太阳电池生产中的工艺控制课件.ppt

1、太太阳电池生产中的阳电池生产中的 工艺控制点工艺控制点概要概要太阳电池性能分类检测过程中的关注点太阳电池性能分类检测过程中的关注点丝网印刷中的基本考虑丝网印刷中的基本考虑烧结对电池性能的影响烧结对电池性能的影响硅片边缘等离子体刻蚀过程及控制硅片边缘等离子体刻蚀过程及控制钝化减反膜的作用和要求钝化减反膜的作用和要求扩散工艺及控制要点扩散工艺及控制要点制绒要求及有关考虑制绒要求及有关考虑太阳电池性能分类检测过程中的关注点太阳电池性能分类检测过程中的关注点1.太阳电池的结构太阳电池的结构R=r1+r2r2=t/S=1cm，t=200um125125：r2=0.13m；156156：r2=0.085m

2、 r2 r12.太阳电池的等效电路太阳电池的等效电路 I=IL I0expe(V+IRS)/kT-1-(V+IRS)/RSH ISC=IL/1+(RS/RSH)负载匹配！负载匹配！ILIDRSHRS3.I-V曲线和曲线和P-V曲线曲线RS=0.005 ，RSH=10 ，IL=34.5mA/cm2，=16.85，FF=78.6%，Voc=623 mV，ISC=5.23 A4.并联电阻对并联电阻对I-V曲线的影响曲线的影响RSH=10 RSH=1 RSH=0.5 RS=0.005 5.串联电阻对串联电阻对I-V曲线的影响曲线的影响RS=5 mRS=15 mRS=30 mRSH=10 RSH=10

3、RS =0.005 RSH=10 RS =0.2 RSH=0.1 RS =0.005 极端情况：烧穿极端情况：烧穿 短路电流低，开路电压降低很大短路电流低，开路电压降低很大 烧结不足烧结不足 短路电流低，开路电压不变短路电流低，开路电压不变7.温度对电池性能的影响温度对电池性能的影响0 01 12 23 34 45 56 60 00.10.1 0.20.2 0.30.3 0.40.4 0.50.5 0.60.6 0.70.7电压（mV）电压（mV）电流（A）电流（A）T=278 KT=298 KT=318 KRS=0.005 ，RSH=10 1 银浆的印刷银浆的印刷l在大规模商业化生产中，可靠

4、的银次栅线的最小在大规模商业化生产中，可靠的银次栅线的最小宽度需在宽度需在150微米左右；微米左右；l一般来说，对于可靠和可重复的印刷，栅线的宽一般来说，对于可靠和可重复的印刷，栅线的宽度很难小于丝网线直径的四倍；这主要是由生产环度很难小于丝网线直径的四倍；这主要是由生产环境中需要多次重复使用同时又必须提供足够强度的境中需要多次重复使用同时又必须提供足够强度的丝网的网线直径所决定的。丝网的网线直径所决定的。l对于很细的栅线的印刷可以通过使用腐蚀有印对于很细的栅线的印刷可以通过使用腐蚀有印刷线图案的不锈钢片来代替丝网，开口线条处留刷线图案的不锈钢片来代替丝网，开口线条处留有桥架加固，但这类网板很

5、昂贵因而在生产中很有桥架加固，但这类网板很昂贵因而在生产中很少使用；少使用；l由于一方面要保证线宽尽可能地窄，而另一方由于一方面要保证线宽尽可能地窄，而另一方面又要保证线条的横截面达到一定的数值，因此面又要保证线条的横截面达到一定的数值，因此用于银栅线印刷的丝网板的乳胶层的厚度非常关用于银栅线印刷的丝网板的乳胶层的厚度非常关键；键；l实验证明，只有当栅线的高度达到实验证明，只有当栅线的高度达到20微米左右微米左右时才能实现。但要注意，经过高温烧结，时才能实现。但要注意，经过高温烧结，20微米微米高的银栅线会收缩到一半左右；另外，丝网印刷高的银栅线会收缩到一半左右；另外，丝网印刷后经过高温烧结的

6、银栅线的电导特性会比常规银后经过高温烧结的银栅线的电导特性会比常规银材料差材料差3倍左右；倍左右；l银浆料与扩散有磷的硅的金属接触是太阳电池银浆料与扩散有磷的硅的金属接触是太阳电池制作中的一个关键步骤并对电池的最终性能具有制作中的一个关键步骤并对电池的最终性能具有至关重要的影响至关重要的影响。2 铝浆的印刷铝浆的印刷l利用丝网印刷到硅片背面的铝浆的厚度控制是利用丝网印刷到硅片背面的铝浆的厚度控制是非常重要的。如果太薄，所有铝浆均会在后续的非常重要的。如果太薄，所有铝浆均会在后续的烧结过程中（温度高于烧结过程中（温度高于577 C）与硅形成熔融区）与硅形成熔融区域而被消耗，而该合金区域无论从横向

