多晶硅太阳能电池制作工艺概述.docx
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多晶硅太阳能电池制作工艺概述
多晶硅太阳能电池制作工艺概述
多晶硅太阳能电池制作工艺概述
摘要：
大规模开发和利用光伏太阳能发电,提高电池的光电转换效率和降低生产成本是其核心所在，由于近十年人们对太阳电池理论认识的进一步深入、生产工艺的改进、IC技术的渗入和新电池结构的出现，电池的转换效率得到较大的提高，大规模生产上，多晶硅电池的转换效率已接近单晶硅电池，在非晶硅电池稳定性问题未取得较大进展时，多晶硅电池受到人们的关注，其世界产量已接近单晶硅，本文对目前多晶硅太阳电池的工艺发展分别从实验室工艺和规模化生产两个方面作了比较系统的描述。
1绪论
众所周知，利用太阳能有许多优点，光伏发电将为人类提供主要的能源，但目前来讲，要使太阳能发电具有较大的市场，被广大的消费者接受，提高太阳电池的光电转换效率，降低生产成本应该是我们追求的最大目标，从目前国际太阳电池的发展过程可以看出其发展趋势为单晶硅、多晶硅、带状硅、薄膜材料（包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜）。
从工业化发展来看，重心已由单晶向多晶方向发展，主要原因为；[1]可供应太阳电池的头尾料愈来愈少；[2]对太阳电池来讲，方形基片更合算，通过浇铸法和直接凝固法所获得的多晶硅可直接获得方形材料；[3]多晶硅的生产工艺不断取得进展，全自动浇铸炉每生产周期（50小时）可生产200公斤以上的硅锭，晶粒的尺寸达到厘米级；[4]由于近十年单晶硅工艺的研究与发展很快，其中工艺也被应用于多晶硅电池的生产，例如选择腐蚀发射结、背表面场、腐蚀绒面、表面和体钝化、细金属栅电极，采用丝网印刷技术可使栅电极的宽度降低到50微米，高度达到15微米以上，快速热退火技术用于多晶硅的生产可大大缩短工艺时间，单片热工序时间可在一分钟之内完成，采用该工艺在100平方厘米的多晶硅片上作出的电池转换效率超过14％。
据报道，目前在50～60微米多晶硅衬底上制作的电池效率超过16％。
利用机械刻槽、丝网印刷技术在100平方厘米多晶上效率超过17％，无机械刻槽在同样面积上效率达到16％，采用埋栅结构，机械刻槽在130平方厘米的多晶上电池效率达到15.8％。
下面从两个方面对多晶硅电池的工艺技术进行讨论。
2.实验室高效电池工艺
实验室技术通常不考虑电池制作的成本和是否可以大规模化生产，仅仅研究达到最高效率的方法和途径，提供特定材料和工艺所能够达到的极限。
2.1关于光的吸收
对于光吸收主要是：
（1）降低表面反射；
（2）改变光在电池体内的路径；
（3）采用背面反射。
对于Mc—Si，因存在较高的晶界、点缺陷（空位、填隙原子、金属杂质、氧、氮及他们的复合物）对材料表面和体内缺陷的钝化尤为重要，除前面提到的吸杂技术外，钝化工艺有多种方法，通过热氧化使硅悬挂键饱和是一种比较常用的方法，可使Si-SiO2界面的复合速度大大下降，其钝化效果取决于发射区的表面浓度、界面态密度和电子、空穴的浮获截面。
在氢气氛中退火可使钝化效果更加明显。
采用PECVD淀积氮化硅近期正面十分有效，因为在成膜的过程中具有加氢的效果。
该工艺也可应用于规模化生产中。
应用RemotePECVDSi3N4可使表面复合速度小于20cm/s。
3工业化电池工艺
太阳电池从研究室走向工厂，实验研究走向规模化生产是其发展的道路，所以能够达到工业化生产的特征应该是：
[1]电池的制作工艺能够满足流水线作业；
[2]能够大规模、现代化生产；
