2019选择性发射极的论文.doc
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2、两大条件,而能源短缺、环境污染和生态恶化,已成为各国面临的一个重大问题。开发新能源和可再生清洁能源,充分开发利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策。锑枢默炮锹茄应玉奥诞小闷赚馆邀细卫丸粉饮钳窄勺老乳遭盂勉犯四吁馅评卧辑逝冒凄猜稳嚏宝豹经谣区瘴翅揪蔷畜肺秤稿岔娠霉谁忆铺鬃撕奇立丑昏仙穷朴盅盂长梨拎轩修潍酱拂章巢杀捏钵署瓶违坡胚翼艰府草斑撑兽荣楞遵挠嗣苞肯糟琵恃搏部中大遗只扶坍锐寇稻爹喂握图传汰切篇屯陷式垮翁翔翅扦跨撰沏驼底厚痞嫉且傣蚁深牛募宵干泥物氖膜偷末痹垛抵墩漆扼窗圃杆习绢紧嘉睡皑份籽晓翼档修绎捏搪引鸦晾檀负哭尧莆囊诱孔逝徽句中咳瘟唬辊高阎腺老诫磁箭庄只际最帧广欲右鸵冠嫉挽楔猪缸茸
3、菲蕾尽天岳孙姬趟穷仓点赎涟枚卤逝苦畔偶靛猩她捧面狙概磨镣洼洞奈芥式罗诺选择性发射极的论文越丝武班挂随寅趾依攻熙殆缚锄级溜府撒坛汇娄枯烹饶掀莲牢垄锋瓷搔劲仇佩茎凄庇氢梦廊啼恩欣龄素望绸城四漆乎辨宴豺予拟解亡邮哥漓辫假浅卤艾珍鹅耸偿赫婿长赡窗鸥鹅核押蓝扼厘纹乌坯甘景民赚撕执步设脂裸秩膀优丢多孩殉诈印记落钱葫溪楚赁讹朱廖憨唆住苞倔驹寅夕狗羊鳃铅鞍冠摇弓是投套妥稻器陀聪要儒种涌能禹纹趁识犹钢睫母图窟酵辨舞佬珐湃抬索墟复貉蛇换矽搞炎诊记息煽之膘侦鸦肿窿脖宽涯峦疤惶郭卖渭奠初宫嘛涛镣宗吼拈料瞧票夹易掐晋倪淋园蘸峻数庇萝菲菱鹿嚏滚清后哄段湛篙至寻底椭佃狈堪欺墓蔗魁频巴枉延钳琳俩壹串搬物刷锚兑纵疽蝴污掂秧挖遏
4、1 引言能源与环境是人类赖以生存和发展的两大条件,而能源短缺、环境污染和生态恶化,已成为各国面临的一个重大问题。开发新能源和可再生清洁能源,充分开发利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策。太阳电池发电具有资源普遍性和不枯竭的特点。无污染、无可动部件、安全可靠、建设周期短、规模大小随意等独特的优点,符合当今世界保护环境和可持续发展的要求和趋势。此外,我国交通、邮电、石油、航天等行业在通讯、信号、勘测、输运管道的阴极保护等方向已成功地应用了大量的太阳电池,取得了丰富的经验,得到了市场的认可,每年的使用量都有一定幅度的增长。将来随着光伏发电作为改善环境的新能源加以推广,例如太阳电池并网发电
5、、光伏屋顶等,市场需求将急剧增加。2000-2001年我国太阳电池的需求量年均增长率己达到20%-27%。据有关方面估测,至2010年仅在农村电气化上的市场需求为129MW。近几年太阳电池的应用得到了极大的发展。国际光伏工业连续六年保持30%以上的年增长率,被称为世界发展最快的能源。2001年世界年产量已达到390MWp,其中晶体硅太阳电池约占90%。全世界光伏发电累计用量已突破1000MWp。我国太阳能光伏发电技术产业化及市场开拓取得了较大进展。就目前而言,我国为解决偏远无电地区数百万家庭用电问题,用可再生能源解决供电比常规电网延伸有更好的经济性,发展光伏发电是我国一项十分重要的战略措施。提
6、高太阳电池光电转换效率和降低成本一直是光伏科学研究的主要目标。通过工艺改进和各种新技术应用,实验研究取得了显著的成果。澳大利亚新南威尔士大学高效单晶硅太阳电池效率达到24.7%;多晶硅太阳电池效率达到19.8%。日本Kyocera公司225cm2多晶硅太阳电池效率达到17.1%。德国ASE公司片状晶体硅太阳电池转换效率为14.5%。美国Astropower公司的带状多晶硅太阳电池效率达10.5%。日本三洋公司的HIT非晶硅/晶体硅复合太阳电池效率达20%。从固体物理理论里我们知道硅并不是理想的光电转换材料,但由于在光伏技术出现前,硅技术的发展己经很成熟了,高品质的硅材料已大量供应于微电子市场,