7、电导率还域而被消耗，而该合金区域无论从横向电导率还是从可焊性方面均不适合于作为背面金属接触。是从可焊性方面均不适合于作为背面金属接触。l相反，如果太厚，一方面浪费浆料；同时还会相反，如果太厚，一方面浪费浆料；同时还会导致其不能在进高温区之前充分干燥，或许更坏导致其不能在进高温区之前充分干燥，或许更坏的情形是不能将其中的所有有机物全部赶出从而的情形是不能将其中的所有有机物全部赶出从而不能将整个铝浆层转变为金属铝。不能将整个铝浆层转变为金属铝。l丝网版的设计对厚度控制非常重要。丝网密丝网版的设计对厚度控制非常重要。丝网密度和网线直径对浆料穿过丝网的难易程度有直度和网线直径对浆料穿过丝网的难易程度有

8、直接影响。作为决定印刷图案的模版是通过涂在接影响。作为决定印刷图案的模版是通过涂在网版上下两面的乳胶层来实现的。单层乳胶的网版上下两面的乳胶层来实现的。单层乳胶的厚度可以从厚度可以从1微米到超过微米到超过30微米，更厚的要求微米，更厚的要求通常是利用多层乳胶制备的。因此，影响所印通常是利用多层乳胶制备的。因此，影响所印铝浆的厚度的因素包括：丝网密度、网线直径、铝浆的厚度的因素包括：丝网密度、网线直径、乳胶层厚度、印刷头压力、印刷速度以及浆料乳胶层厚度、印刷头压力、印刷速度以及浆料的黏性。的黏性。l网版上表面的乳胶层厚度不需要很厚，但下表面网版上表面的乳胶层厚度不需要很厚，但下表面乳胶层需要与要

9、印刷的浆料一样厚。下表面乳胶层乳胶层需要与要印刷的浆料一样厚。下表面乳胶层可防止印刷过程中印刷头将网线挤压过度而太靠近可防止印刷过程中印刷头将网线挤压过度而太靠近硅片表面。硅片表面。l通常，铝浆层的厚度需要至少在通常，铝浆层的厚度需要至少在20微米。如乳胶微米。如乳胶层厚度太大，很难将浆料挤压穿过网版而到达硅片层厚度太大，很难将浆料挤压穿过网版而到达硅片表面，除非浆料很稀或印刷头压力非常大，但这些表面，除非浆料很稀或印刷头压力非常大，但这些极端情况一般不采用。极端情况一般不采用。l印刷头压力要足够大以将所期望的浆料数量挤过印刷头压力要足够大以将所期望的浆料数量挤过网版，但压力太高会导致网版及印

10、刷头表面磨损。网版，但压力太高会导致网版及印刷头表面磨损。l至于印刷速度太慢会影响产能，而太快又不能挤至于印刷速度太慢会影响产能，而太快又不能挤压足够的浆料穿过网版。对于挤压一定量的浆料，压足够的浆料穿过网版。对于挤压一定量的浆料，通常是速度越快，所需的压力越高。通常是速度越快，所需的压力越高。l浆料黏性太高，挤压足够的浆料穿过网版所需的浆料黏性太高，挤压足够的浆料穿过网版所需的压力就会很大；而黏性太低，因浆料流动性太大印压力就会很大；而黏性太低，因浆料流动性太大印刷出的线条难以保持所设计的截面。刷出的线条难以保持所设计的截面。l在全面积铝背场的印刷中，印刷头压力选择尤其在全面积铝背场的印刷中

11、，印刷头压力选择尤其重要。过高的压力会导致硅片中心区域印得太薄，重要。过高的压力会导致硅片中心区域印得太薄，因为在这种情况下，只是硅片的边缘有乳胶层，硅因为在这种情况下，只是硅片的边缘有乳胶层，硅片中心区域网版要距离硅片近得多；过低的压力又片中心区域网版要距离硅片近得多；过低的压力又不能挤压足够的浆料穿过网版，因而印得太薄。不能挤压足够的浆料穿过网版，因而印得太薄。银栅线的烧穿银栅线的烧穿 相比于铝浆的相比于铝浆的烧结，银浆的烧结烧结，银浆的烧结要重要得多；其对要重要得多；其对电池片性能的影响电池片性能的影响主要表现在串联电主要表现在串联电阻，因而也表现在阻，因而也表现在填充因子上。填充因子上

12、。l从尺度上讲，磷扩散的深度远小于从尺度上讲，磷扩散的深度远小于1微米，而微米，而栅线至少是栅线至少是120微米宽。在烧结过程中，银会被微米宽。在烧结过程中，银会被驱入到掺磷的硅里，因而会减低银硅合金区域下驱入到掺磷的硅里，因而会减低银硅合金区域下的扩磷硅层的横向导电率。的扩磷硅层的横向导电率。l如果银被驱赶得太深，因银硅合金区域很高的如果银被驱赶得太深，因银硅合金区域很高的电阻率而使得其所在位置的电阻率而使得其所在位置的PN结所收集到的电结所收集到的电子几乎不能直接穿过该银硅合金区域，这就使得子几乎不能直接穿过该银硅合金区域，这就使得作为金属电极的银栅线对电子的收集只集中在栅作为金属电极的银

13、栅线对电子的收集只集中在栅线的边沿区域；而相比于银栅线与硅的总接触面线的边沿区域；而相比于银栅线与硅的总接触面积来说，边沿区域的接触面积只占大约积来说，边沿区域的接触面积只占大约1%。l由于银具有较高的功函数，银与硅的接触时由于银具有较高的功函数，银与硅的接触时很难实现欧姆接触。这个问题可以通过高浓度很难实现欧姆接触。这个问题可以通过高浓度的磷扩散以防止银与的磷扩散以防止银与N-型硅之间形成型硅之间形成Schottky势势垒从而实现欧姆接触。垒从而实现欧姆接触。l然而，遗憾的是，最浓的磷扩散区域靠近硅然而，遗憾的是，最浓的磷扩散区域靠近硅片的表面。因此，如果银被驱赶得太深，一方片的表面。因此，

