硅纳米晶体（精选7篇）
硅纳米晶体 篇1
引言
硅是微电子器件和集成电路芯片中应用最广泛的半导体材料, 由于属间接带隙半导体材料, 发光效率低, 光电子器件方面未能发挥应有的作用。硅纳米晶体由于体积小而具有量子限阈效应、库仑阻塞效应等, 使其具有与体材料完全不同的光、电学特性, 可用于制备各种纳米光电子器件。另外, 硅纳米材料容易与现有的硅微电子工业兼容, 从而引起了人们极大的研究兴趣。如研究人员利用硅纳米晶体、纳米线制备了高速的逻辑门和计数器、场发射器件等纳米电子器件、纳米传感器及辅助合成其他纳米材料的模板等。
近年来, 人们对硅纳米材料的生长方法、生长机理及其性能进行了一系列研究, 发现了多种形貌的硅纳米结构, 最常见的是纳米晶体, 其一般在几十到数百纳米。硅纳米晶体生长方法很多, 如激光烧蚀法、热蒸发法、化学气象沉积法 (PCVD) , 磁控溅射法等。本文采用磁控溅射法, 通过改变实验条件, 生长了硅纳米晶体, 应用扫描电镜观察了样品表面形貌, 应用中红外光谱仪分析了样品红外光吸收特性, 应用X射线衍射仪分析了样品的结构特性, 并对纳米晶体的生长机理做了讨论。
1. 实验
本实验采用C K J 5 0 0 D型多靶磁控溅射系统制备硅纳米晶体。该磁控溅射系统由高真空系统、气体质量流量系统、多靶磁控系统和电源系统。应用高纯硅 (99.999%) 靶作为溅射, 装到位于真空室的靶位。P型硅片作为衬底, 实验前分别用酒精、丙酮、去离子水超声波清洗, 氮气吹干, 放入真空室的衬底支撑台。关闭真空系统阀门, 先用机械泵抽真空, 待气压降至10Pa以下时打开分子泵。使真空达到10Pa时通入氩气开始实验。沉积时气压维持在5帕左右, 打开电源, 预热5到10分钟后开始镀膜。镀膜生长的流程如图1所示。生长17分钟后, 在500摄氏度原位退火30分钟。依次关射频、气路、抽气泵、关电源。等真空室冷却到室温, 取出样品。应用Philips PW3040/60型X-射线粉末衍射仪分析了样品的结构;N i c o l e t NEXUS670中红外光谱仪分析了样品的红外光吸收特性;Hitachi S-4800型场发射扫描电子显微镜对薄膜的表面的形貌进行了分析, 最后, 应用I-V、C-V测试仪分析了样品的电学特性。
2. 结果与讨论
图2为在1.9Pa充Ar气条件下生长出的硅纳米晶体扫描电镜图。显然, 硅纳米晶体在衬底上基本呈均匀分布, 呈不规则的颗粒状, 粒度也比较均匀, 大约500nm左右。纳米晶体基本呈单分散分布, 没有出现了纳米晶体团簇的现象。
薄膜的生长过程大致划分为两个阶段, 即形核阶段与薄膜生长阶段。靶材经轰击后, 射向衬底的粒子与衬底表面相碰撞, 其中一部分被反射, 另一部分在表面上停留。这些停留的原子或分子在自身能量的作用下, 发生表面扩散及表面迁移, 形成均匀细小、可以运动的原子团, 称之为岛, 这便是形核阶段。在薄膜生长阶段, 依据岛状生长模式, 预先形成的比临界晶核尺寸小的岛不断接受新原子, 逐渐长大, 岛的数目很快达到饱和。小岛又相互合并而长大, 而空出的衬底表面又形成新的岛。岛的形成与合并的过程不断进行, 直到孤立的岛之间连接成片, 最后留下一些孤立的孔洞, 并逐渐被后沉积的原子填充, 形成连续的膜层。
如图3所示, 给出了900℃退火后的X射线衍射 (XRD) 图。可以看出:在33°处出现一个极强的衍射峰, 该衍射峰对应硅材料的 (210) 晶面。另外, 在47°和56°处还有两个极小的峰值。因为我们应用S i (1 0 0) 晶面的衬底, X R D采用掠角衍射方法, 因此, 可以完全排除3 3°的极强峰来自于硅衬底。从其衍射强度上可以推断, 我们生长的硅纳米晶体主要以 (2 1 0) 晶面生长为主。
图4为样品分别在500度退火后的红外吸收光谱。我们发现原位生长的和退火的样品的XRD和吸收谱基本相同, 所以这里只给出退火后的吸收谱。该吸收谱含有5个明显的吸收峰, 分别为于604、748、1096、2345.1与3876 nm.通过分析, 我们认为位于604和748 nm短波长处的2个吸收峰比较尖锐, 是纳米晶体中的激子吸收峰。而1096处的吸收峰则使纳米硅的价带与导带间的本吸收。由于纳米晶体具有量子限阈效应, 其带隙比体材料的带隙较宽, 所以吸收峰向短波长方向发生了少量的移动。而2345.1nm和3870nm处的吸收则可以归于纳米晶体中自有载流子的吸收和杂质吸。从吸收谱可以看出, 与Si的体材料的吸收谱相比, 纳米晶体的吸收峰很丰富, 其光学性质发生了显著改变。
