多晶高效电池技术

多晶高效电池技术（共3篇）

多晶高效电池技术 篇1

摘要：本文基于多晶电池先进生产设备和长期的工艺实践, 对企业多晶硅高效电池的关键技术做了一些阐述和概括, 并指出了一些现有工艺亟待改善的地方, 对未来新技术新工艺的应用前景做了初步的判断。

关键词：多晶硅,高效电池,制绒催化剂,二次扩散原理,背抛光,双层减反射膜,双次印刷

一、引言

随着新世纪的到来, 全球经济呈飞速发展的势态, 人类对能源的需求量持续增加, 化石燃料的大量使用, 导致了能源迅速短缺、环境污染日益加剧, 全球面临着一个严峻的事实:能源问题己成为经济发展的热点和难点。因此, 深入研究和利用太阳能资源, 对缓解资源危机, 改善生态环境, 具有十分重要的意义。但目前太阳能电池的光电转换效率比较低, 且成本较高, 因此提高太阳能电池的光电转换效率、降低成本、提高太阳能电池的利用率是人们当前研究的热点问题。

二、太阳能电池产业化技术发展

晶体硅太阳能电池的发展可划分为三个阶段, 每一阶段效率的提升都是因为新技术的引入。

1954年贝尔实验室开发出效率为6%的单晶硅太阳能电池到1960年为第一发展阶段, 这一期间电池效率徘徊在15%。1972年到1985年是第二个发展阶段, 电池效率提高到17%。1985年后是电池发展的第三阶段, 技术人员通过各种技术提高光电转换效率单晶将达到21%, 多晶将超过17.5%。

三、光伏实施技术

3.1.1新绒面技术

绒面技术就是利用硅片的损伤层, 通过硝酸与氢氟酸的混合溶液对多晶硅片表面进行制绒 (化学反应) 。在硅片表面形成高低不平的表面及大量的孔洞, 增加电池片表面的受光面积, 降低反射率, 从而提高太阳电池的转换效率。

新绒面技术是通过在起主要刻蚀效果的腐蚀槽中添加化学添加剂, 来减缓化学反应, 使硅片表面的绒面均匀可控。如下图 (一) 中是添加添加剂后制绒后的硅片绒面, 其表面颗粒均匀, 犹如覆盖了一层薄薄的膜。如下图 (二) 未添加添加剂的制绒后的硅片绒面, 其表面颗粒较大, 比较亮。

3.1.2扩散深浅结工艺

PN结特性决定了太阳能电池的性能!传统工艺对太阳能电池表面均匀掺杂, 为了减少接触电阻、提高电池带负载能力表面掺杂浓度较高。在制造工艺上采用氮气携带三氯氧磷管式高温扩散是目前主流生产技术, 其特点是产量大、工艺成熟操作简单。

浅结低方阻工艺:采用高温二次扩散原理, 采用低温淀积、高温推进的原理, 实现在较低的温度下淀积一个低浓度的薄层扩散层, 接着在较高的温度下加大源流量, 在短时间内进行高浓度扩散, 由于时间很短只在表面堆积, 可以得到浅结低方阻, 提高了短路电流, 并有效地保证了开压。

3.1.3背部抛光技术

一般来说对硅片在扩散后进行化学抛光具有以下好处:

(1) 对电池片背面的抛光是均匀、平坦、有效的; (2) 对电池片背面发射极层的去除是均匀的; (3) 对电池片边缘发射机层的去除是均匀的。

工艺过程中, 硝酸将硅片背面和边缘氧化, 形成氧化硅, 氢氟酸与氧化硅反应生成络合物六氟硅酸 (H2Si F6) , 从而使正面与背面绝缘。在刻蚀槽HF:HNO3浓度大概1:3时, 调整温度, 背抛光效果非常显著, 开压与电流均明显增大, 效率能提升0.15-0.2%。加大KOH浓度同时, 提高反应温度也有一定的抛光作用, 实际生产中遇到的问题较多, 比如有时光学增益和改善背接触, 钝化效果方面很难兼得和稳定, 更有效的工艺需要进一步摸索。

