毕业论文——多晶硅太阳电池表面织构及背腐蚀先进工艺的研究.doc

1、 I 中山大学硕士学位论文 多晶硅 太阳电池表面织构 及背腐蚀 先进工艺 的研究 II 摘要 高效率和低成本的一直是太阳电池研究的热点。 增强太阳电池表面对入射光的吸收有利于提高太阳电池的转换效率，太阳电池都会在其表面采取一定的措施降低入射光的反射率。 本文先以 HF-HNO3体系为基础，利用各向同性湿法化学腐蚀方法制备出了多晶硅片绒面，然后尝试采用激光技术制备反射率更低的表面织构，最后通过 背腐蚀技术优化多晶硅太阳电池生产工艺。 为 产业化生产多晶硅太阳电池给出了理论和工艺参考。 本论文共有 五 个章节，分别 对多晶硅表面 织构和背腐蚀技术 进行论述 。 第一章综述了当前晶体硅太阳电池的发展

2、状况， 介绍了商业化 晶体硅太阳电池制造技术 的最新进展，并对各种制备工艺 做出 评价和展望 。 第二章 介绍了利用各向同性腐蚀法制备多晶硅绒面的研究结果 ，主要采用酸腐蚀制绒，并利用 SEM和 Hitachi U-4100分光光度计 分析了化学腐蚀后多晶硅片表面形貌和陷光效果。 随着反应时间的增加，表面形貌是从微裂纹状到气泡状，反射率是一个先降后升的过程，其中微裂纹状织构的反射率比气泡状的低。 通过优化各种参数，获得了腐蚀速度平缓， 表面形貌介于微裂纹与气泡状之间，能与目前太阳电池后续工艺相适应的多晶硅绒面。 第三章介绍了利用激光制备多晶硅表面织构的研究结果。主要采用激光在硅片表面刻蚀，然后

3、利用化学方法去除残余和损伤，制得各向同性的表面形貌。通过 SEM， Hitachi U-4100分光光度计和 Semilab WT2000少子寿命仪 分析了表面织构化后的表面形貌，反射率和少子寿命。通过调节激光和化学腐蚀参数得到很好的陷光结构，激光点阵比平行刻槽的表面织构有更低的反射率，但其清洗难度也较大。 激光 表面织构 为多晶硅的减反射处理提供有效的 途径 ，虽然 目前还没有被广泛应用，但是随着激光设备 和工艺 的发展， 激光表面织构技术 将成为 太阳电池工业生产的 一种 重要手段 。 第四章 研究背腐蚀工艺，制备多晶硅太阳电池。背腐蚀与等离子刻蚀分离 P N结工艺相比，太阳电池参数有所提

4、高，主要表现在开路电压 Voc和短路电流 Isc。虽然填充因子 FF不如等离子刻蚀的， 但其平均效率可达到 15.81，比等离子刻蚀制备的太阳电池高 0.2左右。 背腐蚀分离 P N结适用于大规模自动化生产，III 而且是制备背点接触高效电池的必须手段，因此背腐蚀分离 P N结工艺 是未来发展的趋势。 第五章 对未来太阳电池工艺 发展的趋势进行展望。 关键词 ： 表面织构化；各向同性腐蚀；激光处理；背腐蚀；多晶硅太阳电池 Advanced process technologies for texturing of multicrystalline silicon and back etchin

5、g Major: Material physics and chemistry Name： Zhao Ruqiang Supervisor: Professor Shen Hui IV ABSTRACT High-efficiency and low-cost are always the two crucial research goals for the solar cells. Enhancing absorb of light is helpful to increase the efficiency of solar cell. Therefore some processes ar

6、e adopted to reduce the reflectance of surface. Based on the HF-HNO3 system, an isotropic wet chemical etching texturing of multi-Si wafers was fulfilled, then an isotropic texturing of multi-crystalline silicon wafers was carried out by means of laser surface treatment. The back etching technique w

7、as optimized. The purpose is to provide reference for the industrial production of solar cell experimentally and theoretically. This thesis includes five chapters, each chapter focusing on main technology process of texturing of silicon and back etching for solar cells. In chapter 1, the latest manu

8、facture techniques of crystalline silicon solar cells was introduced, the focuses on the techniques were enhancing the efficiency and reducing the cost of the cells ,the latest manufacture techniques of crystalline silicon solar cells was introduced, all the techniques were appraised. In chapter 2,

9、the results from investigations of isotropic etching of multi-crystalline silicon are introduced, introduced The mixtures contained hydrofluoric and nitric acid with de-ionized water， the surface morphology and reflectance after etching were analyzed by S EM and Hitachi U-4100 spectrophotometer. As

10、the etching proceeded, surface cracks originating from the wafer sawing were transformed into bubble-like textures. The reflectance is first decreased but later increased with the time adding. The reflectance of surface cracks and elongated pits is lower than the bubble-like textures. After optimizi

11、ng conditions for texturing, the surface morphology between surface cracks and bubble-like textures, easily meets the requirement for solar cells mass production, was obtained. In chapter 3,the results from investigations of laser texturing of multi-crystalline silicon are introduced Isotropic textu

12、ring of multi-crystalline silicon wafers was carried out by means of laser surface treatment. Then, a chemical etching procedure V was applied to remove laser-damaged layer. The topography of laser-textured surface, the reflectance and the minority carrier life time were investigated using scanning

13、electron microscopes, Hitachi U-4100 spectrophotometer and Semilab WT2000 respectively. The laser processing parameters and chemical etching were adjusted by performing a number of experiments for different values of processing parameters. The reflectance of multi-crystalline silicon surface with te

14、xture in the form of holes is lower than texture in the form of parallel grooves. But it is more difficult to clean. Though laser texturing is not applied widely， it is a promising method to lower the reflectance of multi-crystalline silicon wafers as the development of laser equipments and fabricat

15、ion process. In chapter 4, Using back side etching to separate the P-N, we applied this technique to multi-Si solar cell preparation and the efficiency is higher than the conventional process. The Voc and Isc are improved thought the FF was lower than the plasma, the average efficiency can reach 15.