图5为原位生长和500退火后样品的I-V曲线。可以看出, 退火后电流随电压增大的曲线的斜率也增大。即相同电压下电流强度增大, 薄膜的导电性增强, 电阻率逐渐减小。说明由于退火后样品的I-V特性更好。
4、结论
以单晶高纯硅为靶材, 利用直流磁控溅射方法在硅衬底上生长了硅纳米晶体, 并700℃温度下对样品进行退火。发现利用磁控溅射法制备的硅纳米晶体粒度均匀, 无团聚现象。另外, 硅纳米晶体具有在 (201) 晶面取向生长的趋势, 使硅纳米薄膜平整、均匀、粗糙度小的优点。硅纳米晶体具有很强的本征吸收和很强的激子和自由载流子吸收的特点, 还具有良好的电学性能, 可应用制备良好性能的硅纳米光电子器件。
参考文献
[1]刘文兰.纳米光电子器件最新进展及发
展趋势.传感器世界.200503 72-78[2]冯孙奇, 等.一维纳米线的生长机理和量子限制效应[J].中国科学.1999, 29
[3]郑勇刚.纳米晶体材料中晶粒生长及变形机理的研究.大连理工大学.20080701
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开展东辽河流域内查与监测, 为制定政策二五”期间重点抓好东源污染监测和调查工业面源污染变化情况, 究提出防治面源污染的机制, 并因地制宜地搞业面源污染防治技术
2.4 科学合理施用
广泛开展不合理环境危害的宣传, 提药的正确认识。当地门、环保部门, 要大的滥用对农产品品质和害性, 让农民认识到药产生后果的严重性理使用, 并自觉减少量。树立生态文明理境意识。
2.5 加强畜禽养殖
科学划定禁养区和区要控制新建规模化畜排放的养殖企业进行污化、无害化、减量化和则, 因地制宜, 采取生肥生产厂、堆肥、工艺畜禽养殖废弃物资源化率。
2.6 发展循环型农
加快推进生态农展, 促进农业生产环境农业面源污染。建立基展生态农业、无公害食机食品;应用有机农业化技术, 节约资源, 循废弃物对环境的污染, 地, 推广测土施肥, 增肥, 遏制土壤退化,
2.7 加大植被恢复面源污染
平原地区重点抓好人为破坏水土保持降低好恢复治理。
参考文献
[1]张力, 徐志金, 面源污染特征与防治与管理, 2008.7, 33卷 ([2]董惠惠.浅析我其防治的法律对策[A]会学术优秀论文集, 20
作者简介
朱显梅 (1 9 6 2-) , 女, 生态环境保护工作。
参考文献
[1]刘文兰.纳米光电子器件最新进展及发展趋势.传感器世界.200503 72-78
[2]冯孙奇, 等.一维纳米线的生长机理和量子限制效应[J].中国科学.1999, 29 (10) :921-926
[3]郑勇刚.纳米晶体材料中晶粒生长及变形机理的研究.大连理工大学.2008070196-104
晶体硅材料 篇2
晶体硅材料 (包括多晶硅和单晶硅) 是最主要的光伏材料, 其市场占有率在90%以上, 而且在今后相当长的一段时期也依然是太阳能电池的主流材料。多晶硅材料的生产技术长期以来掌握在美、日、德等3个国家7个公司的10家工厂手中, 形成技术封锁、市场垄断的状况。多晶硅的需求主要来自于半导体和太阳能电池。按纯度要求不同, 分为电子级和太阳能级。其中, 用于电子级多晶硅占55%左右, 太阳能级多晶硅占45%, 随着光伏产业的迅猛发展, 太阳能电池对多晶硅需求量的增长速度高于半导体多晶硅的发展, 预计到2008年太阳能多晶硅的需求量将超过电子级多晶硅。1994年全世界太阳能电池的总产量只有69 MW, 而2004年就接近1 200 MW, 在短短的10年里就增长了17倍。专家预测太阳能光伏产业在二十一世纪前半期将超过核电成为最重要的基础能源之一。
晶体硅缺陷的腐蚀及表征 篇3
关键词：晶体硅硅片,化学抛光、腐蚀,共聚焦显微镜,缺陷
1. 前言