[3]达到高效、低成本。
当然，其主要目标是降低太阳电池的生产成本。
目前多晶硅电池的主要发展方向朝着大面积、薄衬底。
例如，市场上可见到125×125mm2、150×150mm2甚至更大规模的单片电池，厚度从原来的300微米减小到目前的250、200及200微米以下。
效率得到大幅度的提高。
日本京磁（Kyocera）公司150×150的电池小批量生产的光电转换效率达到17.1%，该公司1998年的生产量达到25.4MW。
（1）丝网印刷及其相关技术
多晶硅电池的规模化生产中广泛使用了丝网印刷工艺，该工艺可用于扩散源的印刷、正面金属电极、背接触电极，减反射膜层等，随着丝网材料的改善和工艺水平的提高，丝网印刷工艺在太阳电池的生产中将会得到更加普遍的应用。
a.发射区的形成
利用丝网印刷形成PN结，代替常规的管式炉扩散工艺。
一般在多晶硅的正面印刷含磷的浆料、在反面印刷含铝的金属浆料。
印刷完成后，扩散可在网带炉中完成（通常温度在900度），这样，印刷、烘干、扩散可形成连续性生产。
丝网印刷扩散技术所形成的发射区通常表面浓度比较高，则表面光生载流子复合较大，为了克服这一缺点，工艺上采用了下面的选择发射区工艺技术，使电池的转换效率得到进一步的提高。
b.选择发射区工艺
在多晶硅电池的扩散工艺中，选择发射区技术分为局部腐蚀或两步扩散法。
局部腐蚀为用干法（例如反应离子腐蚀）或化学腐蚀的方法，将金属电极之间区域的重扩散层腐蚀掉。
最初，Solarex应用反应离子腐蚀的方法在同一台设备中，先用大反应功率腐蚀掉金属电极间的重掺杂层，再用小功率沉积一层氮化硅薄膜，该膜层发挥减反射和电池表面钝化的双重作用。
在100cm2的多晶上作出转换效率超过13％的电池。
在同样面积上，应用两部扩散法，未作机械绒面的情况下转换效率达到16％。
c.背表面场的形成
背PN结通常由丝网印刷A浆料并在网带炉中热退火后形成，该工艺在形成背表面结的同时，对多晶硅中的杂质具有良好的吸除作用，铝吸杂过程一般在高温区段完成，测量结果表明吸杂作用可使前道高温过程所造成的多晶硅少子寿命的下降得到恢复。
良好的背表面场可明显地提高电池的开路电压。
d.丝网印刷金属电极
在规模化生产中，丝网印刷工艺与真空蒸发、金属电镀等工艺相比，更具有优势，在目前的工艺中，正面的印刷材料普遍选用含银的浆料，其主要原因是银具有良好的导电性、可焊性和在硅中的低扩散性能。
经丝网印刷、退火所形成的金属层的导电性能取决于浆料的化学成份、玻璃体的含量、丝网的粗糟度、烧结条件和丝网版的厚度。
八十年度初，丝网印刷具有一些缺陷，ⅰ）如栅线宽度较大，通常大于150微米；ⅱ）造成遮光较大，电池填充因子较低；ⅲ）不适合表面钝化，主要是表面扩散浓度较高，否则接触电阻较大。
目前用先进的方法可丝网印出线宽达50微米的栅线，厚度超过15微米，方块电阻为2.5~4mΩ，该参数可满足高效电池的要求。
有人在15×15平方厘米的Mc—Si上对丝网印刷电极和蒸发电极所作太阳电池进行了比较，各项参数几乎没有差距。
4结束语
多晶硅电池的制作工艺不断向前发展，保证了电池的效率不断提高，成本下降，随着对材料、器件物理、光学特性认识的加深，导致电池的结构更趋合理，实验室水平和工业化大生产的距离不断缩小。
丝网印刷和埋栅工艺为高效、低成本电池发挥了主要作用，高效Mc—Si电池组件已大量进入市场，目前的研究正致力于新性薄膜结构、廉价衬底上的电池等，面对用户，我们需要作的工作是实现更大批量的、低成本的生产，愿我们更加努力实现这一目标。
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