14、如果银被驱赶得太深，一方面会使得高导电性的磷扩散区域被封闭；另一面会使得高导电性的磷扩散区域被封闭；另一方面还会使得银与磷掺杂浓度较低的硅区域接方面还会使得银与磷掺杂浓度较低的硅区域接触而形成触而形成Schottky势垒从而接触电阻很高。势垒从而接触电阻很高。l因此，理想情况是在烧结中银被驱赶到硅中的深因此，理想情况是在烧结中银被驱赶到硅中的深度尽可能地浅，但温度要足够高以实现从银浆到银度尽可能地浅，但温度要足够高以实现从银浆到银金属的转变，而同时又使得银能够与硅充分地形成金属的转变，而同时又使得银能够与硅充分地形成合金以获得必要的机械附着强度和确保合金以获得必要的机械附着强度和确保SCHOT

15、TKY势垒的去除；势垒的去除；l温度过高的烧结会将银驱入到温度过高的烧结会将银驱入到PN结区或结区或PN结区结区以外的以外的P型区域。当扩散不均应时，这种现象要特型区域。当扩散不均应时，这种现象要特别引起关注。由于银本身的功函数较高，不会导致别引起关注。由于银本身的功函数较高，不会导致因穿过结区与因穿过结区与P型硅衬底形成欧姆接触而短路。但型硅衬底形成欧姆接触而短路。但是，会因为银浆料中的杂质扩散到结区耗尽层而使是，会因为银浆料中的杂质扩散到结区耗尽层而使载流子复合大为提高，从而降低其性能。载流子复合大为提高，从而降低其性能。l总之，磷扩散工序有任何变化，就要重新优总之，磷扩散工序有任何变化，

16、就要重新优化银烧结条件。化银烧结条件。l顺便提到，介电膜如氮化硅等的采用，使以顺便提到，介电膜如氮化硅等的采用，使以上要求更为保障。一方面，使得机械附着得到上要求更为保障。一方面，使得机械附着得到保障；同时，保障；同时，“死层效应死层效应”降低。当然，介电降低。当然，介电膜的厚度均匀性和成份均匀性要控制好。膜的厚度均匀性和成份均匀性要控制好。银栅线的电阻检测银栅线的电阻检测l经过高温烧结后，可以通过测量沿单根栅线的电压经过高温烧结后，可以通过测量沿单根栅线的电压降来检验由于银栅线的电阻造成的损失。方法是，将降来检验由于银栅线的电阻造成的损失。方法是，将电池放置在模拟太阳光下，使电池两极处于短路

17、状态电池放置在模拟太阳光下，使电池两极处于短路状态以确保有最大电流通过栅线，利用万用电表测量主栅以确保有最大电流通过栅线，利用万用电表测量主栅线与各次栅线靠电池边缘之间的电压降。这段距离通线与各次栅线靠电池边缘之间的电压降。这段距离通常为常为3厘米左右，对于银栅线质量比较好的情况，所测厘米左右，对于银栅线质量比较好的情况，所测得的电压降可以低于得的电压降可以低于20mV；而对于银栅线质量比较差；而对于银栅线质量比较差的情况，所测得的电压降可以高达的情况，所测得的电压降可以高达100mV。l比起正常的情况来说，沿栅线较高的电阻损失会使比起正常的情况来说，沿栅线较高的电阻损失会使其最大工作点电压从

18、其最大工作点电压从500mV降到降到400-450mV，填充因子，填充因子下降下降10-20%。3 背面铝浆料的干燥背面铝浆料的干燥l烘干过程的目的是使浆料中的溶剂和稀释剂烘干过程的目的是使浆料中的溶剂和稀释剂得到去除。在高温烧结过程中，任何残留的溶得到去除。在高温烧结过程中，任何残留的溶剂和稀释剂会导致浆料往外迸发形成鼓包。剂和稀释剂会导致浆料往外迸发形成鼓包。l另一方面，一定厚度的背面氧化铝层是必需另一方面，一定厚度的背面氧化铝层是必需的，以使熔化的铝和铝的，以使熔化的铝和铝/硅保持在其位置上；硅保持在其位置上；可见，含氧气氛是必要的。可见，含氧气氛是必要的。l铝表面氧化不充分会导致熔化的

19、铝和硅穿过铝表面氧化不充分会导致熔化的铝和硅穿过氧化铝层而在电池背面形成铝珠。氧化铝层而在电池背面形成铝珠。l干燥后，在烧结过程中印刷浆料里的铝与硅形成干燥后，在烧结过程中印刷浆料里的铝与硅形成硅硅/铝合金，并有一部分铝粉颗粒熔化而在硅片背铝合金，并有一部分铝粉颗粒熔化而在硅片背面形成一层金属铝。面形成一层金属铝。l烧结过程不能太短以保证硅烧结过程不能太短以保证硅/铝合金的形成，也铝合金的形成，也不能太长而消耗掉所有的铝。不能太长而消耗掉所有的铝。l铝在硅中是作为铝在硅中是作为P型掺杂的，硅片背表面掺铝形型掺杂的，硅片背表面掺铝形成所谓的铝背场，可以减少金属与硅交界处的少子成所谓的铝背场，可以

