毕业设计(论文)-太阳能电池片制造工艺及铝背场钝化工艺的研究.doc
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1、河南科技大学毕业设计(论文)太阳能电池片制造工艺及铝背场钝化工艺的研究摘 要随着社会的发展,人类对能源的需求变得多样化,由于原始能源的获取主要通过煤、石油、天然气等石化能源,但是这些能源变得越来越少,同时还会造成环境的污染。近年来随着人们对环境的重视,对新能源的需求变得越来大。因此光伏行业受到的极大重视,在短短的几年里便得到迅速发展,我国光伏行业以每年30%左右的增速发展。作为一个新兴的行业,有很多人对太阳能电池的生产还不了解。本文的亮点是:1)系统的介绍了太阳能电池片的制造工艺,从制绒工艺到最后的印刷烧结和检测,为以后深入学习打下基础。2)对比验证了商业常用的两种网版(250、280)和两种
2、浆料的优缺点及对一些常见问的分析,并得出在现有的商业烧结条件下的最好搭配,并对现实中的电池片生产提供了参考。关键词:太阳能电池,制造工艺,铝背场,表面复合,丝网印刷技术33Solar Sell Processing and Investagation of Al-BSF Passivation QualityABSTRACTWith the development of society, human demand for energy to diversify. As the primary energy, mainly through the acquisition of coal oil,
3、gas,and other fossil fuels. But these energy sources become less and less. At the same time also cause environmental pollution. In recent years,as people focus on the environment.The demand for new energy sources have become increasingly large. Therefore, great attention by the PV industry. In just
4、a few years, it has developed rapidly. Chinas PV industry annual growth rate of about 30% of the development. As an emerging industry. Many people do not understand the production of solar cells.The highlight of this article. 1) A systematic introduction to manufacturing processes for solar cells. F
5、rom the system down to the final printing process and test fired. Lay the foundation for future in-depth study. 2) Comparative validation of the commercial version of two common network(250.280count) and draw on existing business with the best sintering conditions. The cells and production of realit
6、y to provide a reference.KEY WORDS: solar cell, processing, Al-BSF, surface recombination, screen-printing technology目 录第一章 绪 论11.1 引言11.2 太阳能电池发展历史和现状21.3 太阳能电池的分类与发展趋势3第二章 晶体硅太阳能电池的生产工艺62.1 太阳能电池的基本结构和工作原理62.2 太阳能电池的输出特性72.3 单晶太阳能电池的制造工艺102.3.1 制绒工艺102.3.2 扩散工艺122.3.3 刻蚀与镀膜工艺132.3.4 印刷烧结工艺142.4 实验