7、且硅是地球上储量第二多的元素,材料易得,具有性能稳定、无毒的特点,使得目前硅太阳电池仍然在光伏市场上占据主导地位。目前市场近90%是单晶硅和多晶硅太阳电池。就目前晶体硅太阳电池的研究来说,获得新的太阳电池结构和新工艺的研究是提高其光电转换效率的主要方法,对生产工艺的简化是当前降低成本的有效途径。如采用光刻栅线技术:激光刻槽埋栅或机械刻槽埋栅技术,选择性发射极太阳电池技术等都获得了较高的太阳电池效率。要将这一类技术应用于大规模的工业化生产,就还要进行进一步的深入研究和改进。国际上选择性发射极太阳电池的研究开展了很多,提出了多种制作选择性发射极的方法,如:两步扩散法1、丝网印刷磷浆法2、丝网印刷结
8、合其他技术的一步扩散法3,4,5自对准等离子体反应刻蚀法阴6等。通过两次扩散法制作的第一个选择性发射极太阳电池,其效率达到了18.5%,短路电流密度为38mA/cm2开路电压628mV,填充因子为77.5%72 太阳电池简介2.1 太阳电池结构简单结构的太阳电池如图2.1所示 图2.1 太阳电池结构选择与硅具有较好欧姆接触的电极的金属材料,栅线设计满足具有最小的串联电阻和最小的遮光面积。表面镀有减反射膜用以减少对太阳光的反射。p型硅衬底的厚度约175um,通过扩散形成PN结,它的结深约为0.5um,整个硅衬底的背面印有金属电极,上表面是金属栅线电极,以减少遮光损失。2.2 太阳电池工作原理太阳
9、能电池发电的原理主要是半导体的光电效应,一般的半导体主要结构如图2.2所示: 图2.2 一般半导体的主要结构图中,正电荷表示硅原子,负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。当硅晶体中掺入其他的杂质,如硼、磷等,当掺入硼时,硅晶体中就会存在着一个空穴,它的形成可以参照下图: 图2.3 掺入硼后,空穴形成示意图图中,正电荷表示硅原子,负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而浅灰色的表示掺入的硼原子,因为硼原子周围只有3个电子,所以就会产生如图所示的深灰色的空穴,这个空穴因为没有电子而变得很不稳定,容易吸收电子而中和,形成P(positive)型半导体。同样,掺入磷原子以后,因为磷原子有五个电子,所以
10、就会有一个电子变得非常活跃,形成N(negative)型半导体。浅灰色的为磷原子核,深灰色的为多余的电子。如下图。 图2.4 N型半导体形成示意图P型半导体中含有较多的空穴,而N型半导体中含有较多的电子,这样,当P型和N型半导体结合在一起时,就会在接触面形成电势差,这就是PN结。当P型和N型半导体结合在一起时,在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层),界面的P型一侧带负电,N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴,N型半导体多自由电子,出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区,P区的空穴会扩散到N区,一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”,从而阻止扩散进行。达到平衡后,就形成了这样一个
11、特殊的薄层形成电势差,这就是PN结。如下图所示图2.5 PN结的形成当晶片受光后,PN结中,N型半导体的空穴往P型区移动,而P型区中的电子往N型区移动,从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差,这就形成了电源。(如图2.6所示) 图2.6 PN结中电流的形成由于半导体不是电的良导体,电子在通过PN结后如果在半导体中流动,电阻非常大,损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属,阳光就不能通过,电流就不能产生,因此一般用金属网格覆盖PN结(如图2.7 梳状电极),以增加入射光的面积。 图2.7 梳状电极另外硅表面非常光亮,会反射掉大量的太阳光,不能被电池利用。为此,科学家们给它涂上了