20、减少金属与硅交界处的少子复合（降低暗饱和电流），从而提高开路电压和增复合（降低暗饱和电流），从而提高开路电压和增加短路电流，特别是改善对红外光线的响应。加短路电流，特别是改善对红外光线的响应。l经过高温烧结后，将电池放置在模拟太阳光经过高温烧结后，将电池放置在模拟太阳光下，利用万用电表依此测量背面与正面各对应下，利用万用电表依此测量背面与正面各对应位置之间的电压。正常情况下，除靠近边缘区位置之间的电压。正常情况下，除靠近边缘区域电压稍微低一些以外，其它各点电压应比较域电压稍微低一些以外，其它各点电压应比较均匀。但是，如果某些区域点的电压比其周围均匀。但是，如果某些区域点的电压比其周围区域的电压

21、低得太多，可以断定该区域存在铝区域的电压低得太多，可以断定该区域存在铝等金属污染。等金属污染。4 烧结后正面结可能铝污染的检测烧结后正面结可能铝污染的检测硅片边缘等离子刻蚀过程及控制硅片边缘等离子刻蚀过程及控制l由于在扩散过程中，即使采用硅片的背对背由于在扩散过程中，即使采用硅片的背对背扩散，硅片的所有表面（包括正反面和边缘）扩散，硅片的所有表面（包括正反面和边缘）都将不可避免地扩散上磷。都将不可避免地扩散上磷。PNPN结的正面所收集结的正面所收集到的光生电子会沿着边缘扩散有磷的区域流到到的光生电子会沿着边缘扩散有磷的区域流到PNPN结的背面，而造成短路，该短路通道等效于结的背面，而造成短路，

22、该短路通道等效于降低并联电阻。因此要制得性能好的太阳电池，降低并联电阻。因此要制得性能好的太阳电池，需要将该短路通道去除需要将该短路通道去除。redgeRSHILIDRSReff=RSHredge/(RSH+redge)l通常采用等离子体刻蚀法将硅片边缘扩散有通常采用等离子体刻蚀法将硅片边缘扩散有磷的区域去除。方法是将一定数量的硅片整齐磷的区域去除。方法是将一定数量的硅片整齐地叠放在一起，并将上下最两端的硅片加以保地叠放在一起，并将上下最两端的硅片加以保护，然后将这些叠放在一起的硅片置于刻蚀腔护，然后将这些叠放在一起的硅片置于刻蚀腔内。经抽真空并引入适当的工作气体后，施加内。经抽真空并引入适当

23、的工作气体后，施加一定的射频能量，即可在叠放在一起的硅片周一定的射频能量，即可在叠放在一起的硅片周围产生等离子体。射频波能量被反应气体吸收围产生等离子体。射频波能量被反应气体吸收后将气体分子离化而产生有活性的离子或自由后将气体分子离化而产生有活性的离子或自由基，这些离子或自由基通过与硅片边缘的硅原基，这些离子或自由基通过与硅片边缘的硅原子的不断反应而将硅原子带走，即实现子的不断反应而将硅原子带走，即实现刻蚀刻蚀。l在等离子体刻蚀工艺中，关键的工艺参量是在等离子体刻蚀工艺中，关键的工艺参量是射频功率和刻蚀时间。如功率太高，等离子体射频功率和刻蚀时间。如功率太高，等离子体中离子的能量较高而会对硅片

24、边缘造成较大的中离子的能量较高而会对硅片边缘造成较大的轰击损伤，导致边缘区域的电性能变差从而使轰击损伤，导致边缘区域的电性能变差从而使电池的性能下降。因此，人们通常倾向于采用电池的性能下降。因此，人们通常倾向于采用功率相对较低而时间相对较长的刻蚀工艺。当功率相对较低而时间相对较长的刻蚀工艺。当然，另一方面，等离子体刻蚀过程中，载能离然，另一方面，等离子体刻蚀过程中，载能离子也会对硅片边缘附近的正反表面区域造成影子也会对硅片边缘附近的正反表面区域造成影响。刻蚀过程越长，这种影响越严重。响。刻蚀过程越长，这种影响越严重。l因此，在生产过程中，等离子体刻蚀的功率因此，在生产过程中，等离子体刻蚀的功率

25、大小和刻蚀时间长短的选取是一种折衷考虑。大小和刻蚀时间长短的选取是一种折衷考虑。较高能量的离子轰击对边缘区域造成的损伤会较高能量的离子轰击对边缘区域造成的损伤会对边缘区域所收集到的载流子有一定程度的减对边缘区域所收集到的载流子有一定程度的减少，因而会导致短路电流稍微降低。其最大后少，因而会导致短路电流稍微降低。其最大后果是会使器件的理想因子果是会使器件的理想因子“n”n”增加，因为在结增加，因为在结区（耗尽区）造成的损伤会使得结区复合增加，区（耗尽区）造成的损伤会使得结区复合增加，从而表现在理想因子的增加。从而表现在理想因子的增加。l对于较低的等离子功率，需要较长的刻蚀时对于较低的等离子功率，