单晶硅的晶体结构相对多晶硅更加完美, 因此其做成的电池效率明显高于多晶硅电池, 是硅基高效太阳能电池的首选材料。然而, 晶硅在生长和生产过程中, 会引入其他杂质, 如氧、碳等;另外由于晶硅生长时热场不稳定产生热冲击、热应力等原因, 晶硅中可能存在晶体缺陷;晶体在机械加工工艺中, 硅片表面存在机械损伤层等原因, 晶硅中可能导致产生晶体缺陷。晶体缺陷通常分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。这些内部杂质和晶体缺陷会严重影响太阳能电池的效率, 内部金属杂质和晶体缺陷 (位错等) 的存在会成为少数载流子的复合中心, 影响其少子寿命, 最终会导致电池性能的严重下降。晶硅硅片中的各种缺陷对太阳能电池的性能有很大的影响, 它会造成扩散界面不平整, 引起P-N结的反向漏电增大等。
晶硅片经化学抛光、腐蚀后用共聚焦显微镜显示可以揭示硅片缺陷的数量和分布情况, 找出缺陷形成、晶体生长工艺的关系, 为改进工艺, 减少缺陷、提高硅片的合格率和改善太阳能电池性能提供依据。
2. 实验
化学腐蚀液可分为两种, 一种是非择优腐蚀液, 这种腐蚀液对任何晶面都具有同样的腐蚀速度, 只要晶体硅被这种腐蚀液腐蚀, 晶体硅表面就会均匀的被逐层腐蚀, 是一种化学抛光;另一种是择优腐蚀液, 这种腐蚀液对晶体硅的不同晶面具有不同的腐蚀速度, 晶体硅被这种腐蚀液腐蚀, 部分晶面就会腐蚀的很快, 而其他的晶面可能腐蚀的很慢, 就会形成不同特征形状的缺陷坑。
2.1 实验过程
2.1.1 晶硅片的预处理
由于硅片表面需要保持清洁, 需要去处机械损伤层, 故要经过化学腐蚀抛光, 使晶体表面清洁且光亮如镜。
首先要对晶硅片进行抛光处理, 需要用到非择优腐蚀液。它们的化学反应过程为:
Si+4HNO2+6HF=H2SiF2+4NO2+4H2O
抛光腐蚀液中HF和HNO3的比例以对抛光效果能产生很大的影响, 通过不断调整两种酸的混合比例, 并加入冰乙酸 (起缓冲作用) 来控制反应时间, 以达到做好的抛光效果。最后确定的腐蚀液配比为:
HF (42%) :HNO2 (65%) =1:5
把清洗好的晶硅片浸没在上述的非择优腐蚀液中一段时间, 中途可将硅片取出, 若抛光效果不好, 可延长腐蚀时间。完成后用去离子水冲洗干净。可得到一个清洁的、光亮如镜的表面。
2.1.2 化学腐蚀显示
晶硅片经过非择优腐蚀后, 还需要采用择优腐蚀液进行腐蚀。
若采用stril腐蚀液, 其配比为:
CrO3:H2O:HF (42%) =75g:1000ml:1000ml
它们的化学反应过程为:Si+CrO3+8HF=H2SiF6+CrF2+3H2O
若采用Secco腐蚀液, 其配比为:
K2Cr2O7:H2O:HF (42%) =44g:1000ml:2000ml
若采用stril择优腐蚀液, 则把抛光好的硅晶片放入stril择优腐蚀液中, 室温下需要腐蚀5~10min;若采用Secco择优腐蚀液, 需要不时的搅拌, 则室温下需要腐蚀10~15min;腐蚀结束后用去离子水冲洗干净, 用超声波进行彻底的清洗后, 进行烘干。
2.2 观察缺陷
本实验采用的是3D共聚焦显微镜来对晶硅片缺陷进行观察和表征, 采用此仪器的主要原因是可将视野内的图像通过激光扫描成像, 可观察到腐蚀后的缺陷是凸起或凹陷。
观察晶硅片缺陷的方法:
1) 把腐蚀好的硅晶片放在载物台上, 选择合适放大倍数的物镜;
2) 缓慢转动粗调焦手轮, 观察到图像后, 再转动细调焦手轮, 调到图像清晰为止;
3) 移动载物台位置, 选择所需观察的位置并且仔细地观察各种物象的图形。根据不同的情况和要求可转动物镜转换器或调换目镜来获得不同的放大倍数;
4) 将观察到的缺陷图像保存到电脑中;
5) 用激光扫描视野中的图像, 形成3D图像, 对样片缺陷进一步分析。
3. 实验结果
3.1 采用stril腐蚀液的实验结果:
层错和划痕腐蚀后在显微镜下观察相类似, 层错的主要特点是层错线相互平行或成60°、120°角分布。划痕线只是单条的, 不规则的。如图5、图6所示:
3.2 采用Secco腐蚀液腐蚀结果
下图中多晶硅片用显微镜观察到的缺陷的微观形貌。
4、结论
通过一系列的实验, 用常规生产的晶体硅片 (厚180um~200um) 进行通常的化学抛光腐蚀完全可行, 能更好的与现化化生产相兼容。另外使用stril腐蚀液能够很好的将硅晶体中的位错表征出来, 腐蚀出的位错坑呈正四边形、三角形圆形等形状的蚀坑。由于OISF缺陷是在晶体生长过程中引入的, 只是由于其核尺寸小, 不易用常规的方法检测到, 但经高温退火后的晶硅片用stril腐蚀液腐蚀后就能很好的显现出来。
