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多晶硅太陽能電池制作工藝概述

鉅大LARGE  |  點擊量:1546次  |  2019年11月07日  

眾所周知,利用太陽能有許多優點,光伏發電將為人類提供主要的能源,但目前來講,要使太陽能發電具有較大的市場,被廣大的消費者接受,提高太陽電池的光電轉換效率,降低生產成本應該是我們追求的最大目標,從目前國際太陽電池的發展過程可以看出其發展趨勢為單晶硅、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)。從工業化發展來看,重心已由單晶向多晶方向發展,主要原因為:


(1)可供應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)多晶硅的生產工藝不斷取得進展,全自動澆鑄爐每生產周期(50小時)可生產200公斤以上的硅錠,晶粒的尺寸達到厘米級;


(4)由于近十年單晶硅工藝的研究與發展很快,其中工藝也被應用于多晶硅電池的生產,例如選擇腐蝕發射結、背表面場、腐蝕絨面、表面和體鈍化、細金屬柵電極,采用絲網印刷技術可使柵電極的寬度降低到50微米,高度達到15微米以上,快速熱退火技術用于多晶硅的生產可大大縮短工藝時間,單片熱工序時間可在一分鐘之內完成,采用該工藝在100平方厘米的多晶硅片上作出的電池轉換效率超過14%。據報道,目前在50~60微米多晶硅襯底上制作的電池效率超過16%。利用機械刻槽、絲網印刷技術在100平方厘米多晶上效率超過17%,無機械刻槽在同樣面積上效率達到16%,采用埋柵結構,機械刻槽在130平方厘米的多晶上電池效率達到15.8%。


下面從兩個方面對多晶硅電池的工藝技術進行討論。1.實驗室高效電池工藝


實驗室技術通常不考慮電池制作的成本和是否可以大規模化生產,僅僅研究達到最高效率的方法和途徑,提供特定材料和工藝所能夠達到的極限。


1.1關于光的吸收


對于光吸收主要是:


(1)降低表面反射;


(2)改變光在電池體內的路徑;


(3)采用背面反射。


對于單晶硅,應用各向異性化學腐蝕的方法可在(100)表面制作金字塔狀的絨面結構,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構,在500~900nm光譜范圍內,反射率為4~6%,與表面制作雙層減反射膜相當。而在(100)面單晶硅化學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,表面造成損傷同時引入一些雜質,要通過化學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,引起復合電流提高。


[2]化學刻槽


應用掩膜(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構。據報道,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,特別對質量較低的多晶材料,少子壽命縮短。應用該工藝在225cm2的多晶硅上所作電池的轉換效率達到16.4%。掩膜層也可用絲網印刷的方法形成。[3]反應離子腐蝕(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重,電池的開路電壓和填充因子出現下降。


[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導電膜也可作為減反材料。


1.2金屬化技術


在高效電池的制作中,金屬化電極必須與電池的設計參數,如表面摻雜濃度、pN結深,金屬材料相匹配。實驗室電池一般面積比較小(面積小于4cm2),所以需要細金屬柵線(小于10微米),一般采用的方法為光刻、電子束蒸發、電子鍍。工業化大生產中也使用電鍍工藝,但蒸發和光刻結合使用時,不屬于低成本工藝技術。


電子束蒸發和電鍍


通常,應用正膠剝離工藝,蒸鍍Ti/pa/Ag多層金屬電極,要減小金屬電極所引起的串聯電阻,往往需要金屬層比較厚(8~10微米)。缺點是電子束蒸發造成硅表面/鈍化層介面損傷,使表面復合提高,因此,工藝中,采用短時蒸發Ti/pa層,在蒸發銀層的工藝。另一個問題是金屬與硅接觸面較大時,必將導致少子復合速度提高。工藝中,采用了隧道結接觸的方法,在硅和金屬成間形成一個較薄的氧化層(一般厚度為20微米左右)應用功函數較低的金屬(如鈦等)可在硅表面感應一個穩定的電子積累層(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4cm2Mc-Si上電池的轉換效率達到17.3%。目前,在機械刻槽表面也運用了Shallowangle(oblique)技術。1.3pN結的形成技術