26、需要较长的刻蚀时间。如果刻蚀不足，电池的并联电阻会下降，间。如果刻蚀不足，电池的并联电阻会下降，对这种情况需要增加功率或延长刻蚀时间。如对这种情况需要增加功率或延长刻蚀时间。如果刻蚀时间长到足以对电池片的正反面造成损果刻蚀时间长到足以对电池片的正反面造成损伤，由于这不可避免地会造成损伤延伸到正面伤，由于这不可避免地会造成损伤延伸到正面结区，因而也会使理想因子结区，因而也会使理想因子“n”n”增加。如果刻增加。如果刻蚀时间过长，会因损伤区域的高复合而使得开蚀时间过长，会因损伤区域的高复合而使得开路电压和短路电流降低。路电压和短路电流降低。l等离子功率太低会使等离子体不稳定和分布等离子功率太低会使

27、等离子体不稳定和分布不均匀，从而造成某些区域刻蚀过度而某些区不均匀，从而造成某些区域刻蚀过度而某些区域刻蚀不足，导致并联电阻下降。开路电压的域刻蚀不足，导致并联电阻下降。开路电压的分布测量是检验该问题的有效方法，如边缘刻分布测量是检验该问题的有效方法，如边缘刻蚀不足，则接近边缘区域时，开路电压会降低蚀不足，则接近边缘区域时，开路电压会降低很大（甚至低到很大（甚至低到200200mVmV）；）；而正常情况下，该下而正常情况下，该下降应比较小。降应比较小。钝化减反膜的作用和要求钝化减反膜的作用和要求l表面平整的硅片在很宽的波长范围（表面平整的硅片在很宽的波长范围（40040010501050nmn

28、m）内对入射光的反射均高于内对入射光的反射均高于30%30%。该反射。该反射可以通过表面绒面来降低。但是，一方面，金字可以通过表面绒面来降低。但是，一方面，金字塔绒面只能在特定取向（接近塔绒面只能在特定取向（接近100100晶向）的硅片晶向）的硅片上实现，减反的效果只能低到接近上实现，减反的效果只能低到接近10%10%；另一方；另一方面，对于不适合于绒面制备的硅片、因其它考虑面，对于不适合于绒面制备的硅片、因其它考虑要求平表面硅片的电池或为了进一步降低反射，要求平表面硅片的电池或为了进一步降低反射，需要在硅片表面制备一层或多层介质膜。需要在硅片表面制备一层或多层介质膜。l介质膜的种类及制备方法

29、有多种，比如真空介质膜的种类及制备方法有多种，比如真空加热沉积、化学气相沉积、丝网印刷、溅射、加热沉积、化学气相沉积、丝网印刷、溅射、电子束蒸发、离心甩胶甚至喷镀等等。考虑到电子束蒸发、离心甩胶甚至喷镀等等。考虑到介质膜的质量及生产成本，最常用的减反介质介质膜的质量及生产成本，最常用的减反介质膜是氮化硅和二氧化钛，前者主要采用化学气膜是氮化硅和二氧化钛，前者主要采用化学气相沉积，而后者主要采用喷镀、化学气相沉积相沉积，而后者主要采用喷镀、化学气相沉积和丝网印刷。和丝网印刷。l太阳电池制作中对于介质膜的要求是：太阳电池制作中对于介质膜的要求是：折射率为折射率为1.91.92.12.1。我们注意到

30、，若选择适当的介质层厚度。我们注意到，若选择适当的介质层厚度和折射率可以将某一特定波长的入射光反射降低到和折射率可以将某一特定波长的入射光反射降低到零。然而，太阳光的光谱范围包含许多各种不同的零。然而，太阳光的光谱范围包含许多各种不同的波长，零反射条件的选择只能针对某一波长，其它波长，零反射条件的选择只能针对某一波长，其它波长的光的反射会随与此特定波长的偏离的增大而波长的光的反射会随与此特定波长的偏离的增大而增加。因此，增加。因此，减反介质层的设计要根据太阳光波长减反介质层的设计要根据太阳光波长的分布特征和硅材料的吸收特点而作总体考虑。基的分布特征和硅材料的吸收特点而作总体考虑。基于这些考虑，

31、对于于这些考虑，对于折射率为折射率为1.91.92.12.1的介质层，的介质层，厚厚度为度为8080nmnm左右。这也是为什么生产出来的太阳电池左右。这也是为什么生产出来的太阳电池看起来是蓝色的，因为较短波长的光比较长波长的看起来是蓝色的，因为较短波长的光比较长波长的光的反射要多。光的反射要多。l当然，在实验室一般可以采用多层减反膜以使入当然，在实验室一般可以采用多层减反膜以使入射太阳光中多个波长光的反射均降为零，在这种情射太阳光中多个波长光的反射均降为零，在这种情况下，太阳电池看起来是黑色或深绿色的。通常在况下，太阳电池看起来是黑色或深绿色的。通常在大规模生产中，由于成本的考虑，只采用一层减

