高效單晶硅太陽能電池工藝技術(shù)之研究

魏雙雙

摘 要：本文敘述了太陽能電池的工作原理，分析了硅太陽能電池中硅片制備工藝與技術(shù)，探討了太陽能電池轉(zhuǎn)化效率及高效單晶電池工藝。

關(guān)鍵詞：高效單晶硅；太陽能電池；工藝技術(shù)；研究

1 太陽能電池工作原理

太陽能是一種清潔高效的新型能源，應(yīng)用太陽能開發(fā)的技術(shù)具有安全可靠、無污染等特性，例如光伏發(fā)電的開發(fā)引起了人們極大的關(guān)注。由于其制約少、發(fā)生故障率低、維護(hù)便捷等優(yōu)勢(shì)，近年來，利用硅片太陽能電池的光伏發(fā)電應(yīng)用呈現(xiàn)出指數(shù)型發(fā)展趨勢(shì)。硅片是構(gòu)成太陽能電池的核心原件，其制造工藝流程也是太陽能電池總工藝中重要的一部分，硅片質(zhì)量會(huì)直接影響到太陽能電池的發(fā)電效率。本文將主要基于單晶硅太陽能電池的工藝制備流程，研究太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率。研究其轉(zhuǎn)化效率，首先要分析太陽能電池的工作原理。太陽能電池是在光電效應(yīng)和光化學(xué)效應(yīng)的條件下將光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。當(dāng)太陽光照射在半導(dǎo)體PN節(jié)上，將形成新的空穴電子對(duì)，在其電場(chǎng)的作用下，空穴由.區(qū)流向P區(qū)，電子運(yùn)動(dòng)方向則相反，從而形成電流，可用電壓表V測(cè)量電池兩端電壓。太陽能的轉(zhuǎn)化效率一般情況下為18%左右，在理想狀態(tài)下，轉(zhuǎn)化率最高為25%。理論上，單晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到30%以上。

2 硅太陽能電池中硅片制備工藝與技術(shù)

2.1硅片制備工藝

太陽能電池根據(jù)其構(gòu)成材料不同，可分為很多種類。例如，硅太陽能電池、化合物薄膜太陽能電池、聚合物電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池等，其中硅太陽能電池是目前中國發(fā)展最為成熟的，也是應(yīng)用最廣泛的，在所有的太陽能電池種類中占有主導(dǎo)型地位。硅太陽能電池的制備中，硅片的制備工藝流程較為嚴(yán)格和復(fù)雜。

首先在硅片清洗方面，主要通過化學(xué)腐蝕過程去除硅片表面的切痕和雜質(zhì)，制作絨面表面構(gòu)造。腐蝕溶液采用濃度為1%的NaOH溶液，在80°C的環(huán)境下進(jìn)行反應(yīng)，其腐蝕深度最大可達(dá)10微米。擴(kuò)散過程中采用POCl3液態(tài)源作為擴(kuò)散源。在900°C的高溫下使用從將其帶入石英容器。經(jīng)過P原子的滲入，Si原子間相互作用形成PN結(jié)。等離子邊緣腐蝕是采用背靠背擴(kuò)散的模式，除去引起短路的P原子。去磷硅玻璃流程中，是利用化學(xué)方法除去擴(kuò)散層的SiO2和HF，進(jìn)而生成溶解于水的物質(zhì)，使磷硅玻璃（PSG）溶解。減反射膜制備過程，一般情況下，使用增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法，將薄膜厚度控制在70nm左右，保持薄膜的透光性。表面金屬化是在PN結(jié)的基礎(chǔ)上，采用絲網(wǎng)印刷法，在電池正面和背面形成正負(fù)極的引線，在經(jīng)過低溫及高溫處理，最終形成太陽電池成品?？焖贌Y(jié)過程是硅片制備的最后步驟，此時(shí)的硅片還不能直接使用，需要燒掉粘合劑，當(dāng)銀電極和晶體硅達(dá)到共晶溫度時(shí)，電池片的開路電壓有所變化，具有電阻特性，提高電池的轉(zhuǎn)換效率。