[1]發射區形成和磷吸雜


對于高效太陽能電池,發射區的形成一般采用選擇擴散,在金屬電極下方形成重雜質區域而在電極間實現淺濃度擴散,發射區的淺濃度擴散即增強了電池對藍光的響應,又使硅表面易于鈍化。擴散的方法有兩步擴散工藝、擴散加腐蝕工藝和掩埋擴散工藝。目前采用選擇擴散,15×15cm2電池轉換效率達到16.4%,n++、n+區域的表面方塊電阻分別為20Ω和80Ω。


對于Mc—Si材料,擴磷吸雜對電池的影響得到廣泛的研究,較長時間的磷吸雜過程(一般3~4小時),可使一些Mc—Si的少子擴散長度提高兩個數量級。在對襯底濃度對吸雜效應的研究中發現,即便對高濃度的襯第材料,經吸雜也能夠獲得較大的少子擴散長度(大于200微米),電池的開路電壓大于638mv,轉換效率超過17%。


[2]背表面場的形成及鋁吸雜技術


在Mc—Si電池中,背p+p結由均勻擴散鋁或硼形成,硼源一般為BN、BBr、ApCVDSiO2:B2O8等,鋁擴散為蒸發或絲網印刷鋁,800度下燒結所完成,對鋁吸雜的作用也開展了大量的研究,與磷擴散吸雜不同,鋁吸雜在相對較低的溫度下進行。其中體缺陷也參與了雜質的溶解和沉積,而在較高溫度下,沉積的雜質易于溶解進入硅中,對Mc—Si產生不利的影響。到目前為至,區域背場已應用于單晶硅電池工藝中,但在多晶硅中,還是應用全鋁背表面場結構。


[3]雙面Mc—Si電池


Mc—Si雙面電池其正面為常規結構,背面為N+和p+相互交叉的結構,這樣,正面光照產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充,也作為一個獨立的栽流子收集器對背面光照和散射光產生作用,據報道,在AM1.5條件下,轉換效率超過19%。1.4表面和體鈍化技術


對于Mc—Si,因存在較高的晶界、點缺陷(空位、填隙原子、金屬雜質、氧、氮及他們的復合物)對材料表面和體內缺陷的鈍化尤為重要,除前面提到的吸雜技術外,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界面的復合速度大大下降,其鈍化效果取決于發射區的表面濃度、界面態密度和電子、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,因為在成膜的過程中具有加氫的效果。該工藝也可應用于規模化生產中。應用RemotepECVDSi3N4可使表面復合速度小于20cm/s。


2.工業化電池工藝


太陽電池從研究室走向工廠,實驗研究走向規模化生產是其發展的道路,所以能夠達到工業化生產的特征應該是:


[1]電池的制作工藝能夠滿足流水線作業;


[2]能夠大規模、現代化生產;


[3]達到高效、低成本。


當然,其主要目標是降低太陽電池的生產成本。目前多晶硅電池的主要發展方向朝著大面積、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。***京磁(Kyocera)公司150×150的電池小批量生產的光電轉換效率達到17.1%,該公司1998年的生產量達到25.4MW。


絲網印刷及其相關技術


多晶硅電池的規模化生產中廣泛使用了絲網印刷工藝,該工藝可用于擴散源的印刷、正面金屬電極、背接觸電極,減反射膜層等,隨著絲網材料的改善和工藝水平的提高,絲網印刷工藝在太陽電池的生產中將會得到更加普遍的應用。


發射區的形成


利用絲網印刷形成pN結,代替常規的管式爐擴散工藝。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。印刷完成后,擴散可在網帶爐中完成(通常溫度在900度),這樣,印刷、烘干、擴散可形成連續性生產。絲網印刷擴散技術所形成的發射區通常表面濃度比較高,則表面光生載流子復合較大,為了克服這一缺點,工藝上采用了下面的選擇發射區工藝技術,使電池的轉換效率得到進一步的提高。


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