32、反大规模生产中，由于成本的考虑，只采用一层减反膜。膜。l原则上，减反介质膜可以在生产过程中的不同阶原则上，减反介质膜可以在生产过程中的不同阶段制备。以前，人们为了避免因为制备的减反膜需段制备。以前，人们为了避免因为制备的减反膜需要耐高温以及减小由此导致的污染，通常将减反介要耐高温以及减小由此导致的污染，通常将减反介质膜的制备安排在生产过程中的最后一步。然而，质膜的制备安排在生产过程中的最后一步。然而，这种安排的问题是需要将金属栅线上用于焊接区域这种安排的问题是需要将金属栅线上用于焊接区域的减反介质膜去除以便封装过程中的焊接。的减反介质膜去除以便封装过程中的焊接。l近年来，由于所选择的减反介质膜

33、材料的耐高近年来，由于所选择的减反介质膜材料的耐高温和无污染特性，以及由于可以经过烧结穿透介温和无污染特性，以及由于可以经过烧结穿透介质膜实现欧姆接触的丝网印刷金属浆料的开发，质膜实现欧姆接触的丝网印刷金属浆料的开发，减反介质膜材料的制备已被安排在生产过程的中减反介质膜材料的制备已被安排在生产过程的中间环节。间环节。l新型丝网印刷金属浆料和与之相适应的可以通新型丝网印刷金属浆料和与之相适应的可以通过烧结穿透实现欧姆接触的减反介质膜沉积技术过烧结穿透实现欧姆接触的减反介质膜沉积技术的开发是过去的开发是过去2020多年来丝网印刷太阳电池技术中多年来丝网印刷太阳电池技术中最重要的进展。其关键点是通过

34、烧结穿透实现与最重要的进展。其关键点是通过烧结穿透实现与N N型扩散区的欧姆接触而同时又不会损坏附近的型扩散区的欧姆接触而同时又不会损坏附近的结区。结区。l当丝网印刷在当丝网印刷在3030多年以前被用于太阳电池的生产多年以前被用于太阳电池的生产时，为了实现良好的欧姆接触而又要保证在后续的时，为了实现良好的欧姆接触而又要保证在后续的烧结过程中金属不会穿透到结区，磷扩散得比较浓烧结过程中金属不会穿透到结区，磷扩散得比较浓而结又比较深。因此，过去几十年以来，丝网印刷而结又比较深。因此，过去几十年以来，丝网印刷太阳电池均采用浓度较高结比较深的扩散条件。而太阳电池均采用浓度较高结比较深的扩散条件。而在丝

35、网印刷之前进行减反膜沉积的新型工艺的采用在丝网印刷之前进行减反膜沉积的新型工艺的采用可以使后续的烧结过程中金属在硅片里的穿透做到可以使后续的烧结过程中金属在硅片里的穿透做到尽可能地小。这有两方面的好处：可以采用较浅的尽可能地小。这有两方面的好处：可以采用较浅的扩散结以及使烧结后硅和金属的接触面靠近硅片表扩散结以及使烧结后硅和金属的接触面靠近硅片表面。对于金属穿透比较小的情况，因越靠近硅片表面。对于金属穿透比较小的情况，因越靠近硅片表面，磷扩散浓度越高，串联电阻就越低。而对于结面，磷扩散浓度越高，串联电阻就越低。而对于结比较浅的情况，在发射区因光的吸收产生的电子空比较浅的情况，在发射区因光的吸收

36、产生的电子空穴对的收集几率相对较大。穴对的收集几率相对较大。扩散工艺及控制要点扩散工艺及控制要点l由于硅太阳电池实际生产中均采用由于硅太阳电池实际生产中均采用P型型硅片，因此需要形成硅片，因此需要形成N型层才能得到型层才能得到PN结，结，这通常是通过在高温条件下利用磷源扩散这通常是通过在高温条件下利用磷源扩散来实现的。这种扩散工艺包括两个过程：来实现的。这种扩散工艺包括两个过程：首先是硅片表面含磷薄膜层的沉积，然后首先是硅片表面含磷薄膜层的沉积，然后是含磷薄膜层中的磷在高温条件下往是含磷薄膜层中的磷在高温条件下往P型型硅片里的扩散。硅片里的扩散。l在高温扩散炉里，汽相的在高温扩散炉里，汽相的P

37、OCl3（phosphorus oxychloride）或）或PBr3（phosphorus tribromide）首）首先在硅表面形成先在硅表面形成P2O5（phosphorus pentoxide）；）；然后，其中的磷在高温作用下往硅片里扩散。然后，其中的磷在高温作用下往硅片里扩散。l扩散过程结束后，通常利用扩散过程结束后，通常利用“四探针法四探针法”对其方对其方块电阻进行测量以确定扩散到硅片里的磷的总量。块电阻进行测量以确定扩散到硅片里的磷的总量。对于丝网印刷太阳电池来说，方块电阻一般控制在对于丝网印刷太阳电池来说，方块电阻一般控制在40-50 /。l发射结扩散通常被认为是太阳电池制作的

38、最关键发射结扩散通常被认为是太阳电池制作的最关键的工艺步骤。扩散太浓，会导致短路电流降低（特的工艺步骤。扩散太浓，会导致短路电流降低（特别是短波长光谱响应很差，当扩散结过深时，该效别是短波长光谱响应很差，当扩散结过深时，该效应还会加剧）；扩散不足，会导致横向传输电阻过应还会加剧）；扩散不足，会导致横向传输电阻过大，同样还会引起金属化时硅材料与丝网印刷电结大，同样还会引起金属化时硅材料与丝网印刷电结之间的欧姆接触效果。之间的欧姆接触效果。l导致少数载流子寿命降低的原因还包括扩导致少数载流子寿命降低的原因还包括扩散源的纯度、扩散炉的清洁程度、进炉之前散源的纯度、扩散炉的清洁程度、进炉之前硅片的清洁