3.1.4 Six Ny减反射膜生长技术

Six Ny膜层不仅减缓浆料中玻璃体对硅的腐蚀抑制Ag的扩散速度从而使后续快烧工艺温度范围更宽易于调节, 而且致密的Six Ny膜层是有害杂质良好的阻挡层。

双层减反射膜技术:基于德国Routh&Rau的PECVD设备实现的由两种不同折射率的薄膜组合而成的二元复合膜提高了减反膜的光学性能外层低折射率与底层高折射率氮化硅的光学匹配降低了多晶硅正表面在太阳光短波区的反射率通过控制各膜层中硅的富集率实现了5.5%的反射率;而另一种Si N与Si O混合膜, 其反射率更是低至4.4%。

表面减反射膜生长技术:通过调整管式PECVD的参数, 将膜厚控制在 (82±2Ω/sq) , 折射率在2.05±0.04范围内。多层膜技术尚在进一步试验中。

3.1.5二次丝网印刷

丝网印刷技术是低成本太阳能电池产业化生产的关键技术, 其主要技术进步与电极浆料及网版制版技术紧密相联。二次印刷是DP1印刷无主栅线、只有四个基准点及细栅线的印刷, DP1印刷浆料的作用为与电池片进行欧姆接触, 而DP2的印刷则是在DP1的基础上进行套印DP1, 并同时印刷主栅, 有效增加了栅线高度, 起到更好收集电荷的作用, 提高效率。由于经过了两次印刷, 从而使得印刷更加精密精确。减少了生产中由于设备问题造成的漏印, 偏印问题。

二次丝网印刷工艺的实现:在BACCINI软线DP3印刷后, 增加一台印刷机头DP4, 用高精摄像头, 进行定位, 另外使用两种规格的不锈钢丝网, 可以搭配银浆适当降低丝网线宽, 以求得最优欧姆接触, 实现产业化双次印刷。

四、结论

本文介绍的制绒催化剂, 背抛光, 双层减反射膜, 二次扩散原理, 二次印刷技术, 实为目前工业现采用或即将推行的工艺方向, 其实用性得到了生产一线批量实验的有力论证, 但由于生产环节众多, 工序间设备与工艺参数匹配需长时间摸索, 新工艺的推行和稳定也需要一定的时间, 且技术本身也需要进一步改进和完善, 行业内其他新技术如离子注入, 多主栅, 激光掺杂选择发射极, 硅墨技术, Al2O3背钝化技术等也正如雨后春笋般方兴未艾, 为我国的光伏事业提供了强大的技术支持。

参考文献

[1]安其霖, 曹国琛, 李国欣, 等.太阳电池原理与工艺[M].上海:上海科学技术出版社, 1984:18—22.

[2]黄锡坚.硅太阳电池及其应用[M].北京:中国铁道出版社, 1985:50.

多晶高效电池技术 篇2

太阳电池是基于空间航天器应用发展而来的, 其材料是利用晶体Si制作成电池。这种电池具有较高的电池转换效率以及稳定的工作状态。其工作寿命大于25年。目前, 由晶体Si制作而成的太阳电池组件90%是由硼参杂P型晶体Si (常规多晶太阳电池组件) 形成的。然而随着地面光伏的应用普及, 研究发现P型Si太阳电池组件在长时间光照情况下转换效率会出现衰减现象。这种现象的主要原因是掺杂了P型Si衬底中的硼原子与衬底中的氧原子相结合形成了硼氧对, 这种硼氧对会降低少数载流子寿命, 进而导致组件转换效率衰减。

为了提高晶体Si太阳电池组件转换效率以及保证其工作状态下的稳定性, 人们研发了一种新型晶体Si太阳电池组件, 即高效率n型Si太阳电池组件。这种组件电池是由磷参杂n型Si, 其硼元素含量极低, 从而可以忽略硼氧对降低少数载流子寿命的概率。由于型Si对部分金属杂质的敏感性较低, 因此在相同掺杂浓度下n型S比P型Si具有更高的少数载流子寿命。由于n型晶体Si具有高寿命、高效率的优势, 使得其成为现在光伏行业主要的研究对象, 同时也正是因为两种组件存在各种差异, 使得常规多晶太阳电池组件与n型晶体硅太阳电池组件在出厂前进行I-V测试时对光谱响应时间要求也存在着很大的差异。下面文章介绍了两种组件在不同光谱响应时间里, 进行正反向测试时, 对测试时间上的一个需求及原因分析。

