《單晶硅電池材料》PPT課件.ppt

單晶硅電池材料 俞亮周小雄 硅的介紹 單晶硅生產流程 單晶硅太陽能電池的生產流程 單晶硅太陽能電池的應用 硅的介紹硅材料是半導體行業(yè)中最重要且應用最廣的元素半導體 是微電子工業(yè)和太陽能光伏工業(yè)的基礎材料 由于硅材料的獨特性質 成為現代電子工業(yè)和信息社會基礎 其發(fā)展是20世紀材料和電子領域的里程碑 它的發(fā)展和應用直接促進了20世紀全球科技和工業(yè)的高速發(fā)展 因而被稱為進入了 硅時代 硅具有元素含量含量豐富 化學穩(wěn)定性好 無環(huán)境污染等優(yōu)點 又具有良好的半導體特性 半導體特性 添加雜質 導電性能 光照 導電能力 光照 導電能力 無光照不導電 溫度 導電能力 溫度 導電能力 硅材料有多種晶體形式 包括單晶硅 多晶硅和非晶硅 應用于太陽電池工業(yè)領域的硅材料包括直拉單晶硅 薄膜非晶硅 鑄造多晶硅 帶狀多晶硅和薄膜多晶硅 他們有各自的優(yōu)缺點 其中直拉單晶硅和鑄造多晶硅應用最為廣泛 占太陽能光電材料的90 左右 石英砂 SiO2 金屬級硅 99 左右 焦炭反應 作為單晶硅原料的高純多晶硅 三氯氫硅氫還原法 硅烷熱分解法 四氯化硅還原法 二氯二氫硅還原法 單晶硅的生產流程 高純多晶硅原料 熔化 種晶 縮頸 放肩 等徑 收尾 圓柱狀單晶硅 直拉單晶硅的制備工藝一般工作流程 多晶硅的裝料 熔化 種晶 縮頸 放肩 收尾 太陽能電池的發(fā)展歷史 1839年法國物理學家貝克勒爾首次發(fā)現光伏效應 1954年美國貝爾實驗室制成第一個單晶硅太陽能電池 1958年我國研制出了首塊硅單晶 研發(fā)出的電池主要用于空間領域 70年代末 我國與國際同期開展了砷化鎵太陽能電池研究 該電池具有很高的光吸收系數 1999年 2 2cm2電池的轉換效率達22 1975年寧波 開封先后成立太陽電池廠 電池制造工藝模仿早期生產空間電池的工藝 太陽能電池的應用開始從空間降落到地面 80年代末期 國內先后引進了多條太陽能電池生產線 生產能力由原來的幾百KW 千瓦 一下子提升到4 5MW 這種產能一直持續(xù)到2002年 產量則只有2MW左右 1999年 保定天威英利新能源有限公司承建了 多晶硅太陽能電池及應用系統(tǒng)示范工程 項目 2003年12月正式通過國家驗收 全線投產 填補了我國不能商業(yè)化生產多晶硅太陽能電池的空白 2002年9月 尚德第一條10MW太陽電池生產線正式投產 產能相當于此前四年全國太陽電池產量的總和 一舉將我國與國際光伏產業(yè)的差距縮短了15年 2004年1月19日 中國第一臺12對棒多晶硅高效節(jié)能大還原爐在中硅高科試驗成功 各項技術指標均達到國際先進水平 至此 中國人掌握了由美國 日本 德國等國壟斷20余年的多晶硅生產核心技術 2005年 國內第一個300噸多晶硅生產項目在洛陽中硅建成投產 拉開了中國多晶硅大發(fā)展的序幕 2005年12月14日 無錫尚德在美國紐約證券交易所掛牌 成為中國內地首家在紐交所掛牌上市的民營高科技企業(yè) 從此 國內太陽能電池的生產和研發(fā)也駛入了快車道 2007年 我國太陽能電池產量約占世界總產量的三分之一 成為世界第一大太陽能電池生產國 盡管我國從2007年開始成為世界生產太陽能電池最多的國家 但與國外還有不少的差距 而且 在各種新型太陽能電池的開發(fā)上 我們還處在起步的階段 而國外已經有了很大的發(fā)展 因此 我國太陽能電池的發(fā)展任重而道遠 目的 增加照射到太陽能電池片表面光的吸收 減少反射 實現方法 利用酸堿對硅片表面進行腐蝕 在硅片表面腐蝕出 倒金字塔 形狀的凹凸 增加光在表面的反射次數從而達到增加光吸收的目的 單晶硅太陽電池的制造工藝 制絨 擴散 刻蝕 二次清洗 PECVD 絲網印刷 燒結 測試分選 制絨及一次清洗 反射 吸收 散射 透射 100 單晶制絨 NaOH Na2SiO3 IPA 異丙醇 清洗 HCl HFIPA 消泡劑Na2SiO3 控制反應速度HCl 去除硅片表面的金屬離子HF 去除硅片表面的硅酸鈉和氧化物 單晶硅太陽電池的制造工藝 制絨 擴散 刻蝕 二次清洗 PECVD 絲網印刷 燒結 測試分選 目的 制備PN結實現方法 通過高溫擴散 在p型硅片表面擴散一n層 形成pn結 單晶硅太陽電池的制造工藝 制絨 擴散 刻蝕 二次清洗 PECVD 絲網印刷 燒結 測試分選 擴散制結 POCl3在高溫下 600 有充足的氧氣時 其反應式如下 生成的P2O5在擴散溫度下與硅反應 生成二氧化硅 SiO2 和磷原子 其反應式如下 單晶硅太陽電池的制造工藝 制絨 擴散 刻蝕 二次清洗 PECVD 絲網印刷 燒結 測試分選 目的 