39、程度甚至在热扩散过程中硅片的硅片的清洁程度甚至在热扩散过程中硅片的应力等。应力等。l扩散结的质量同样依赖于扩扩散结的质量同样依赖于扩散工艺散工艺参数，参数，如扩散的最高温度、处于最高温度的时间、如扩散的最高温度、处于最高温度的时间、升降温的快慢（直接影响硅片上的温度梯度升降温的快慢（直接影响硅片上的温度梯度所导致的应力和缺陷）。当然，大量的研究所导致的应力和缺陷）。当然，大量的研究表明，对于具有表明，对于具有600mV左右开路电压的丝网左右开路电压的丝网印刷太阳电池，这种应力不会造成负面影响，印刷太阳电池，这种应力不会造成负面影响，实际上有利于多晶情况时的吸杂过程。实际上有利于多晶情况时的吸杂

40、过程。l发射结扩散的质量对太阳电池电学性能的影响发射结扩散的质量对太阳电池电学性能的影响反映在串联电阻从而在填充因子上：（反映在串联电阻从而在填充因子上：（1）光生）光生载流子在扩散形成的载流子在扩散形成的n型发射区是多数载流子，型发射区是多数载流子，在这些电子被金属电极收集之前需要经过横向传在这些电子被金属电极收集之前需要经过横向传输，传输过程中的损失依赖于输，传输过程中的损失依赖于n型发射区的横型发射区的横向电阻；（向电阻；（2）正面丝网印刷金属电极与）正面丝网印刷金属电极与n型发型发射区的电接触，为了避免形成射区的电接触，为了避免形成Schottky势垒或其势垒或其它接触电阻效应而得到良

41、好的欧姆接触，要求它接触电阻效应而得到良好的欧姆接触，要求n型发射区的掺杂浓度要高。型发射区的掺杂浓度要高。l扩散结的深度同样也很关键，因为烧结后金属扩散结的深度同样也很关键，因为烧结后金属电极要满足一定的机械强度，如果结太浅，烧结电极要满足一定的机械强度，如果结太浅，烧结后金属会接近甚至到达结的位置，会导致结的短后金属会接近甚至到达结的位置，会导致结的短路。路。l太阳光谱中，不同波长的光有不同的穿透深太阳光谱中，不同波长的光有不同的穿透深度，也就是说不同波长的光在硅材料里的不同度，也就是说不同波长的光在硅材料里的不同深度被吸收。波长越短的光，越在靠近表面的深度被吸收。波长越短的光，越在靠近表

42、面的区域被吸收。在区域被吸收。在n型区空穴是少数载流子，型区空穴是少数载流子，在在p型区电子是少数载流子，每个光子在吸型区电子是少数载流子，每个光子在吸收处产生一对电子空穴对，由于收处产生一对电子空穴对，由于P-N结内建结内建电场的作用，电场的作用，n型区的空穴和型区的空穴和p型区的电型区的电子分别扩散到子分别扩散到PN结附近然后被分离到另一侧结附近然后被分离到另一侧成为多数载流子。成为多数载流子。l因光子被吸收后所产生的电子和空穴（光生载因光子被吸收后所产生的电子和空穴（光生载流子）需要扩散一定的距离才能到达流子）需要扩散一定的距离才能到达PN结附近，结附近，在这一扩散过程中，有些载流子可能

43、会因为复合在这一扩散过程中，有些载流子可能会因为复合而消失从而导致短路电流的降低。通常，利用少而消失从而导致短路电流的降低。通常，利用少数载流子寿命来对此复合损失加以描述。由于硅数载流子寿命来对此复合损失加以描述。由于硅材料对短波长的光（紫外光和蓝光）的吸收主要材料对短波长的光（紫外光和蓝光）的吸收主要发生在表面附加区域，因此，考虑扩散结的要求发生在表面附加区域，因此，考虑扩散结的要求时（扩散浓度和结深），仅需要对短波长的光加时（扩散浓度和结深），仅需要对短波长的光加以特别关注。以特别关注。l要求一定的扩散浓度以确保因载流子横向传输要求一定的扩散浓度以确保因载流子横向传输所经过的电阻造成的损失

44、较小。由于浓掺杂会极所经过的电阻造成的损失较小。由于浓掺杂会极大地降低少数载流子的寿命，而结太深又会增加大地降低少数载流子的寿命，而结太深又会增加少数载流子在扩散到少数载流子在扩散到PN结过程中的复合损失。结过程中的复合损失。当横向薄层电阻低于当横向薄层电阻低于100 /时，太阳电池表面时，太阳电池表面会不可避免地存在一个区域，在该区域中由于光会不可避免地存在一个区域，在该区域中由于光被吸收所产生的载流子会因为寿命太短而在扩散被吸收所产生的载流子会因为寿命太短而在扩散到到PN结之前就被复合，从而对电池效率没有贡结之前就被复合，从而对电池效率没有贡献，该特殊区域被称为献，该特殊区域被称为“死层死