1 太阳电池组件I-V测试现状

目前业界对光伏组件功率测试采用的均是正向测试方法, 即由Voc到Isc的扫描方向进行扫描测试。光谱响应时间对于多晶来说一般控制在10ms到15ms左右, 单晶组件控制在35ms到40ms左右。

1.1 两种组件随光谱响应时间的变化趋势

测试方法为在5ms、10ms、15ms、20ms、25ms、30ms、35ms不同光谱响应时间内, 对一已有标定功率的两种组件进行I-V测试, 其中先采用正向测试, 随后采用反向测试。试验数据见表1、表2。

从数据表中我们可以得出以下几个结论:

第一, 反向测试功率要高于正向测试功率;

第二, 随着光谱响应时间的延长正向测试和反向测试数据差值越来越小;

第三, 随着光谱响应时间的延长, 正、反向测试数据越接近标定值。

1.2 原因分析

1.2.1 Isc方面:

n型太阳电池组件的短路电流要大于多晶电池组件。一般对于多晶单片电池来说其短路电流在8.5~8.6A左右, 最多不会超过9A, 而n型电池片短路电流则保持在9.1A以上。导致这种差别的原因在于晶体中原子排列是否规则。

单晶所有的原子占据安排良好的规则的位置 (晶格) , 它具有生长的有序性;而多晶原子排列彼此间随机取向的小晶粒, 晶胞大小和取向时常发生变化, 生长无序。其中的间界部分我们称之为晶界。晶界是一个过渡区, 也是晶体缺陷的密集区域。而所谓的这种晶体缺陷是少数载流子的复合中心, 极大的降低了少数载流子寿命, 从而导致短路电流较小。

1.2.2 电池制绒方面:

目前工艺中, 多晶电池片主要采用酸制绒, 即利用Si与HNO3和HF的混合液反应使硅片表面形成陷光结构, 从而吸收更多的入射光, 提高太阳电池的转换效率。

对于n型单晶来说, 采用的是碱制绒。其相对多晶的酸制绒优势在于OH-对不同晶面刻蚀速度存在选择性, 属于异向刻蚀, 而HF+HNO3则对不同晶面刻蚀速度不具备选择性, 属于均向刻蚀。

在{111}晶面上, 每个硅原子具有三个共价键与晶面内部的原子键结合, 另外一个是裸露于晶格外面的悬挂键。而{100}晶面上每个硅原子有两个共价键和两个悬挂键, 当刻蚀反应的时候碱中的OH-会和悬挂键结合形成刻蚀, 所以说晶格上的单位面积悬挂键越多, 表面的化学反应就会越快。最终n型单晶电池表面制绒后成金字塔结构。

不同的制绒方法使得两种电池对光的反射率存在很大的差距。据试验数据得知, 多晶电池平均反射率在20%以上, 而n型电池的平均反射率小于10%。因此, n型电池吸收更多的入射光, 当然会有更多的光子能量转换成电子-空穴对, 使得电池的电容效应更加突出明显。

2 结论和发展方向

从前面分析可以看出, n型组件在进行I-V测试时需要的光谱响应时间大于多晶组件测试时间, 其主要原因就在于短路电流和制绒工艺上的区别。因此, 未来的发展方向也会朝着这两方面努力。

(1) 晶体缺陷方面:缺陷是由于内部热应力所为, 改进措施可以降低晶体生长的速度, 保证炉内温度的均匀性或者增加孪晶等措施。

(2) 在制绒方面, 可以增加添加剂, 通过控制反应速率使得化学反应更加均匀充分, 也可以研究其他腐蚀方法, 比如等离子腐蚀等。

参考文献

[1]Knobloch J, Glunz S.W, Biro D, et al, Solar cells with efficiencies above 21%processed from Czochralski grown silicon[C]//IEEE Photovoltaic Specialist Conf., 1996;405-408.