参考文献
[1]、《硅单晶抛光片的加工技术》化学工业出版社
[2]、《太阳电池材料》杨德仁编著化学工业出版社
[3]、《大学普通化学》大连理工大学出版社
[4]、《无机化学》第二版化学工业出版社
晶体硅柔性电池封装材料以及应用 篇4
首先, 现在我们面临着能源危机:据专家估算, 以现在的能源消耗速度, 可开采的石油资源将在几十年后耗尽, 煤炭资源也只能供应人类约200年。进入21世纪能源问题已成为世界关注的一个重大问题。同时, 随着环境污染的日趋严重, 也促使人们努力去开发新能源, 特别是可再生能源。风能潮汐能等虽属可再生能源, 但受地理环境等条件的限制。唯有太阳能辐射到地球的每个角落, 因而成为21世纪最具大规模开发潜力的新能源之一。
其次, 现代社会应是节约型的社会, 而社会生活也应是节约能耗的生活。温家宝总理也于2005年6月30日提出并强调加快建设节约型社会的方针。而太阳能作为一种“取之不尽, 用之不竭”的新型环保能源已成为世界各国能源研究工作中的一个重要课题。
第三柔性电池具有很大的开发前景。如今量产的太阳能电池里, 95%以上是硅基的, 而剩下的不到5%是由其它材料制成的, 柔性太阳能电池便是其中一部分。柔性太阳能电池的优势包括:成本低、重量轻、可弯曲。为满足柔性太阳能电池日益扩大的市场需求, 大部分厂商都在计划提高产能, 包括美国First Solar、富士电机, 美国Nanosolar、三洋电机、美国United Solar Ovonic, LLC、英国G24 Innovations Limited在内的多家公司, 均计划建设发电量在100MW以上的工厂。
本文主要分析了传统电池和柔性电池的制备工艺之间的区别, 柔性电池的具有的优势以及柔性电池的应用。
二、传统封装技术和柔性电池的对比—整理一下结构图最好自己重画一下
经过太阳能电池的实际使用, 各国研究人员逐渐意识到太阳能电池的封装材料对电池的光电转换效率、使用寿命都有很大的影响。未来寻找理想的封装材料, 人们做了大量的研究工作, 目前在太阳能晶体硅封装已经形成了相对成熟的封装工艺, 在原材料的选用上也相对成熟。
普通硬衬晶体硅组件的封装原材料:
钢化玻璃
采用低铁钢化绒面玻璃 (又称为白玻璃) , 厚度3.2mm, 在光伏电池光谱响应的波长范围内 (320nm-1100nm) 透光率达91%以上, 对于大于1200 nm的红外光有较高的反射率。玻璃同时能耐太阳紫外光线的辐射, 透光率不下降。抗机械冲击强度好, 防冰雹、抗风压良好, 表面透光性≧91%, 弯曲度不超过0.2%。
EVA
一种热融胶粘剂, 常温下无粘性而具抗粘性, 以便操作, 经过一定条件热压便发生熔融粘接与交联固化。透光性能和耐侯性能要求比较高, 作用:封装的电池片, 防止外界环境对电池片的电性能造成影响, 同时增强组件的透光性, 将电池片, 钢化玻璃, TPT粘接在一起, 具有一定的粘接强度, 具有良好的抗紫外线能力。
TPT
用在组件背面, 作为背面保护封装材料, 对阳光起反射作用, 对组件的效率略有提高,
其材料的特点电气绝缘、阻燃性, 卓越的耐候性, 增强组件的抗渗水性, 与EVA、接线盒有良好的粘接性能。
铝合金边框
铝合金表面必须经过钝化处理——阳极氧化, 表面氧化层厚度大于12μm。用于封装的边框应无变型, 表面无划伤, 要保证长达25a的使用寿命。
接线盒
组件的正、负极从TPT引出后需要一个专门的接线盒来实现与负载的连接运行。具有防老化和抗紫外辐射特性, 能确保组件在室外使用25a以上不出现老化破裂现象。
其主要功能是保护玻璃边缘, 铝合金结合硅胶打边加强了组件的密封性能, 大大提高了组件整体的机械强度 (抗风压, 雪压要求) , 便于组件的安装, 运输 (设计要便于安装, 与建筑一体化) 。
封装示意图:
由于非晶硅太阳能电池做成柔性的组件是很常见的, 美国UNI-SOLAR公司, 目前的国内的津能-unisolar都在做非晶硅柔性电池的封装, 但是目前存在的成本问题, 其成本及售价还是相对比较高, 因为电池片是通过国外进口才能购得, 而最近几年随着晶体硅的快速发展, 以及产业链的成熟度越来越高, 所以相对于硅片的价格持续走低, 用晶体硅做柔性电池的趋势越来越受到关注, 晶体硅的转换效率比非晶硅要高的多, 如果能实现柔性封装的技术, 将来在柔性太阳能的领域将是会有很大的发展空间。