7、背景和意义18第三章 实验结果与分析203.1 实验硅片的选择203.2 网版的选择实验203.3 铝背场浆料的选择实验25结 论30参考文献31致 谢33第一章 绪 论1.1 引言太阳中蕴藏着人类取之不尽的能源。太阳不停地向宇宙空间中发送着巨大的能量。据计算,仅一秒钟发出的能量就相当于1.3亿亿吨标准煤燃烧时所放出的热量1。与其他能源相比,太阳能不会产生有毒、有害气体和废渣,因而不污染环境。同时太阳光随处都可以得,使用方便、安全;成本低廉,可以再生。太阳能优势与资源太阳能除去数量巨大之外,还能长期供给,理论计算太阳尚可维持数十亿年之久,此外,太阳能随处都有,不需开采和运输,并且是没有任何污染
8、的清洁能源。这些都是它的独特之处。但是,它的能量密度很低,只有1w/m2,并且受气候影响,具有不稳定性,这些又给太阳能的利用带来很大困难。在新能源中,当前太阳能发电的成本较高,大约是生物质发电(沼气发电)的712倍,风能发电的610倍。但太阳能与其他新能源相比在资源潜力和持久适用性方面更具优势,从长远前景来看,光伏发电是最具潜力的战略替代发电技术。根据欧洲JRC的预测,到2030年太阳能发电将在世界电力的供应中显现其重要作用,达到10%以上,可再生能源在总能源结构中占到30%;2050年太阳能发电将占总能耗的20%,可再生能源占到50%以上,到本世纪后期,太阳能发电将在世界电能结构中占据70%
9、的位置,下图是欧洲JRC的预测2。图1-1世界能源趋势图在世界各国发起的大规模国家光伏发展计划和太阳能屋顶计划的刺激和推动下,世界光伏工业上世纪末最后10年的平均增长率为20%,从1991年的55兆瓦增长到2000年的287兆瓦。而进入新千年后,全球光伏组件的年均增长率更是高达30%以上,2003年全球的产量达到了744兆瓦,光伏产业成为全球发展最快的新兴行业之一。作为一个发展中国家,我国能源工业面临着经济增长、环境保护和社会发展等多重压力。我国是世界上最大的煤炭生产和消费国,煤炭占商品能源消费的76%。传统化石能源消耗过程的尾气排放,已成为我国大气污染的主要来源。尽管如此,已经探明的常规能源
10、剩余储量(煤炭、石油、天然气等),以及可开采年限均十分有限(图1-2),同比世界,中国的能源形势更加严峻3。因此开发利用太阳能等可再生能源、实现能源工业的可持续发展更显迫切、意义也更为重大。图1-2 世界和中国各种能源储备比较1.2 太阳能电池发展历史和现状太阳电池的历史可以追溯到19世纪。1839年,19岁的法国年轻科学家埃德蒙.贝克勒(AEBecqurel)在其父亲的实验室电解槽中发现了光生伏特效应,1883年,Charles Fritts描述了第一个用硒制造的光生伏特电池,1941年,Ohl提出了硅p-n结光伏器件4。太阳电池发展的一个重要里程碑则是1954年,美国贝尔实验室制出了第一个
11、实用的硅扩散制备p-n结太阳电池,并很快将光电转换效率提高到10%。经过近半个世纪的发展,太阳电池已从最初的单晶硅电池发展到今天的多晶硅、非晶硅、化合物半导体太阳电池、薄膜光电池、聚光电池、有机光电池及化学光电池。经历了第一代晶硅太阳电池,第二代薄膜太阳电池,第三代高效太阳电池的研究。近几年,全世界太阳能电池的生产量平均每年增长近40%,美国和日本相继出台了太阳能研究开发计划。随着光伏技术及应用材料的飞速发展,光电材料成本不断下降,光电转换效率逐渐升高,太阳能光伏发电将会越来越显现出优越性5。最近的光伏发电行业调查表明,到2010年,光伏发电产业的年发展速度将保持在30%以上。光伏发电产业的年
12、销售额将从2004年的70亿美元增加到2010年的300亿美元。到2010年太阳能光伏发电成本将降低到可与常规能源竞争的程度。2002年到2003年,我国开始实施光明工程项目。“中华人民共和国可再生能源法”于2006年1月1日生效,在能源中长期发展战略和规划中明确提出:到2020年可再生能源在能源构成的比例中要达到10%左右。中国可再生能源的利用和发展已引起全世界的广泛关注。未来太阳电池会朝大面积化和高效化的方向发展。各地电池的效率如下6,澳大利亚新南威尔士大学高效单晶硅电池和多晶硅电池效率分别达到24.7%、19.8%。非晶硅薄膜电池通过双结、三结迭层和Ge-Si合金层技术,通过克服光衰减其
