/(Isc*Uo

3、c)其中:Isc-短路电流，Uoc-开路电压，Im-最佳工作电流，Um-最佳工作电压。标准光强与环境温度：地面光强AM1.5,1000W/m2,t=25。温度对电池片性能的影响：功率会随着温度的升高而降低。例如：在标准状况下，AM1.5光强，t=25,某电池片的输出功率为2.43W,如果电池片温度升高至45 时，电池片的输出功率将小于2.43W。晶体硅太阳能电池生产的工艺流程晶体硅太阳能电池生产的工艺流程Texturing制绒Diffusion扩散Edge etch去边结Anti-reflective coating制做减反射膜Printing&sintering制作上下电极及烧结Cell t

4、esting&sorting 电池片测试分选Solar Cell Manufacturing电池的生产工艺流程电池的生产工艺流程Cleaning process去PSG硅片表面化学腐蚀处理硅片表面化学腐蚀处理-制绒制绒目的目的：去除硅片表面的杂质残留，制做能够减少表面太阳光反射的陷光结构。原理原理：单晶：晶：利用单晶硅的各向异性，采用化腐工艺在硅片上制作的绒面，以减少入射光反射、提高短路电流和转换效率。采用两步法制作绒面，先用高浓度碱液、较高温度下进行短时间“粗抛”，再在低浓度、低温度下进行长时间“细腐”。此法所制绒面，在晶相显微镜下观察，小金字塔排列规则、整齐、均匀，可使入射光的反射损失降低

5、近10。2NaOH+H2O+Si Na2SiO3+2H2 多晶：多晶：利用硝酸的强氧化性和氢氟酸的络合性，对硅进行氧化和络合剥离，导致硅表面发生各向同性非均匀性腐蚀，从而形成 类似“凹陷坑”状的绒面。Si+HNO3 SiO2+NOx +H2O SiO2+6HF H2SiF6+2H2O 绒面微观图绒面微观图硅片表面化学腐蚀处理（一次清洗）硅片表面化学腐蚀处理（一次清洗）1000X电子扫描镜电子扫描镜-单晶单晶5000X电子扫描镜电子扫描镜-多晶多晶制制PNPN结（扩散）结（扩散）目的：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。POCl3在高温下（600）分解

6、生成五氯化磷（PCl5）和五氧化二磷（P2O5），其反应式如下：生成的P2O5在扩散温度下与硅反应，生成二氧化硅（SiO2）和磷原 子，其反应式如下：由上面反应式可以看出，POCl3热分解时，如果没有外来的氧（O2）参与其分解是不充分的，生成的PCl5是不易分解的，并且对硅有腐蚀作用，破坏硅片的表面状态。但在有外来O2存在的情况下，PCl5会进一步分解成P2O5并放出氯气（Cl2）其反应式如下：5253OP3PClC6005POCl 扩散原理：扩散原理：4P5SiO5SiO2P2522522510ClO2P2过量O5O4PCl制制PNPN结（扩散）结（扩散）扩散原理：扩散原理：生成的P2O5又

7、进一步与硅作用，生成SiO2和磷原子，由此可见，在磷扩散时，为了促使POCl3充分的分解和避免PCl5对硅片表面的腐蚀作用，必须在通氮气的同时通入一定流量的氧气。在有氧气的存在时，POCl3热分解的反应式为：POCL3+5O2 2P2O5+6CL2POCl3分解产生的P2O5淀积在硅片表面，P2O5与硅反应生成SiO2和磷原子，并在硅片表面形成一层磷-硅玻璃，然后磷原子再向硅中进行扩散。POCl3液态源扩散方法具有生产效率较高，得到PN结均匀、平整和扩散层表面良好等优点，这对于制作具有大面积结的太阳电池是非常重要的。载气小 N2POCL3O2+大 N2石英管扩散装置示意图制制PNPN结（扩散）

8、结（扩散）扩散原理：扩散原理：PSG除去硅磷气体反应淀积O2硅氧化POCl3 O2SiO2SiO2杂质再分布去边结去边结-刻蚀刻蚀目的目的：去除硅片边缘的去除硅片边缘的N N型区域，将硅片内部的型区域，将硅片内部的N N层和层和P P层隔离开，以达到层隔离开，以达到 PN PN结的结构要求。结的结构要求。原理原理：干法刻蚀（等离子刻蚀）：干法刻蚀（等离子刻蚀）：等离子体刻蚀是采用高频辉光放电反应，使反应气体激活等离子体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，如原子或游离基，这些活性粒子扩散到需刻蚀的部位，在那里与被刻蚀材料进行成活性粒子，如原子或游离基，这些活性粒子扩散到需刻蚀的