但是基于晶体硅电池的特点, 电池片薄而脆的, 只有0.18mm厚, 容易断裂, 对于做成柔性电池的是很大的挑战, 但是通过技术上是能实现的, 那么在工艺与原材料的选择与普通的晶体硅封装和非晶硅的柔性电池的封装是有很大区别的。
晶体硅柔性太阳能组件的封装材料:
ETFE
ETFE的化学名称是乙烯-四氟乙烯共聚物, 是一种独特的热塑性氟聚合物。ETFE综合了优良的机械性质、良好的加工性、以及杰出的绝缘性和耐化学性。它不含有任何增塑剂或粘合剂, 因此, 能够完全体现出氟树脂的优异性能。
ETFE具有杰出的耐候和抗老化能力, 抗拉强度强, 拉伸率在420, 透光率高96%, 与EVA的粘接强度好, 优良的耐热性、耐化学性、不粘性和杰出的绝缘。作为太阳能电池封装材料的窗口, 非常适合。
EVA
其性能同晶体硅的封装使用的EVA, 各项性能指标如下, 良好的抗拉强度, 可见光透射率≥87%, 断裂伸长率良好≥650;粘接强度良好, 耐辐照性好, 吸水率低;耐热性、耐湿性、抗冲击性、霰弹袋冲击性能、紫外线截止率98.5%。
背板:环氧树脂版
此种材料具有良好的粘附力, 环氧树脂分子链中固有的极性羟基和醚键的存在, 使其对各种物质具有很高的粘附力。收缩性低, 环氧树脂和所用的固化剂的反应是通过直接加成反应或树脂分子中环氧基的开环聚合反应来进行的, 没有水或其它挥发性副产物放出。力学性能好。电性能, 固化后的环氧树脂体系是一种具有高介电性能、耐表面漏电、耐电弧的优良绝缘材料。化学稳定性, 通常, 固化后的环氧树脂体系具有优良的耐碱性、耐酸性和耐溶剂性。适当地选用环氧树脂和固化剂, 可以使其具有特殊的化学稳定性能。具有突出的尺寸稳定性和耐久性。耐霉菌性能好, 可以在苛刻的热带条件下使用。
迷彩布
迷彩布材料成分:65%棉和35%聚乙烯, 结构组成:毛线/斜纹织物, 其特点:防水, 防油, 防缩水, 防火设计, 防皱, 抗菌, 防辐射以及抗静电。用于太阳能电池组件的辅材封装, 可以起到便携, 按照设计裁剪, 使组件组合形式多样化, 并适合军事装备使用。
三、柔性电池在军事装备中的应用
太阳能作为一种新型能源受到各国不变的重视而发展迅猛, 但在军事装备中应用则起步较晚, 这主要是因为太阳能电池的转换率较低, 造价居高不下, 电池板笨重易碎。随着技术上的飞跃, 太阳能电池性能不断提高, 价格也不断下降, 使其可能成为数字化部队装备的立项电源。而晶体硅做成柔性电池, 可不但提高了转换效率, 同时也提高了便携性, 成本偏低, 避免了电池片从国外采购的瓶颈。
目前国内的军队也大力推进信息化建设, 数字化装备开始装备部队, 美军所面临的单军作战负载过重的问题也正是我们军队所面临的, 甚至难度更大, 如果完全依赖充电电池作为数字化装备, 这种的负重不适合中国士兵的体质。柔性电池组件在军队中的使用前景光明, 并能解决负载过重的瓶颈。
四、总结
本文总结了柔性电池的和普通电池加工工艺上的区别以及采用的主要原材料的性能;并分析了柔性电池的主要优势。并结合现在的实际情况分析了柔性电池在建筑中应用的应用方法等。
参考文献
《并网型太阳能光伏发系统》崔荣强 赵春江 吴达成
晶体硅太阳电池用电极设计的研究 篇5
随着光伏行业及其它相关产业的快速发展,降低太阳电池的成本成为当今业内重要的一项课题。低成本的硅材料,提供高转换效率和高产能制造工艺的原材料是降低成本的关键因素。提高转换效率的新工艺新技术有很多,诸如新型用气体完成而不是化学药品的制绒方法等新技术的改进和适用于更细的细栅宽度的导电浆料的替代,多晶电池的效率变得越来越高。本文通过几组实验数据来讨论不同的丝网设计与浆料特性的匹配数据,从而得出最优的印刷质量和最佳电池效率。
1 丝网印刷技术的描述及特性
利用感光材料通过照相制版的方法制作丝网印版(使丝网印版上图文部分的丝网孔为通孔,而非图文部分的丝网孔被堵住)。印刷时通过刮板的挤压,使油墨通过图文部分的网孔转移到承印物上,形成与原稿一样的图文。丝网印刷设备简单、操作方便,印刷、制版简易且成本低廉,适应性强。(图1)
丝网印刷的网版由网框、丝网和掩膜图组成。掩膜图指印太阳能电池正、背面用作电极的图案,即图文部分。本文涉及太阳能电池正面用的图案,由主栅线和与其相垂直的细栅线组成,起到收集电子的作用。
2 实验