45、层”。l而实际上，丝网印刷太阳电池的横向薄层电阻而实际上，丝网印刷太阳电池的横向薄层电阻通常需要在通常需要在40-50 /，“死层死层”效应更严重。效应更严重。不仅紫外光，即使太阳光谱中最高密度的绿光的不仅紫外光，即使太阳光谱中最高密度的绿光的贡献也会受影响。对于绿光，有大约贡献也会受影响。对于绿光，有大约10%的强度的强度会在会在“死层死层”被吸收而失去贡献。相比而言，波被吸收而失去贡献。相比而言，波长较长的红光和红外光因主要在体内被吸收，所长较长的红光和红外光因主要在体内被吸收，所产生的光生载流子被收集的几率几乎不受扩散结产生的光生载流子被收集的几率几乎不受扩散结的影响。的影响。l需要指出

46、的是，即使将薄层电阻升高到需要指出的是，即使将薄层电阻升高到100/，由于浓扩散导致的，由于浓扩散导致的“死层死层”效应减小，效应减小，但表面的复合仍然很严重，需要进行表面钝化。但表面的复合仍然很严重，需要进行表面钝化。因此，要制备高效太阳电池，需要同时满足淡掺因此，要制备高效太阳电池，需要同时满足淡掺杂和表面钝化两个条件。杂和表面钝化两个条件。l太阳电池的开路电压与器件内部的复合息息相太阳电池的开路电压与器件内部的复合息息相关。复合越小，开路电压越高。同样，复合情况关。复合越小，开路电压越高。同样，复合情况也影响着饱和暗电流。由于也影响着饱和暗电流。由于“死层死层”里的复合速里的复合速率非常

47、高，在表面和率非常高，在表面和“死层死层”里所产生的光生载里所产生的光生载流子对短路电流和复合电流均没有贡献，因而对流子对短路电流和复合电流均没有贡献，因而对饱和暗电流也没有贡献。饱和暗电流也没有贡献。l由于丝网印刷太阳电池的表面扩散浓度较高，由于丝网印刷太阳电池的表面扩散浓度较高，“死层死层”效应较严重，硅片本身的质量和背表面效应较严重，硅片本身的质量和背表面复合对其开路电压的影响更严重。复合对其开路电压的影响更严重。切割损伤层腐蚀和制绒要求及有关考虑切割损伤层腐蚀和制绒要求及有关考虑1 切割损伤层腐蚀l线切割损伤可达线切割损伤可达10 20ml浓浓NaOH(通常为通常为30%W/V)在约在

48、约80C时对硅片的时对硅片的腐蚀速度大约为腐蚀速度大约为2m/min。l每次腐蚀后需适量补充。每次腐蚀后需适量补充。l需为需为NaOH 烟雾和反应所产生的氢气提供较好的烟雾和反应所产生的氢气提供较好的排风。排风。l对于对于NaOH浓度高于浓度高于20%W/V的情况，腐蚀速度的情况，腐蚀速度主要取决于溶液的温度，而与实际浓度关系很小。主要取决于溶液的温度，而与实际浓度关系很小。l所积累的硅酸钠是影响腐蚀速度的另一个因素，所积累的硅酸钠是影响腐蚀速度的另一个因素，随着硅酸钠浓度的增加，溶液的粘性会增加，因而随着硅酸钠浓度的增加，溶液的粘性会增加，因而会妨碍反应所产生的氢的释放。这会反过来降低硅会妨

49、碍反应所产生的氢的释放。这会反过来降低硅片表面片表面NaOH的腐蚀效率，即降低腐蚀速度。最终，的腐蚀效率，即降低腐蚀速度。最终，硅酸钠的浓度会增加到足够高，使所产生的氢都限硅酸钠的浓度会增加到足够高，使所产生的氢都限定在硅片的表面，定在硅片的表面，以致硅片盒漂浮起来。以致硅片盒漂浮起来。l所产生的硅酸钠要保留一定的时间所产生的硅酸钠要保留一定的时间(数周甚至数数周甚至数月月)，因为在溶液中保留适量的硅酸钠可以抑制，因为在溶液中保留适量的硅酸钠可以抑制NaOH对硅片表面的抛光作用。对硅片表面的抛光作用。l有些制造商刻意利用有很高硅酸钠含量的有些制造商刻意利用有很高硅酸钠含量的NaOH腐蚀液，将腐

50、蚀速度降低到约腐蚀液，将腐蚀速度降低到约1m/min以避免形成以避免形成很平的抛光表面。在这种情况下，硅片表面表现得很平的抛光表面。在这种情况下，硅片表面表现得很粗糙。有制造商认为，这种表面对于后续的金字很粗糙。有制造商认为，这种表面对于后续的金字塔成核生长更有利。塔成核生长更有利。l腐蚀过度会使得硅片太薄从而降低生产成品率。腐蚀过度会使得硅片太薄从而降低生产成品率。但腐蚀不足会导致三个可能的问题但腐蚀不足会导致三个可能的问题:残余缺陷，残残余缺陷，残余缺陷在后续高温过程中往材料深处进一步扩展，余缺陷在后续高温过程中往材料深处进一步扩展，切割过程中导致的杂质未能完全去除。切割过程中导致的杂质未