9、部位，在那里与被刻蚀材料进行反应，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貌 。（这是各向同性反应）。（这是各向同性反应）母体分子母体分子CFCF4 4在高能量的电子的碰撞作用下分解成多种中性基团或离子。在高能量的电子的碰撞作用下分解成多种中性基团或离子。这些活性粒子由于扩散或者在电场作用下到达这些活性粒子由于扩散或者在电场作用下到达SiOSiO2 2表面，并在表面上发生化学反应。表面，并在表面上发生化学反应。生产过程中，生产过程中，CFCF4 4中掺入中掺入O O2 2，这样有

10、利于提高，这样有利于提高SiSi和和SiOSiO2 2的刻蚀速率。的刻蚀速率。湿法刻蚀（背腐蚀）：湿法刻蚀（背腐蚀）：利用利用HF-HNO3HF-HNO3溶液，对硅片背表面和边缘进行高速腐蚀，以达到溶液，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。去掉边缘层和消除背面绒面的作用。Si+HNO3 SiO2+NOx +H2O Si+HNO3 SiO2+NOx +H2O SiO2+6HF H2SiF6+2H2O SiO2+6HF H2SiF6+2H2O以及以及它们的离子它们的离子CF,CF,CF,CFCF23e4去边结去边结-刻蚀刻蚀去去PSGPSG清洗清洗 目的目的：去

11、除硅片表面的P-Si玻璃层（PSG）,为加镀减反射膜做准备。原理原理：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镀减反射膜（镀减反射膜（PECVDPECVD）目的目的：在硅片前表面均匀的镀上一层高效的减反射膜，并对硅片进行钝化。在硅片前表面均匀的镀上一层高效的减反射膜，并对硅片进行钝化。原理原理：借助借助微波微波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。性很强，很容易发生反应，在基片上沉

12、积出所期望的薄膜。基本特征基本特征:实现了薄膜沉积工艺的低温化（实现了薄膜沉积工艺的低温化（450450）。）。1.1.节省能源，降低成本节省能源，降低成本 2.2.提高产能提高产能 3.3.减少了高温导致的硅片中少子寿命衰减减少了高温导致的硅片中少子寿命衰减 SiNxSiNx的优点：的优点：优良的表面钝化效果优良的表面钝化效果高效的光学减反射性能（厚度和折射率匹配）高效的光学减反射性能（厚度和折射率匹配）低温工艺（有效降低成本）低温工艺（有效降低成本）含氢含氢SiNx:HSiNx:H可以对可以对mc-Simc-Si提供钝化提供钝化 镀减反射膜（镀减反射膜（PECVDPECVD）减反膜对硅片反

13、射率的影响减反膜对硅片反射率的影响4/0112021dnnnn印刷和烧结印刷和烧结目的目的：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层和硅片接触在一起。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：烧结工艺流程：印刷完硅片 烘干 升温 降温共晶 冷却印

14、刷和烧结印刷和烧结丝网印刷的特点：受丝网技术的限制，前表面的金属电极不能做的很窄，从而遮挡了光在硅受丝网技术的限制，前表面的金属电极不能做的很窄，从而遮挡了光在硅片内的有效吸收。取决于硅片的电阻率，由丝网印刷技术生产的晶体硅电池的开路电压在片内的有效吸收。取决于硅片的电阻率，由丝网印刷技术生产的晶体硅电池的开路电压在580620mV之间，短路电流密度在之间，短路电流密度在2833mA/cm2之间，以及填充因子在之间，以及填充因子在70%75%之间。对之间。对于大面积的电池，电池表面于大面积的电池，电池表面10%-15%面积被电池表面电极遮挡了。面积被电池表面电极遮挡了。背极印刷：太阳电池是低电

15、压高电流的发电器件太阳电池是低电压高电流的发电器件,因此减少太阳电池的串连电阻是非常重要因此减少太阳电池的串连电阻是非常重要的。串连电阻由金属电极的电阻、金属半导体接触电阻、发射区薄层电阻和基区电阻等组成。的。串连电阻由金属电极的电阻、金属半导体接触电阻、发射区薄层电阻和基区电阻等组成。串联电阻是影响太阳电池填充因子和短路电流进而影响光电转换效率的重要因素之一。金属串联电阻是影响太阳电池填充因子和短路电流进而影响光电转换效率的重要因素之一。金属电极半导体接触电阻是串联电阻的重要组成部分之一。工业化生产的晶体硅太阳电池电极半导体接触电阻是串联电阻的重要组成部分之一。工业化生产的晶体硅太阳电池,通