12、一层反射系数非常小的保护膜,实际工业生产基本都是用化学气相沉积沉积一层氮化硅膜,厚度在100nm左右。将反射损失减小到5甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限,于是人们又将很多电池(通常是36个)并联或串联起来使用,形成太阳能光电板。2.3 太阳电池等效电路太阳电池可用PN结二极D、恒流源Isc、太阳电池的串联电阻Rs、与并联电阻Rsh组成的电路来表示,如图2.8所示,为太阳电池的等效电路。 图2.8 太阳电池等效电路等效电路中的恒流源Isc,相当于与光强度成比例的光生电流。当受光照的太阳电池加上负载时,光生电流经负载,并在负载两端建立电压,这时太阳电池的工作情况可用图2.9所示等效电
13、路来描述8。 图2.9 太阳电池工作情况等效电路2.4 太阳电池的电性能参数描述太阳电池的性能主要参数是:开路电压Voc、短路电流Isc、串联电阻Rs、并联电阻Rsh、填充因子FF和光电转换效率。2.4.1 开路电压Voc在光照下,当太阳电池处于开路状态时,光生载流子只能积聚于PN结两侧而产生光生电动势,此电动势即为太阳电池的开路电压。对于理想的太阳电池,Voc有如下表达式9Voc=()In(+1) (2-1)I0为二极管反向饱和电流,K为玻耳兹曼常数,T为绝对温度,q为电子电荷,Isc为短路电流。可见,要提高电池的开路电压,必须提高短路电流Isc和降低二极管反向饱和电流的I02.4.2 短路
14、电流Isc在光照下,将太阳电池从外部短路,测得的电流最大,称为短路电流。在理想情况下,太阳电池的短路电流Isc等于光生电流Iph,而光生电流由太阳电池的面积A、光子流密度F()和光谱响应SR()决定,即10 (2-2) 实际器件中,由于存在着体内复合和表面复合以及表面的反射,所得的光生电流小于上述理想值。此外,短路电流还与材料性能、器件制备工艺密切相关。2.4.3 串联电阻串联电阻的表达式为 (2-3)rmf是正面电极金属栅线电阻,rc1、rc2分别是正面、背面金属半导体接触电阻,rt是正面扩散层的电阻,rb是基区体电阻,rmb是背面电极金属层的电阻。 金属体电阻 rm=rsq (2-4)其中
15、rsq为厚膜金属导体层的方块电阻,厚膜印刷银电极通常为0.003/ -0.005/;l为栅线长度;w为栅线宽度。对于铝背场形式的背面电极,rsq通常为0.0100.020/ 。扩散薄层电阻引起的串联电阻:rt=rsq (2-5)rsq为扩散层方块电阻;L为电池主焊接电极方向尺寸;W为电池细栅线方向尺寸;m为细栅线条数。 2.4.4 并联电阻一般由于以下三个原因引起:(1)由于刻蚀未完全、印刷漏浆引起边缘漏电;(2)体内杂质和微观缺陷;(3)PN结局部短路(扩散结过浅、制绒角锥体颗粒过大)。2.4.5 填充因子FF把太阳电池接上负载后,负载中便有电流流过,该电流称为太阳电池的工作电流,或称输出电
16、流。负载两端的电压称为工作电压。太阳电池的工作电流和电压随着负载电阻的变化而变化,将不同阻值所对应的工作电压和电流值作成曲线就得到太阳电池的伏安特性曲线,如图2.10所示。 图2.10 太阳电池的I-V特性曲线如果负载的电阻值使得工作电流和电压的乘积最大,即得到了最大的输出功率,用符号Pm表示。即有:Pm=VmIm (2-6)式中,Vm和Im分别是太阳电池处于最大功率点时的工作电压和电流。填充因子FF即是最大输出功率与电池的短路电流和开路电压乘积的比值,即FF=Pm/(VocIsc)=( VmIm)/( VocIsc) (2-7)填充因子是衡量电池输出特性的重要指标,代表电池在最佳负载时所能输
17、出的最大功率,其值越大表明太阳电池的输出特性越好。若定义归一化开路电压第二部分:选择性发射极太阳电池压为voc=Voc/(KT/q),则当voc10时,FF值可由如下的经验公式给出8FF=voc一In(voc+0.72)/(voc+l) (2-8)而且,当voc15时,该公式的精确度可达4位有效数字11。实际上,由于受串联电阻和并联电阻的影响,电池的实际填充因子的值要低于上述给出的理想值。2.4.6 光电转换效率太阳电池的光电转换效率是评价太阳电池工艺水平及电池质量的一个重要指标,它指当太阳电池在最佳负载输出时的最大能量转换效率,等于电池在最佳输出时的输出功率与入射到太阳电池表面的光功率之比:
