多晶硅太陽能電池制作工藝概述

眾所周知，利用太陽能有許多優(yōu)點(diǎn)，光伏發(fā)電將為人類提供主要的能源，但目前來講，要使太陽能發(fā)電具有較大的市場，被廣大的消費(fèi)者接受，提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率，降低生產(chǎn)成本應(yīng)該是我們追求的最大目標(biāo)，從目前國際太陽電池的發(fā)展過程可以看出其發(fā)展趨勢為單晶硅、多晶硅、帶狀硅、薄膜材料（包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜）。

從工業(yè)化發(fā)展來看，重心已由單晶向多晶方向發(fā)展，主要原因?yàn)?；[1]可供應(yīng)太陽電池的頭尾料愈來愈少；[2] 對太陽電池來講，方形基片更合算，通過澆鑄法和直接凝固法所獲得的多晶硅可直接獲得方形材料；[3]多晶硅的生產(chǎn)工藝不斷取得進(jìn)展，全自動澆鑄爐每生產(chǎn)周期（50小時(shí)）可生產(chǎn)200公斤以上的硅錠，晶粒的尺寸達(dá)到厘米級；[4]由于近十年單晶硅工藝的研究與發(fā)展很快，其中工藝也被應(yīng)用于多晶硅電池的生產(chǎn)，例如選擇腐蝕發(fā)射結(jié)、背表面場、腐蝕絨面、表面和體鈍化、細(xì)金屬柵電極，采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)可使柵電極的寬度降低到50微米，高度達(dá)到15微米以上，快速熱退火技術(shù)用于多晶硅的生產(chǎn)可大大縮短工藝時(shí)間，單片熱工序時(shí)間可在一分鐘之內(nèi)完成，采用該工藝在100平方厘米的多晶硅片上作出的電池轉(zhuǎn)換效率超過14％。

據(jù)報(bào)道，目前在50～60微米多晶硅襯底上制作的電池效率超過16％。利用機(jī)械刻槽、絲網(wǎng)印刷技術(shù)在100平方厘米多晶上效率超過17％，無機(jī)械刻槽在同樣面積上效率達(dá)到16％，采用埋柵結(jié)構(gòu)，機(jī)械刻槽在130平方厘米的多晶上電池效率達(dá)到15.8％。 下面從兩個(gè)方面對多晶硅電池的工藝技術(shù)進(jìn)行討論。 2. 實(shí)驗(yàn)室高效電池工藝 實(shí)驗(yàn)室技術(shù)通常不考慮電池制作的成本和是否可以大規(guī)?；a(chǎn)，僅僅研究達(dá)到最高效率的方法和途徑，提供特定材料和工藝所能夠達(dá)到的極限。 2.1關(guān)于光的吸收 對于光吸收主要是： （1）降低表面反射； （2）改變光在電池體內(nèi)的路徑； （3）采用背面反射。 對于單晶硅，應(yīng)用各向異性化學(xué)腐蝕的方法可在（100）表面制作金字塔狀的絨面結(jié)構(gòu)，降低表面光反射。但多晶硅晶向偏離（100）面，采用上面的方法無法作出均勻的絨面，目前采用下列方法: [1]激光刻槽 用激光刻槽的方法可在多晶硅表面制作倒金字塔結(jié)構(gòu)，在500～900nm光譜范圍內(nèi)，反射率為4～6％，與表面制作雙層減反射膜相當(dāng)。

而在（100）面單晶硅化學(xué)制作絨面的反射率為11％。用激光制作絨面比在光滑面鍍雙層減反射膜層（ZnS/MgF2）電池的短路電流要提高4％左右，這主要是長波光（波長大于800nm）斜射進(jìn)入電池的原因。激光制作絨面存在的問題是在刻蝕中，表面造成損傷同時(shí)引入一些雜質(zhì)，要通過化學(xué)處理去除表面損傷層。該方法所作的太陽電池通常短路電流較高，但開路電壓不太高，主要原因是電池表面積增加，引起復(fù)合電流提高。 [2]化學(xué)刻槽 應(yīng)用掩膜（Si3N4或SiO2）各向同性腐蝕，腐蝕液可為酸性腐蝕液，也可為濃度較高的氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液，該方法無法形成各向異性腐蝕所形成的那種尖錐狀結(jié)構(gòu)。據(jù)報(bào)道，該方法所形成的絨面對700～1030微米光譜范圍有明顯的減反射作用。