13、实验室稳定效率已经突破15%、CdTe电池效率达到15.8%、CIS电池效率18.8%。在我国单晶硅高效电池效率达到19.79%;大面积(55cm2)刻槽埋栅电池效率达到18.6%,多晶硅电池效率达到14.5%;在多晶硅薄膜电池方面,采用快速热CVD技术在非活性硅衬底上制备的多晶薄膜电池效率达14.8%。1.3 太阳能电池的分类与发展趋势迄今为止,人们已经研究了100多种不同材料、不同结构、不同用途和不同型式的太阳电池。常见的有结构分类法、材料分类法和用途分类法等,其中按基体材料分类的方法最为常见。太阳电池与光伏组件按基体材料分类如下图7。图1-3 太阳能电池按基体材料分类目前,已经商品化大规
14、模生产的太阳电池主要是晶体硅电池和各种薄膜电池,下图为1999-2006年全球各种商品化太阳电池产量的比例。图1-4 1999-2006 年全球商品化太阳电池产量比例从该图可以看出:1. 晶体硅太阳电池(包括单晶硅、多晶硅、片硅、带硅等太阳电池)始终是商品化太阳电池的主流产品。占据着超过90%以上的市场份额;多晶硅太阳电池一直是晶体硅太阳电池的主流产品,但近年来单晶硅的份额有所回升,这主要是由于中国厂商大量生产单晶硅太阳电池导致的。经过数年的发展,晶体硅电池的生产工艺趋向稳定,已经成功占据光伏电池的绝对主导地位,在未来的1015年内仍将是主流产品8。2. 带硅及片状硅太阳电池可以节省硅材料的切
15、片损失,但由于其生长技术未取得突破(生产率低、效率低、表面粗糙,需特殊工艺处理等)因而其产量增长不大,到2006年仅占全球总产量的2.6%。3. 各种薄膜太阳电池(包括非晶硅、碲化镉、硒铟铜等太阳电池)所占的比一直在6%左右徘徊,但近几年薄膜太阳能电池得到较快发展,如下图图1-5 薄膜硅与晶体硅趋势图分析主要原因是因其成本低廉,到2007年底薄膜电池产量达400MW,市场占有率达12%,从长期来看,薄膜电池有望取代晶体硅电池成为主流。综上所述,晶体硅电池在未来相当长的一段时间仍然是市场的主流产品,而晶体硅电池的发展方向可以概括为:“大片、薄片、高效”。晶体硅太阳电池生产技术与工艺发展预测:(1
16、) 规模化生产:为降低成本,产能将持续扩大,大规模生产是降低成本,提高生产效率的有效途径。(2) 大片、薄片、高效 大片、薄片:目前电池主流产品为156156220(200),少数工艺领先的企业已经实现了180m厚硅片的大规模生产,210210的超大硅片和160m甚至更薄的硅片生产工艺也会同步开发。硅片减薄将有效降低原料和生产成本,提高产率,但同时也面临着巨大的挑战,主要是碎片率,以及在大面积硅片上实现均匀加工的技术;而厚度减薄也对电池的表面钝化工艺提出了更高的要求。 高效:目前商业化提高效率的主流思路可以概括为“浅结、密栅”,即大幅度提高扩散后的方块电阻(从40提升到80120)以减少死层,
17、提高上表面钝化工艺水平以获得极高的短波响应,同时,增加栅极数量,降低由于方块电阻提高引起的串联电阻升高,维持FF水平。为此可能采用的特殊工艺包括:喷涂源链式扩散、选择性发射极(即在电极印刷处提高扩散浓度,以保证电极的欧姆接触,也可以通过选用含磷的银浆实现)。另外,背场和绒面也将进一步改进。硼背场有望取代铝背场,由于硼的扩散浓度可以比铝高一个数量级,可以增强背场强度,提高钝化水平;绒面结构改进,获取更低的反射率(如用于多晶的RIE 绒面技术)9。第二章 晶体硅太阳能电池的生产工艺2.1 太阳能电池的基本结构和工作原理一般说来,凡是能将太阳光能转换为电能,并有电压,电流输出的装置,就可以定义为太阳