16、常通常采用丝网印刷烧结银导体作为上电极。这种情况下采用丝网印刷烧结银导体作为上电极。这种情况下,电极与晶体硅之间的接触电阻与硅半导电极与晶体硅之间的接触电阻与硅半导体的表面掺杂浓度、表面状态及电极烧结温度、时间等条件有关。如何准确地测量电极接触体的表面掺杂浓度、表面状态及电极烧结温度、时间等条件有关。如何准确地测量电极接触电阻是把握电极烧结工艺好坏的重要依据。电阻是把握电极烧结工艺好坏的重要依据。印刷和烧结印刷和烧结背场印刷：电池铝背场也应用于丝网印刷太阳能电池制造技术。大约电池铝背场也应用于丝网印刷太阳能电池制造技术。大约20m厚的铝浆通过丝网印厚的铝浆通过丝网印刷方法沉积到电池的背面，在高

17、温烧结过程中，铝和硅形成共晶合金，如果烧结温度高于刷方法沉积到电池的背面，在高温烧结过程中，铝和硅形成共晶合金，如果烧结温度高于800，铝在硅内的掺杂浓度会高达，铝在硅内的掺杂浓度会高达51018/cm3,而硅片衬底的掺杂浓度只在而硅片衬底的掺杂浓度只在21016/cm3左右，左右，从而在铝背场和衬底之间形成高从而在铝背场和衬底之间形成高/低结，有效地阻止了少数载流子向电池的背面扩散，降低了低结，有效地阻止了少数载流子向电池的背面扩散，降低了电池背表面的复合速率。铝背场可将电池背面的复合速率降低到电池背表面的复合速率。铝背场可将电池背面的复合速率降低到200cm/s以下，此外，硅铝合以下，此外

18、，硅铝合金能对硅片进行有效地吸杂。金能对硅片进行有效地吸杂。存在背场的情况下，背场附近的收集几率可以由原来的存在背场的情况下，背场附近的收集几率可以由原来的11.8%增加到增加到29%，几乎增加了，几乎增加了2倍。增倍。增加的收集几率将使得短路电流增加，在背面复合较小的情况下，有背场引起的增加十分小，几加的收集几率将使得短路电流增加，在背面复合较小的情况下，有背场引起的增加十分小，几乎可以不予考虑，而在背面复合比较大而且电池不太厚的情况下，这种增加可以达到原来电流乎可以不予考虑，而在背面复合比较大而且电池不太厚的情况下，这种增加可以达到原来电流的的8%。少数载流子的寿命极低的情况下，背场的效果

19、并不明显，这恰好和表面复合的情形相反，。少数载流子的寿命极低的情况下，背场的效果并不明显，这恰好和表面复合的情形相反，只有在少子有较高的寿命，背场的效果才比较突出。只有在少子有较高的寿命，背场的效果才比较突出。背场实际上是增强了少子的扩散漂移，使得背面复合等效地降低了，从而使电池性能变好。背场实际上是增强了少子的扩散漂移，使得背面复合等效地降低了，从而使电池性能变好。单片测试和分选单片测试和分选目的目的：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。重要参

20、数重要参数 光照强度：光照强度：100mw/cm2 转换效率，功率，电池片面积（转换效率，功率，电池片面积（125单晶为例单晶为例148.6cm2）的关系：）的关系：功率功率=光照强度光照强度*面积面积*转换效率转换效率 短路电流（短路电流（Isc），开路电压（），开路电压（Voc），填充因子（），填充因子（FF），功率的关系：），功率的关系：功率功率=Isc*Voc*FF 最大工作电流（最大工作电流（Im），最大工作电压（），最大工作电压（Vm），功率的关系：），功率的关系：功率功率=Im*Vm报告人:20ISCVOCRSHRSIV图报告人:21ISCVOCRSH=RS=0IV图的理想曲线报告人:22IV图的建立在不加偏压时,以白色光照射太阳能电池,测得在不同负载电阻 R 下流过太阳能电池的电流 I 和太阳能电池的输出电压 U,所得数据见表报告人:23检测的实际曲线