2.1
本次实验主要是在多晶电池正面设计并试用3种不同型号的丝网与相应的银浆相匹配,不同型号的丝网指细栅线宽、细栅根数两种特性。最终确定性能最佳的丝网。
2.2
分2次完成,每次选取同一硅锭相邻位置的P型多晶硅片100片,分成二批,完成绒面制备、N型层扩散(方块电阻:60-80欧姆/方块)、湿法刻蚀、减反射膜的沉积(膜厚:800-850A)。
2.3
印刷流程有印刷背面电极、烘干、印刷背面铝浆、烘干和正面银浆的印刷和烧结六道工序,完成浆料的烘干和浆料与硅片的烧结,以达到良好的欧姆接触。烘干的作用是在设定150-300°的烘干箱内对印刷后的浆料进行干燥,使得有害物质得到很好的挥发。再通过烧结,把印刷到硅片上的电极在高温下烧结成电池片,最终使电极和硅片本身形成欧姆接触,从而提高电池片的开路电压和填充因子2个关键因素参数,使电极的接触具有电阻特性,达到生产高转效率电池片的目的。烧结过程中有利于PECVD工艺所引入H离子向体内扩散,可以起到良好的体钝化作用。
2.4 浆料的主要参数如下:
黏度:又称触变性。单位:Pa.S。实际范围在280-360之间。黏度与流动性成反比,黏度越低,流动性越大,可在一定程度上保证印刷的质量。浆料黏度过大,透墨性差,印刷时易产小孔。
固含量:实际范围在88%-92%之间,直接影响电池的电池效率。
2.5 丝网图案的主要参数变化范围:
3 实验结果
丝网REF与A即不同细栅的根数之间的对比。从理论上计算,细栅根数越多,总的遮光面积增大,大大降低光生载流子的数量,即电池的短路电流会明显下降,但接触电阻会有所提升。通过计算,细栅根数增加造成的遮光面积增加了4%-5%,预计短路电流会同等比例地降低。实验结果表明,短路电流降低了2.33%。具体数据如表2:
图2和图3是两种丝网的短路电流和填充因子的变化趋势。
从实验数据上及变化趋势看,开路电压持平,短路电流低了0.019A,填充因子增加了0.34%,转换效率提升0.05%。
4 讨论
可以看出,正面电极细栅的根数和宽度变化都会不同程度地影响太阳电池的电性能。细栅的根数越多,太阳电池的短路电流会明显下降,但接触电阻会有所提升,最终的效率有0.05%的优势。而随着细栅宽度的变小,总的遮光面积相应减小,进而大幅提升光生载流子的数量,即电池的短路电流会提升,但接触电阻会下降,最终电池的效率保持不变。
5 结论
通过本次实验得出了丝网A的优势较为明显,即正面电极增加了细栅的根数,虽然遮光面积变大了,短路电流降低了,但填充因子提升较多,最终电池效率提高0.05%。我会在以后的工作中进一步探索正面电极图案的优化方案以得到更高的电池转换效率。
参考文献
[1]晶体硅太阳能电池的丝网印刷技术,应用材料公司,《绝色科技》。
[2]G.Schubert,Diploma Thesis,Department of Physics,University of Konstanz,2002
[3]单晶硅太阳电池丝网印刷烧结工艺研究,高鹏。
硅纳米晶体 篇6
PID是英文potential Induced Degradation的缩写, 指的是组件电势诱导衰减。那么PID效应产生的原因是什么呢?组件在户外多组串联获得高电压, 长期在高电压作用下使得玻璃, 封装材料之间存在漏电流, 大量电荷聚集在电池片表面, 使电池表面的钝化效果恶化, 导致FF、Jsc、Voc降低, 功率衰减。漏电流又是如何产生的呢?边框带正电, 玻璃上表面电子流向边框, 导致玻璃表面带正电, 且电池为负电, 形成电场, 方向指向电池。水汽造成EVA水解, 电子沿玻璃下表面流向边框, (其中电子来自EVA) 导致玻璃下表面带正电, 玻璃下表面的阳离子 (钠离子和金属离子) 在电场力的作用下, 聚集在电池表面 (被吸附) , 甚至进入到电池发射极, PN节被破坏, 导致串联电阻增大, 并联电阻减小, 电池EL图像变暗变黑。这种情况会造成组件最大功率减小, 直接影响组件的发电效率, 减低发电量, 造成经济损失。
PID现象大多数最容易在潮湿的条件下发生, 且其活跃程度与潮湿程度相关;同时组件表面被导电性、酸性、碱性以及带有离子的物体的污染程度, 也与上述衰减现象发生有关。在实际的应用场合, 晶体硅光伏组件的PID现象已经被观察到, 基于其电池结构和其他构成组件的材料以及设计形式的不同, PID现象可能是在其电路与金属接地边框成正向电压偏置的条件下发生, 也可能是成反向偏置的条件下发生。相关文献阐述了电池经过封装材料 (通常是EVA和玻璃的上表面) 和组件边框所形成的路径所导致的漏电流被认为是引起PID现象的主要原因。