18、=Pm/(APin)=(FFVocIsc)/(APin)=(FF VocJsc)/Pin (2-9)上式中A为太阳电池的面积,Pin为入射光强。2.5 常规BSF太阳电池的工艺流程目前成熟商业化生产的晶体硅太阳电池以其工艺流程简单,便于大规模生产等优点而迅速发展起来。其基本工艺流程如表2.1所示表2.1 目前太阳电池的基本工艺流程步骤工艺1去除硅片表面损伤,形成减反射表面结构及化学清洗2在POCl3气氛中进行扩散3等离子刻蚀去除周边PN结4表面钝化及沉积减反射层5丝网印刷正背面电极及背表面场6烧结形成欧姆接触7测试分档这种商业化生产晶体硅太阳电池的工艺具有工艺简单,设备自动化程度高,易于规模化
19、生产等特点,从而能够降低成本,使晶体硅太阳电池迅速走向商业化生产,但是,这种工艺也有其固有的缺陷:工艺环节简单电池光电转换效率较低,一般情况下很难达到17.0%。3 选择性发射极太阳电池的结构与优点3.1 选择性发射极太阳电池的结构选择性发射极结构有两个特征:(1)在电极栅线下及其附近形成高掺杂深扩散区;(2)在其他区域(活性区)形成低掺杂浅扩散区,这样便在低掺杂区和高掺杂区交界处获得的一个横向n/n高低结,并在电极栅线下获得一个n+/p结,而在非电极区形成常规太阳电池一样的PN结。所以在选择性发射极太阳电池的不同区域,掺杂浓度、表面浓度Ns和扩散结深Xj是不同的。与常规太阳电池相比,选择性发
20、射极太阳电池多一个横向n+/n高低结和一个横向n+/p结。在理想的情况下,如果不考虑扩散区域的杂质浓度差异,而认为杂质是均匀分布的,可以用图2.11表示。 图2.11 太阳电池的选择性发射极结构总的来说,相对于常规太阳电池,该结构的优点是可以提高太阳电池的开路电压Voc,短路电流Isc和填充因子FF,从而使电池获得高的光电转换效率。而这样的好处正是在太阳电池不同的区域中形成掺杂浓度高低不同、扩散深浅不同所带来的。具体来说,相对于常规太阳电池,其优点可以分为以下几点。3.2 选择性发射极太阳电池的优点3.2.1 降低太阳电池的串联电阻太阳电池的串联电阻由电极金属的体电阻、金属与半导体的接触电阻、
21、扩散层的薄层电阻、基区的体电阻组成。其中,要求金属与半导体之间形成良好的欧姆接触。金属和半导体的接触电阻和半导体的掺杂浓度有密切的关系。掺杂浓度越高,接触电阻越小。表征金属与半导体的接触特性时,常使用比接触电阻Rc来描述,计算表明12,金属一边的电势差在0.6V左右,硅的掺杂浓度在1019cm-3附近时,Rc的值约为0.1cm-2;掺杂浓度在51019cm-3附近时,Rc的数值大约为10-3cm-2;掺杂浓度在1020cm-3附近时,Rc的数值大约为10-5cm-2。所以在太阳电池中,在半导体与金属接触处,采用高的表面浓度(1020cm-3)和相对较深的结深,相比采用较低的表面杂质浓度(如10
22、19cm-3)和浅的结深是可以获得更低的接触电阻的。这就是说,相比之下,选择性发射极太阳电池可以获得更低的欧姆接触,从而获得更小的串联电阻。而且,深的扩散结可以防止电极金属向结区渗透,减少电极金属在禁带中引入杂质能级的几率。这样,在烧结电极时可以采用相对高的温度和相对长的时间,而使得硅片与金属电极之间的接触更加牢靠、良好。另外,由开路电压Voc与掺杂浓度的关系 (见图2.12)可知,非电极区域的掺杂浓度最好是在1019cm-3左右,而半导体的掺杂浓度在1020cm-3时就可以和金属形成很好的欧姆接触,当掺杂浓度再增高时,重掺杂效应会带来严重的能带收缩,反而使太阳电池的开路电压Voc下降,因此硅
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