但掩膜層一般要在較高的溫度下形成，引起多晶硅材料性能下降，特別對質(zhì)量較低的多晶材料，少子壽命縮短。應(yīng)用該工藝在225cm2的多晶硅上所作電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到16.4%。掩膜層也可用絲網(wǎng)印刷的方法形成。 [3]反應(yīng)離子腐蝕（RIE） 該方法為一種無掩膜腐蝕工藝，所形成的絨面反射率特別低，在450～1000微米光譜范圍的反射率可小于2％。僅從光學(xué)的角度來看，是一種理想的方法，但存在的問題是硅表面損傷嚴(yán)重，電池的開路電壓和填充因子出現(xiàn)下降。 [4]制作減反射膜層 對于高效太陽電池，最常用和最有效的方法是蒸鍍ZnS/MgF2雙層減反射膜，其最佳厚度取決于下面氧化層的厚度和電池表面的特征，例如，表面是光滑面還是絨面，減反射工藝也有蒸鍍Ta2O5, PECVD沉積 Si3N3等。ZnO導(dǎo)電膜也可作為減反材料。 2.2金屬化技術(shù) 在高效電池的制作中，金屬化電極必須與電池的設(shè)計(jì)參數(shù)，如表面摻雜濃度、PN結(jié)深，金屬材料相匹配。

實(shí)驗(yàn)室電池一般面積比較?。娣e小于4cm2），所以需要細(xì)金屬柵線（小于10微米），一般采用的方法為光刻、電子束蒸發(fā)、電子鍍。工業(yè)化大生產(chǎn)中也使用電鍍工藝，但蒸發(fā)和光刻結(jié)合使用時(shí)，不屬于低成本工藝技術(shù)。 [1]電子束蒸發(fā)和電鍍 通常，應(yīng)用正膠剝離工藝，蒸鍍Ti/Pa/Ag多層金屬電極，要減小金屬電極所引起的串聯(lián)電阻，往往需要金屬層比較厚（8～10微米）。缺點(diǎn)是電子束蒸發(fā)造成硅表面/鈍化層介面損傷，使表面復(fù)合提高，因此，工藝中，采用短時(shí)蒸發(fā)Ti/Pa層，在蒸發(fā)銀層的工藝。另一個(gè)問題是金屬與硅接觸面較大時(shí)，必將導(dǎo)致少子復(fù)合速度提高。工藝中，采用了隧道結(jié)接觸的方法，在硅和金屬成間形成一個(gè)較薄的氧化層（一般厚度為20微米左右）應(yīng)用功函數(shù)較低的金屬(如鈦等)可在硅表面感應(yīng)一個(gè)穩(wěn)定的電子積累層(也可引入固定正電荷加深反型)。

另外一種方法是在鈍化層上開出小窗口（小于2微米），再淀積較寬的金屬柵線（通常為10微米），形成mushroom—like狀電極，用該方法在4cm2 Mc-Si上電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到17.3％。目前，在機(jī)械刻槽表面也運(yùn)用了Shallow angle (oblique)技術(shù)。上一頁 1 2 下一頁2.3 PN結(jié)的形成技術(shù) [1]發(fā)射區(qū)形成和磷吸雜 對于高效太陽能電池，發(fā)射區(qū)的形成一般采用選擇擴(kuò)散，在金屬電極下方形成重雜質(zhì)區(qū)域而在電極間實(shí)現(xiàn)淺濃度擴(kuò)散，發(fā)射區(qū)的淺濃度擴(kuò)散即增強(qiáng)了電池對藍(lán)光的響應(yīng)，又使硅表面易于鈍化。擴(kuò)散的方法有兩步擴(kuò)散工藝、擴(kuò)散加腐蝕工藝和掩埋擴(kuò)散工藝。目前采用選擇擴(kuò)散，15×15cm2電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到16.4%，n++、n+區(qū)域的表面方塊電阻分別為20Ω和80Ω. 對于Mc—Si材料，擴(kuò)磷吸雜對電池的影響得到廣泛的研究，較長時(shí)間的磷吸雜過程（一般3～4小時(shí)），可使一些Mc—Si的少子擴(kuò)散長度提高兩個(gè)數(shù)量級。