另据有关文献介绍, 在实际的应用条件下, 上午太阳初升后的一段时间内, 往往是PID效应相对强烈的时段, 原因是晶体硅光伏组件在经历了一个不发电的夜晚以后, 其表面会有凝露现象发生 (特别是夏、秋季节的露水) , 会造成光伏系统在早晨太阳初升后的一段时间内, 在其表面较为潮湿的情况下, 承受前面提及的系统偏置电压。
总体来说, PID效应的影响因素都有很多, 环境温度、湿度、组件方阵的系统电压的高低、接地方式都是影响PID效应的关键因素。因此可以从改变系统的接地方式、改变组件的封装工艺上来阻止PID效应的发生。相信随着工艺技术不断发展, 这种对组件使用过程有危害的PID效应问题, 逐渐会被解决。
有些研究发现PID效应与电池片的表面减反射层有关, 有报道表明薄的减反层更有利于抗PID现象。含Si多的减反层比含N多的减反层更可以抵抗PID现象。当减反层的折射率大于2.2后, PID现象不再被观察到。有电池工厂在做针对电池和PID的关系的测试中也发现了类似的现象, 结论是当折射率大于2.13后, 几乎所有的EVA都能通过PID测试, 当折射率小于2.08后, 通过PID测试的EVA寥寥无几。
PID现象有时候是可逆的, NREL在研究PID现象是发现一个有趣的现象, 就是光伏组件在早晨露气较多或者下雨时被发现有漏电现象。而当太阳出来后, 此漏电现象随即减弱。而与此类似的, 在实验室中, 当将已经发生PID衰减的组件在100℃下烘烤100小时后, PID衰减基本消失。在某组件厂的测试中, 发现PID测试后的组件在搁置几天后, 重新测试其电阻率, 电阻率基本都能恢复到PID测试前的60%以上。我们由此可以得出一个结论, 引起PID衰减的变化应该是一个可逆的变化。
在PID效应形成过程中, 封装材料比如EVA起到很关键的作用, 水气通过封边的硅胶或背板进入组件内部。EVA的酯键在遇到水后按下面的过程发生分解, 产生可以自由移动的醋酸。可以自由移动的醋酸 (CH3COOH) 和玻璃表面析出的碱反应后, 产生了可以自由移动的Na+。Na+在外加电场的作用下向电池片表面移动并富集到减反层而导致PID现象的产生。当加热组件一段时间后, 水气离开组件。由于E-VA上酯键的水解是一个可逆过程, 失去水分后, 可以自由移动的羧酸根 (CH3COO-) 与EVA上的乙烯醇 (-CH2-CHOH-) 反应而重新成为酯键并连接到EVA主链上而无法移动。相应的Na+也因失去羧酸根无法移动。此时在组件中, 由于没有了可以导电的小分子, 而导致PID衰减部分恢复甚至全部恢复。
以上的假设, 可以总结成四步过程:
1) 水气进入组件。
2) 水导致EVA水解产生醋酸。
3) 醋酸与玻璃表面析出的碱反应产生可以自由移动的钠离子。
4) 钠离子在电场的作用下移动到电池表面。
只要能阻断四步过程中的任何一个过程都应能有效的消除PID现象, 工艺的改进都要从这四步中下手。
采用石英玻璃替代普通玻璃避免了钠离子的析出。而热塑性弹性体的结构中没有可以水解的基团, 从而也没有如EVA水解产生的醋酸。而致密的减反层有效防止了钠对电池的破坏。我们也发现使用低醋酸乙烯含量的EVA可以减缓PID现象的产生。由于醋酸乙烯含量低, 相应的低醋酸乙烯含量的EVA可水解的酯基的含量也低, 从而其水解速度也低于高醋酸乙烯含量的EVA。
晶体硅太阳能电池的丝网印刷技术 篇7
1 丝网印刷技术概述
丝网印刷技术主要是指经刮条挤压丝网弹性形变, 于需要进行印刷的材料上对浆料漏印, 作为良好的印刷方式, 成为当前应用较为广泛的电池工艺。通过实施丝网印刷的举措, 把存在金属的导电浆料经丝网网孔于硅片上展开压印, 进而产生电极或电路, 最后把光生电子从电池内导出。将金属浆料印于已产生p-n结的多晶硅硅片上面, 实施背面银铝浆印刷以后产生了背电极, 进而利于组件的焊接。实施第二道印刷铝浆, 形成重掺杂获得P+层, 由于铝背场将载流子复合有效减少或者削弱, 增加对正电荷的收集进而提升开压。实施第三道印刷银浆, 主要目的为促进对电子的吸收产生上电极, 如图1所示。