去除硅片邊緣的PN結 防止短路實現方法 利用輝光放電過程中等離子體所引起的化學反應 產生揮發(fā)性的產物對硅的腐蝕特性 達到邊緣腐蝕去除周邊擴散層的目的 單晶硅太陽電池的制造工藝 制絨 擴散 刻蝕 二次清洗 PECVD 絲網印刷 燒結 測試分選 等離子刻蝕 目的 去除擴散所產生的表面磷硅玻璃層 為PECVD鍍膜做準備實現方法 利用SiO2與HF生成可溶于水的絡合物SiF6的性質 用酸使硅片表面的磷硅玻璃溶解 單晶硅太陽電池的制造工藝 制絨 擴散 刻蝕 二次清洗 PECVD 絲網印刷 燒結 測試分選 二次清洗 氫氟酸能夠溶解二氧化硅是因為氫氟酸能與二氧化硅作用生成易揮發(fā)的四氟化硅氣體 若氫氟酸過量 反應生成的四氟化硅會進一步與氫氟酸反應生成可溶性的絡和物六氟硅酸 總反應式為 單晶硅太陽電池的制造工藝 制絨 擴散 刻蝕 二次清洗 PECVD 絲網印刷 燒結 測試分選 目的 在擴散后的硅片表面沉積一層折射率低于硅片本身折射率的薄層 可以減少光入射到硅片時的表面反射 因此該薄層被稱為減反射膜 實現方法 采用等離子體增強化學氣相沉積 PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition 技術在電池表面沉積一層氮化硅減反射膜 在成膜的同時還有加氫作用 因此在增強對光的吸收性的同時 對太陽電池起到很好的表面和體內鈍化作用 同時提高短路電流和開路電壓 單晶硅太陽電池的制造工藝 制絨 擴散 刻蝕 二次清洗 PECVD 絲網印刷 燒結 測試分選 PECVD 等離子體增強化學氣相沉積中所發(fā)生的化學反應為 SiH4 NH3 SiN H H2 單晶硅太陽電池的制造工藝 制絨 擴散 刻蝕 二次清洗 PECVD 絲網印刷 燒結 測試分選 SiO2 N Silicon P Silicon SiN 目的 在硅片背面制備能夠與硅片形成良好歐姆接觸的電極 實現方法 利用絲網印刷技術 所用漿料為銀鋁漿 在背面刷兩條與硅片形成互聯(lián)焊接的正電極 在以后的高溫燒結爐燒結后 與硅片表面形成良好的歐姆接觸 制作過程 漿料攪拌 印刷 烘干 單晶硅太陽電池的制造工藝 制絨 擴散 刻蝕 二次清洗 PECVD 絲網印刷 燒結 測試分選 絲網印刷第一道 背電極印刷 目的 通過Al背場的反型作用 將背表面的n層變?yōu)閜層 從而將背表面的PN結去除實現方法 通過背表面純鋁漿絲網印刷技術和燒結 可以在硅片的背表面形成一層重摻雜P型層 從而覆蓋擴散過程形成的N型摻雜層 重摻雜P型層可以增加p n結對于光生載流子的收集 提高太陽電池的開路電壓 通常稱為背表面 電 場 制作過程 漿料攪拌 印刷 烘干 單晶硅太陽電池的制造工藝 制絨 擴散 刻蝕 二次清洗 PECVD 印刷絲網 燒結 測試分選 絲網印刷第二道 背電場印刷 目的 在硅片正面制備能夠與硅片形成良好歐姆接觸的電極 實現方法 利用絲網印刷技術 所用漿料為純銀漿 在正表面刷與硅片形成互聯(lián)焊接的正電極 在以后的高溫燒結爐燒結后 與硅片表面形成良好的歐姆接觸 正電極包括主柵線和副柵線 制作過程 漿料攪拌 印刷 烘干 單晶硅太陽電池的制造工藝 制絨 擴散 刻蝕 二次清洗 PECVD 絲網印刷 燒結 測試分選 絲網印刷第三道 正電極印刷 目的 使得前道工序絲網印刷所制備的電極可以與硅片形成良好的歐姆接觸實現方法 利用燒結爐 在燒結過程中需要燒穿減反射膜層 又不至于使上電極金屬燒穿p n結致使p n結損壞 同時要使背表面的鋁漿與硅片形成良好的金屬化 單晶硅太陽電池的制造工藝 制絨 擴散 刻蝕 二次清洗 PECVD 絲網印刷 燒結 測試分選 燒結 目的 將生產的太陽能電池片按照性能結果 轉換效率 進行優(yōu)差分檔實現方法 通過模擬太陽燈光照射到電池片表面測試太陽電池的電性能參數 單晶硅太陽電池的制造工藝 制絨 擴散 刻蝕 二次清洗 PECVD 絲網印刷 燒結 測試分選 測試分選 單晶硅電池優(yōu)缺點優(yōu)點 結晶完整 自由電子與空穴在內部移動不受限制 產生電子空穴復合幾率低 太陽電池效率高 缺點 將晶棒切割成晶柱的過程中 浪費一半的材料 成本高 價格昂貴 控制成本方法提高單晶生長良率與產率 使用生產廢料降低原料使用 降低線切割成本發(fā)展更薄硅片 太陽能電池的應用 太陽能作為一種無污染 用之不竭的新能源 在近幾十年來得到的極大的發(fā)展 其中以太陽能電池為代表的太陽能利用 使得這種綠色能源在人們生活的能耗中扮演著一個重要的角色 目前 太陽能電池已廣泛應用于工業(yè) 農業(yè) 商業(yè) 通信 軍事 航天等領域 還包括家用電器以及公用設施 太陽能電池的應用主要可分為3種類型 并網型 離網型和消費類電子產品 太陽能電池的應用舉例 通訊 太陽能公用電