2.2硅片制備關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)硅片制備的關(guān)鍵技術(shù)，將主要介紹單晶硅的生長技術(shù)。單晶硅的生長是采用高純度多晶硅為原料，在特定的單晶爐內(nèi)將多晶硅融化，熔融的物質(zhì)中存在單質(zhì)硅，凝固時(shí)以金剛石晶格的形式排列成許多晶核，其中挑選取向相同的晶體顆粒，將其平行結(jié)合就形成了單晶硅。生長方法具體可分為直拉和區(qū)熔兩種，獲得的Si均屬于單晶硅。直拉法，是運(yùn)用熔體的冷凝結(jié)晶驅(qū)動(dòng)原理，在固液界面處，藉由熔體溫度下降，將產(chǎn)生由液態(tài)轉(zhuǎn)化成固態(tài)的相變化。此方法在生產(chǎn)中適用于低電阻無位錯(cuò)的單晶硅，用來制作晶體管、二極管等產(chǎn)品。而區(qū)熔法對(duì)錯(cuò)位的指標(biāo)要求比較高，其操作過程無柑鍋技術(shù)，該方法具有防治材料污染的優(yōu)勢(shì)，主要用于制作高電阻率的半導(dǎo)體或探測(cè)儀等產(chǎn)品。單晶硅材料的應(yīng)用多采用這兩種方法。在太陽能電池的制備中，單晶硅太陽能電池一般采用直拉法制作。

3 太陽能電池轉(zhuǎn)化效率

太陽能電池轉(zhuǎn)化率的檢驗(yàn)，必須以有太陽光照射為前提。照射在太陽能電池上的光被分割成兩部分，分別是有效和無效照射光。無效照射光是就太陽能電池本身光譜響應(yīng)而言的。根據(jù)特定材料的光譜反應(yīng)頻段，無法響應(yīng)的光譜將無法被利用。而有效光照，一部分被吸收利用了，另一部分用來補(bǔ)充空穴，產(chǎn)生空穴電子對(duì)。二者的結(jié)合會(huì)直接影響轉(zhuǎn)化效率。有效照射光的另外一部分轉(zhuǎn)化為了電能。在光強(qiáng)穩(wěn)定的情況下，太陽能電池溫度的升高降低了其輸出功率，同時(shí)其他因素的光照大小對(duì)能量轉(zhuǎn)化也有一定的影響?？偨Y(jié)來說，影響太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的因素分為三部分：一是太陽能電池的材料影響。不同材料對(duì)光的吸收程度不同，從而造成不同的光譜效應(yīng)。對(duì)此，提升太陽能電池的轉(zhuǎn)化率，只能改變表面材料，提升太陽光的吸收強(qiáng)度；二是太陽能電池表面對(duì)光的部分反射。降低此因素的影響，可以采用制絨方式，增加表面粗糙程度，以此減少表面對(duì)太陽光的反射；三是硅片內(nèi)部載流子復(fù)合情況。可采用表面鈍化原理，減少光的損失。

4 高效單晶電池工藝

高效單晶電池工藝是在太陽能電池制備工藝中提升太陽能電池轉(zhuǎn)化率的工藝，包括表面陷光控制和內(nèi)部載流子復(fù)合控制。表面陷光控制包括制絨過程和減少反射膜過程。單晶硅絨面的制備是利用Si的異性腐蝕性，在硅表面形成金字塔結(jié)構(gòu)。原理是Si與NaOH及H2O的反應(yīng)。減少反射膜過程是進(jìn)一步減少入射光損失的過程，基本原理是在介質(zhì)和電池表面增加具有一定折射率的膜，利用干涉原理，抵消其中的干涉作用。對(duì)于單晶硅電池，一般采用SiO2、ZnS單層或雙層減少反射膜，提高電流密度，防治電池的污染和變色，提高太陽能電池的穩(wěn)定性。內(nèi)部載流子復(fù)合控制中，包括擴(kuò)散制節(jié)過程和鈍化工藝。擴(kuò)散制結(jié)主要是將其他物質(zhì)溶解，使PN二者實(shí)現(xiàn)接觸。鈍化工藝是太陽能電池制備工藝中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其目的是防止表面載流子與表面電極發(fā)生復(fù)合，影響電池性能，鈍化可減弱復(fù)合，提升電池效率。

5 結(jié)語

太陽能電池制備過程工藝的不斷優(yōu)化及先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使太陽能電池的轉(zhuǎn)化與利用效率越來越高。針對(duì)太陽能電池制備工藝?yán)碚撨M(jìn)行了研究。從太陽能電池工作原理出發(fā)，展開對(duì)硅片制備工藝與技術(shù)的分析，并探討了太陽能電池轉(zhuǎn)化效率及高效單晶電池工藝。希望能為提升中國太陽能電池制備工藝水平提供一份參考，使其制備工藝過程中不斷開發(fā)新技術(shù)，向產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)邁進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1]孫肖林，李路，丁臻星，等.高效徑向結(jié)納米線太陽能電池的制備工藝研究[J].電子世界，2016（13）：194-19s.

（作者單位：英利能源（中國）有限公司）