于电池的反面采用银浆印刷背电极获得电池片的背电极。对背电极印刷提出的有关的浆料要求包含以下几方面:背电极是电池的物理正极, 必需具备较强的焊接性能。并且采取的背电极浆料, 通常应用Ag浆, 也可应用Ag/A1浆, 应用的优势为一方面具有较低的成本, 另一方面焊接性能较强。其中背电场的功能为, A1是一种P型杂质, 在烧结完毕以后能够于背面扩散产生P+层, 利于构建起P+P结, 进而有效抑制电子向背面运动, 在进行工业化生产期间, 常采用的背电场浆料一般为铝浆。于电池片的正面, 采用银浆料印刷一排间隔均匀的主电极、细栅线。其中电池的物理负极为正面电极, 栅线的功能为对电流实施收集, 正电极的发展需要将又高又细作为目标。主栅的功能除了针对电流实施有效收集以外, 其应具备较强焊接性功能。通常在工业化生产期间, 银浆是正面电极用到的浆料。
2 太阳能电池生产工序中丝网印刷技术的应用价值
硅太阳电池生产包含的工序列举如下:硅片、前清洗、扩散、后清洗、PECVD、印刷背电极 (烘干) 、印刷铝背场 (烘干) 、印刷正面电极、烧结、测试分选。作为太阳能电池生产环节中必不可缺少的关键工序内容, 丝网印刷的工作主要有印刷背电极、铝背场以及正电极。印刷质量的好坏与否, 对电池片的性能包括电池片外观等均可构成直接的影响。因此, 充分获得较高的印刷质量是重要的工作。
经采取丝网印刷形式, 推动包含高度化学活性的金属浆料于硅片上面进行印刷, 并且在彻底烘干的情况下, 保持金属浆料处于固化状态中。采取高温加快烧结的方式, 使活性物质作为辅助渠道, 推动在金属、硅片表面产生合金层, 最后获取有效接触并产生铝背场。
3 丝网印刷技术质量控制举措
在工业化生产期间, 为了充分确保电池片印刷具有较高的质量, 应该要掌握好电池片抽测印刷浆料的重量, 同时保障图形印刷具备完整性。重点的检查工作为以下内容, 包括背电极印刷图案完整性、线条流畅性、有无发生偏移或者漏浆问题、是否存在硅片崩边状况;背电场印刷图案完整性, 是否存在偏移、漏浆、崩边情况, 有无漏硅、缺失、脱落问题, 以及是否具有铝珠、铝苞或者铝刺等情况;正面电极印刷图案, 检查是否缺损、具有偏移、毛边或者崩边和断线问题, 以及主电极缺失和正电极翘曲等现象。加强质量管理, 充分提升对每一程序印刷重量以及外观检测的重视度。
4 丝网印刷技术未来的发展形势
伴随太阳能光伏产业不断壮大规模的形势, 为了获得更高的工作效率以及经济效益, 工艺的流程会逐渐增多, 对高产量、针对更薄硅片的能力进行处理等内容会具有更高的关注度。当前晶体硅太阳能电池工厂的产量约为每小时1500硅片的效率, 业界将每小时最少3000硅片的生产效率定为未来的发展目标, 所以需要采取先进机械自动化技术实现最小的破片率针对硅片展开处理工作。基于此, 要求丝网印刷相关工艺具备更高的速度, 并且充分保障线条的宽度以及对齐方式等具有原有精确度。伴随硅片越来越薄的发展形势, 也会相继促进不断提升软处理技术, 进而从整体上实现对由于硅片越来越薄而出现易碎问题的处理, 推动硅片高质高量的制造生产。
5 结语
在太阳能电池生产工序中, 丝网印刷技术的应用具有重要的实际意义。作为一种应用在积淀金属线的重要技术, 晶体硅太阳能电池丝网印刷具备较高的成本效益, 当前于工业化生产工作期间已经获得普遍的应用实践。当前的丝网印刷系统集高度自动化、高产量以及超薄硅片处理能力于一体, 通过不断的应用与实践, 并展开更加深入的研究, 会促进晶体硅太阳能电池丝网印刷技术的不断发展以及完善, 进而获得更高的电池效率以及实现降低太阳能电力成本的更高目标。
摘要：在实施晶硅太阳电池生产制造期间, 最为主要的环节就是硅芯片基板的金属化这一工艺, 是晶硅太阳能电池形成电极的过程, 也对电池能量的转换效率具有较大的影响。当前, 通过不断的研究以及大量的实践经验表明, 针对硅芯片实施金属化采取丝网印刷技术是最为理想的方案, 满足太阳电池生产的需求, 成为首要的重要工艺技术。基于此, 本文针对晶体硅太阳能电池的丝网印刷技术展开详细的分析, 并提出科学的质量控制举措, 旨在为实践工作提供有价值的理论借鉴。
关键词：晶体硅,太阳能电池,丝网印刷技术,分析及探究
参考文献
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