18、电池,一般的晶体太阳能电池结构如图所示10。图2-1 典型晶体硅PN结太阳电池示意图从图中可以看出它由在表面上形成的PN结及正、背面引出电极构成。还包括减反射层、表面钝化层等结构。太阳电池是利用太阳光照射在半导体晶片p-n结上,产生光生伏特效应,直接将太阳能转化为电能的装置。其工作原理是:能量大于半导体禁带宽度的光子被半导体吸收后,可以产生光生载流子,当所产生的光生电子空穴对由半导体p-n结所形成的内建电场分开到两极时,在电池的两极分别堆积正负电荷,形成电池的端电压,当接有外电路时便有电流产生。p-n结的正面有减反射膜和金属负电极,背面有金属正电极。这种现象称为光生伏特效11。(Photova
19、ltic Effect),简称为“光伏效应”。典型的硅太阳能电池的结构和能带图2-2所示。掺有施主杂质的半导体常温下导带中的电子数比掺杂前增多,称为n型材料,掺有受主杂质的称为p型材料,常见的太阳电池实质上是个面积很大的p-n结二极管。当太阳光照射到太阳电池上时,其中一部分被表面反射掉,其余部分被太阳电池吸收或透过。被吸收的光,有一些转换成热能,另一些能量大于半导体禁带宽度的光子,穿过减反射膜进入半导体中。在n区,耗尽区和p区中同硅原子价电子碰撞,将能量传给价带的电子,使电子跃迁到导带,而在价带留下一个空穴,产生了电子一空穴对。这样,光能就以产生电子一空穴对的形式转变为电能。由于在p型和n型交
20、界面两边形成了势垒电场,能将电子驱向n区,空穴则被驱向p区。在n区中,光生电子一空穴对产生以后,光生空穴便向p-n结边界扩散,一旦到达p-n结边界,便立即受到内建电场作用,被电场力牵引作漂移运动,越过耗尽区进入p区,光生电子(多子)则被留在n区。p区中的光生电子(少子)同样地先因为扩散、后因为漂移而进入n区,光生空穴(多子)留在p区。如此便在p-n结附近形成与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分除抵销势垒电场外,还使p型层带正电,n型层带负电,当有负载接入时,就产生光生电流(通过电极来收集)。由于工艺的发展,通常在背面制作铝背场(BSF:Black surface field),减少背
21、表面的复合,同时由于重掺杂形成的高低结增加了光生载流子的收集,提高了太阳电池的电流电压。于是就形成了图2-2图所示的n+pp+的结构。 (a)结构图 (b)能带图图2-2 硅太阳能电池的结构和能带图2.2 太阳能电池的输出特性在效理想情况下,被光照的太阳电池的正负电极间接有负载时,就有直流电输出。便可以看作是一个恒流源与理想二极管的并联组11。等效电路图如图2-3所示。图2-3 太阳能电池等效电路由图知光电池工作时共有三股电流:光生电流Iph,流过理想二极管的电流即暗电流为ID+Ish,流过负载R的电流I,它们有如下换算关系I=Iph-ID-Ish=Iph-I0(eq(V+IRs)/AkT-1
22、)-IRs+V/Rsh (2-1)式中Iph:光生电流,ID:二极管电流,I0:二极管反向饱和电流,A:二极管因子,q:电子子电荷,k:玻尔兹曼常数,T(k)太阳电池p-n结温度,Rs和Rsh分别为太阳电池串、并联电阻。并联电阻Rsh由各种漏电流引起例如,因电池边缘沾污而引起的漏电流,沿着位错和晶粒间界的不规则扩散而形成的漏电流和沿着在电极金属化处理后由微观裂缝、晶粒间界和晶体缺陷等形成的细小桥路的漏电流),而串联电阻心则由扩散薄层的电阻、基片的体电阻、金属电极和太阳电池问的接触电阻和金属电极的体电阻等四者构成12。不论是太阳能电池还是一般的化学电池,其输出特性一般都是用如下图所示的电流电压曲
23、线来表示图2-4 太阳能电池的负载特性曲线由上图光电池的伏安特性曲线,可以得到描述太阳能电池的四个重要的输出参数。1) 开路电压Voc当太阳电池外接开路时(R=+)。可得到太阳电池的有效最大电压,即开路电压Voc。在开路状态下,流经太阳电池的净电流为0。在方程(2-1)中,令I=0,Rs=0可得到:Voc=AKT/qln(Iph/I0+1)从中可以看出,Voc的大小与以下因素相关:(1) 光生电流I舭可以看出,I0的改变量有限,其对Voc的大小影响也较小。(2) 向饱和电流I0在太阳电池中,I0的变化通常可达几个数量级,所以它对Voc的影响非常大。而I0决定于太阳电池的各种复合机制,所以通常V
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