多晶高效电池技术 篇3

提高太阳电池的光电转换效率、降低成本一直是光伏行业的发展目标。根据ITRPV最新的数据,常规的多晶硅电池中,硅片成本约占太阳电池价格的51%,而降低硅片的厚度可以提升硅材料的利用率,降低成本。预计未来几年,硅片厚度将降低到150μm甚至更低[1]。但是作为一种间接跃迁的半导体材料,硅的光吸收系数小,当硅片厚度降低时,透射光引起的损失会随之增加[2];另外,当少子扩散长度与硅片的厚度相当或者超过硅片厚度时,背表面的复合速度对太阳能电池的影响就很明显[3,4,5,6,7]。当硅片厚度大于200μm时,厚度的变化不会显著影响太阳电池的转换效率[8]。目前产业化电池主要采用丝网印刷铝背场工艺,该工艺简单稳定,但是背表面复合速率较大[9]。文章研究当硅片厚度小于200μm时,厚度的改变对铝背场太阳电池性能的影响。

之前关于材料厚度对太阳电池性能影响的研究,大多通过模拟的方法来实现[2,7]。在实际中,如果将多个硅块切割成不同厚度比较,由于各硅块缺陷的不同而无法得到准确的结论;而将同一硅块的相邻硅片切割成不同的厚度不易实现。为简单、直观、准确地分析硅片厚度在实际生产中的影响,本文提出一种基于同等缺陷的条件下,硅片厚度对多晶硅太阳电池性能影响的研究方法。通过光致发光(Photoluminescence,PL)技术获取多晶硅片的荧光照片并计算出缺陷的面积,将不同厚度的多晶硅片按缺陷面积进行分类并制作太阳电池,在缺陷面积相同的条件下对比不同厚度的电池性能,即可计算厚度的影响,这样就解决了由于缺陷不同而无法准确对比的问题。

利用光致发光技术,可以在线检测硅片的结构缺陷及低寿命区域,因此可以对多晶硅片进行效率的预测和分类[10,11]。其原理为:利用激光照射到硅片表面,硅片中处于基态的电子在吸收光子后进入激发态,处于激发态的电子属于亚稳态,短时间内会回到基态,并发射出一定波长的荧光。荧光的强度与该位置的非平衡少数载流子的密度成正比,而缺陷处由于是少数载流子的强复合中心,因此该区域的少数载流子密度变小导致荧光效应减弱,在图像上表现出来就成为暗色的点、线,或一定的区域。通过软件可以计算出硅片PL图中的缺陷及复合中心部分面积占硅片总面积的比例(缺陷面积比,Defect Area Ratio)。硅片缺陷面积比的大小决定了其制作成电池后转换效率的高低,缺陷比例越低,其电池效率越高,反之,缺陷比例越高,电池效率则越低。

1 实验

实验所使用多晶硅片为英利公司生产(P型,156mm×156mm,电阻率为1~3Ω·cm),厚度为两种规格:190±2μm、175±2μm,均来自于同一硅锭。采用Hennecke公司的PL-2.0型光致发光模组对实验硅片按照缺陷进行分类。硅片按缺陷面积比分为四组:Ⅰ组(1%~3%)、Ⅱ组(3%~5%)、Ⅲ组(5%~7%)、Ⅳ组(7%~9%),各组中分别选取了一片代表硅片,其PL图如图1所示。每组中厚、薄硅片各200 片,采用相同产线同时制作太阳电池。多晶硅电池的制作采用常规技术:酸制绒工艺、磷扩散工艺、PECVD工艺制备SiNx、上下电极丝网印刷4道工艺,其中电池背场为常规的铝背场。需要说明的是,不同硅片组制作电池的产线不同,太阳电池参数值略有差异,但不影响同组中厚、薄电池参数的对比。

2 结果与分析

2.1 对开路电压的影响

图2是四组不同缺陷的厚、薄太阳电池开路电压的对比。薄太阳电池的开路电压平均值低于同类型的厚太阳电池的数值。

C.J.J.Tool等[8]研究了开路电压Voc与硅片厚度Wp的关系,如果满足如下条件之一,Voc值与Wp无关。

即:

(1)硅片厚度远大于少子扩散长度;