在對襯底濃度對吸雜效應(yīng)的研究中發(fā)現(xiàn)，即便對高濃度的襯第材料，經(jīng)吸雜也能夠獲得較大的少子擴(kuò)散長度（大于200微米），電池的開路電壓大于638mv, 轉(zhuǎn)換效率超過17％。 [2]背表面場的形成及鋁吸雜技術(shù) 在Mc—Si電池中，背p+p結(jié)由均勻擴(kuò)散鋁或硼形成，硼源一般為BN、BBr、APCVD SiO2：B2O8等，鋁擴(kuò)散為蒸發(fā)或絲網(wǎng)印刷鋁，800度下燒結(jié)所完成，對鋁吸雜的作用也開展了大量的研究，與磷擴(kuò)散吸雜不同，鋁吸雜在相對較低的溫度下進(jìn)行。其中體缺陷也參與了雜質(zhì)的溶解和沉積，而在較高溫度下，沉積的雜質(zhì)易于溶解進(jìn)入硅中，對Mc—Si產(chǎn)生不利的影響。

到目前為至，區(qū)域背場已應(yīng)用于單晶硅電池工藝中，但在多晶硅中，還是應(yīng)用全鋁背表面場結(jié)構(gòu)。 [3]雙面Mc—Si電池 Mc—Si雙面電池其正面為常規(guī)結(jié)構(gòu)，背面為N＋和P＋相互交叉的結(jié)構(gòu)，這樣，正面光照產(chǎn)生的但位于背面附近的光生少子可由背電極有效吸收。背電極作為對正面電極的有效補(bǔ)充，也作為一個(gè)獨(dú)立的栽流子收集器對背面光照和散射光產(chǎn)生作用，據(jù)報(bào)道，在AM1.5條件下，轉(zhuǎn)換效率超過19％。 2.4 表面和體鈍化技術(shù) 對于Mc—Si，因存在較高的晶界、點(diǎn)缺陷（空位、填隙原子、金屬雜質(zhì)、氧、氮及他們的復(fù)合物）對材料表面和體內(nèi)缺陷的鈍化尤為重要，除前面提到的吸雜技術(shù)外，鈍化工藝有多種方法，通過熱氧化使硅懸掛鍵飽和是一種比較常用的方法，可使Si-SiO2界面的復(fù)合速度大大下降，其鈍化效果取決于發(fā)射區(qū)的表面濃度、界面態(tài)密度和電子、空穴的浮獲截面。

在氫氣氛中退火可使鈍化效果更加明顯。采用PECVD淀積氮化硅近期正面十分有效，因?yàn)樵诔赡さ倪^程中具有加氫的效果。該工藝也可應(yīng)用于規(guī)?；a(chǎn)中。應(yīng)用Remote PECVD Si3N4可使表面復(fù)合速度小于20cm/s。 3 工業(yè)化電池工藝 太陽電池從研究室走向工廠，實(shí)驗(yàn)研究走向規(guī)模化生產(chǎn)是其發(fā)展的道路，所以能夠達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)的特征應(yīng)該是： [1]電池的制作工藝能夠滿足流水線作業(yè)； [2]能夠大規(guī)模、現(xiàn)代化生產(chǎn)； [3]達(dá)到高效、低成本。 當(dāng)然，其主要目標(biāo)是降低太陽電池的生產(chǎn)成本。

目前多晶硅電池的主要發(fā)展方向朝著大面積、薄襯底。例如，市場上可見到125×125mm2、150×150mm2甚至更大規(guī)模的單片電池，厚度從原來的300微米減小到目前的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的電池小批量生產(chǎn)的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到17.1%，該公司1998年的生產(chǎn)量達(dá)到25.4MW。 （1）絲網(wǎng)印刷及其相關(guān)技術(shù) 多晶硅電池的規(guī)模化生產(chǎn)中廣泛使用了絲網(wǎng)印刷工藝，該工藝可用于擴(kuò)散源的印刷、正面金屬電極、背接觸電極，減反射膜層等，隨著絲網(wǎng)材料的改善和工藝水平的提高，絲網(wǎng)印刷工藝在太陽電池的生產(chǎn)中將會得到更加普遍的應(yīng)用。 a.發(fā)射區(qū)的形成 利用絲網(wǎng)印刷形成PN結(jié)，代替常規(guī)的管式爐擴(kuò)散工藝。一般在多晶硅的正面印刷含磷的漿料、在反面印刷含鋁的金屬漿料。