(2)表面有效复合速率等于扩散系数与少子扩散长度的比值。

其中,Lp为少子扩散长度,取值350μm;Dp为扩散系数,取值28.6cm2/s,Seff为表面有效复合速率。

当Seff<Dp/Lp时,Voc将会随着材料厚度的降低而增加;Seff>Dp/Lp时,Voc将会随着材料厚度的降低而降低。即有效复合速率的大小决定了Voc随厚度的变化趋势[8]。

工艺控制较好的铝背场工艺,背表面的复合速率约在1 000cm/s[9],高于Dp/Lp的值(820cm/s)[8]。因此,在常规铝背场工艺的条件下,硅片厚度降低,将会导致开路电压降低。实验结果与此结论相符。由此可以看出,随着硅片厚度的降低,要使Voc不变或者增加,应保证硅片背表面良好的钝化效果。

2.2 对短路电流的影响

图3是四组不同缺陷的厚、薄太阳电池短路电流的对比。薄太阳电池的短路电流平均值低于同类型的厚电池的数值。

太阳电池吸收光子能量产生电子-空穴对,基体材料对入射光的吸收是按I (x)=I0exp (-α(λ)x)的规律变化[7,12,13](I0是太阳电池表面x=0处的入射光强,α (λ )是太阳电池材料对波长为λ 的光的吸收系数,I (x)是表面至太阳电池内x处的光强)。随着材料厚度的降低,基体吸收的入射光减少,产生的电子-空穴对也随之减少,导致太阳电池的短路电流降低。从实验的对比结果可以看出,各组中175μm厚度的太阳电池短路电流值Isc均低于相应的190μm。研究表明,当Wp≤200μm时,短路电流会随着材料厚度的降低而减小[8]。因此,如需继续降低硅片的厚度,应当匹配更好的陷光技术,增加材料对光的吸收,减少对短路电流的影响。

2.3 对太阳电池转换效率的影响

图4是四组不同缺陷的厚、薄太阳电池转换效率的对比。受开路电压和短路电流降低的影响,各组中175μm硅片对应的薄电池转换效率平均值低于同类190μm,即硅片厚度降低会引起转换效率的下降,称为“效率损失”(Efficiency Loss,Δη)。

从表1可以看出,缺陷面积比越低,薄硅片的电池效率损失越大,缺陷面积比最高的薄硅片效率损失最小。Bernhard Michl等[14]对不同缺陷质量硅片的研究也得出了同样的结论,在铝背场工艺条件下,低缺陷硅片厚度的降低引起的效率损失最大,认为其最佳的厚度应为400μm。故得出结论,随着硅片厚度降低,基区少子到达PN结所经过的距离变短,也就意味着少子被缺陷复合的概率降低,即厚度降低引起体内复合的减小,尤其是对于高缺陷的硅片,体内复合减小的程度更大。因此,高缺陷的硅片厚度降低后,效率损失相对较小,低缺陷硅片厚度降低后,效率损失相对较大。

3 结论

应用光致发光技术准确、快速地检测多晶硅片的缺陷,在缺陷范围相同的条件下研究了硅片厚度对太阳电池性能的影响。另外,该方法也可用于多晶硅片或电池在工艺、材料等其他方面的对比研究,其结果更加真实准确。

通过对190μm、175μm两种厚度的太阳电池性能进行对比分析,获得了如下结果:

(1)与190μm的硅片相比,175μm的薄硅片制作成太阳电池后,在开路电压、短路电流和转换效率方面都有明显的降低;

(2)硅片厚度降低后,高缺陷材料的效率损失相对较小,低缺陷材料的效率损失相对较大。

降低硅片厚度虽然可以节约成本,减少体寿命影响,也是将来的发展趋势,但在当前的电池制作工艺条件下已经遇到瓶颈。因此,为了能够适应硅片厚度的降低,需采用更好的表面钝化(如PERC、PERL等)和陷光等技术,以降低表面复合速率、增加光的吸收,进一步提高转换效率。

摘要：利用光致发光技术对两种厚度的多晶硅片进行缺陷检测并分类,在缺陷比例相同的条件下分析了硅片厚度对太阳电池性能的影响。薄(175μm)太阳电池在开路电压、短路电流、转换效率方面明显低于同等缺陷的厚(190μm)电池,即硅片厚度的降低会引起电池性能的下降。此外,厚度降低后,低缺陷硅片的电池效率损失大于高缺陷硅片。