16、81 ,0.2% higher than plasma. Back side etching to separate the P-N can be applied to mass production, and it is a crucial technology to fabricate point contact solar cells, so it is a trend of development in future. In chapter 5, the new trend of fabricating higher efficiency silicon solar cells for

17、 the industrialization has been presented. Keywords: surface texturing; isotropic etching; laser treatment; back etching; multi-crystalline silicon solar cell 目 录 中文摘要 英文摘要 目 录 第 一 章 绪论 1 1.1 太阳电池理论背景 1 VI 1.2 国内外太阳电池发展现状 3 1.3 晶体硅太阳电池制备技术进展 4 1.4 商业化的高效太阳电池 12 1.5 课题研究意义和内容 13 第 二 章 各向同性酸腐蚀多晶硅表面织构化

18、工艺 15 2.1 多晶硅表面织构工艺 15 2.2 硅 腐蚀的 化学反应原理 18 2.3 实验设计 19 2.4 实验结果 与讨论 20 2.5 不同表面处理多晶硅表面反射率对比 24 2.6 多晶硅腐蚀工艺设计方法 25 2.7 本章小结 25 第 三 章 多晶硅太阳电池激光表面织构工艺 27 3.1 实验原理和方案 27 3.2 实验结果和讨论 2 9 3.3 激光与化学腐蚀表面织构的比较 32 3.4 本章小结 34 第 四 章 背腐蚀法分离晶体硅太阳电池 P N 结 36 4.1 背腐蚀分离 P N 结的原理 36 4.2 背腐蚀设备简介 37 4.3 背腐蚀分离 P N结和等离子

19、刻蚀的制备太阳电池的比较 39 4.4 本章小结 43第五章 展望 44 5.1 表面织构技术发展的趋势 44 5.2 双面钝化背点接触结构的太阳电池 44 5.3 新型的表面金属化太阳电池 45 5.4 选择性发射结的太阳电池 46 结语 47 参考文献 49 VII 攻读硕士期间发表的论文 与申请的专利 52 致 谢 53 1 第一章 绪论 能源是人们生产生活的物质基础，当代社 会的 化石燃料的利用虽然为社会创造了极大的财富， 但是同时也造成了资源的巨大浪费， 生态环境的恶化。而且化石能源的资源有限性和开发利用带来的环境总是严重制约着经济和社会的可持续发展 。光 伏发电是一种利用光伏效应将

20、太阳辐射能直接转换为电能的新型发电技术，具有资源无限、清洁安全、长寿命等优点，是最有发展前途的可再生能源技术之一。因此， 加快太阳能的开发利用是解决我国能源和环境的重要途径和措施。 1.1 太阳电池理论背景 目前传统的晶体硅太阳电池是一个大面积的二极管。如图 1 1 所示，发射区与基层形成内建电场使电子空穴 分离， 紫外短波光子在发射区内被完全吸收，产生电子 空穴对，其中空穴将被内建电场分离到基区；波长稍 长 的光子在空间电荷区内被吸收，形成的电子空穴对将分别漂移至发射区和基区， 然后输送到负载，产生直流电。 图 1 2 中给出了实际太阳电池的单二极管等效电路模型。影响转换效率的主要因素是串联

21、电阻 RS和 并联电阻 RP， RS主要包括正面金属电极与半导体材料图 1 1 晶体硅太阳电池结构 1 2 的接触电阻、半导体材料的体电阻和电极电阻三部分； RP 形成 主要原因是电池边缘漏电或耗尽区内的复合电流引起的。由于光生电动势使 p-n 结正向偏置，因此存在一个 流经二极管的漏电流，该电流与光生电流的方向相反，会抵消部分光生电流，被称为暗电流 ID2。 如图 1 3所示，沿太阳电池 I-V 曲线上，存在一个最佳工作点，处在这个点的电池有最大的输出功率 P m ， 从 图上看出即为 I m 和 V m 的组成的矩形面积。曲线越方，输出功率越高， 因此定义填充因子 FF（ Fill Fac

22、tor）： FF=VmIm/VocIsc 公式 （ 1 1） 当负载被短路时， V=0， I=ISC， ISC即为太阳电池的短路电流 (short circuit current)。由于此时流经二极管的暗电流非常小，可以忽略，根据式 PSkT IRVqSLPDL R IRVeIIIIII S 1 公式 （ 1 2） PSLSCPSSCLSC RRIIRRIII /1/ 公式 （ 1 3） 由此可知， 短路电流 ISC总小于光生电流 IL。 当 I=0，由（ 1 2）式得到开路电压 (open circuit voltage) 太阳电池的效率定义为： =ImVm/P=FF IscVoc/P （

23、P 太阳辐射功率） 综上所述，太阳电池最重要的基本参数包括：短路电流 ISC、开路电压 VOC、最大工 作电压 Vm、 最大工作电流 Im、 填充系数 FF、转换效率 、串联电阻 Rs和图 1 2 太阳电池二极管等效模型 2 图 1 3 太阳电池 I-V 特性曲线 2 公式 （ 1 4） 3 并联电阻 RP2。 1.2 国内外太阳电池产业发展现状 2008 年世界太阳电池的装机总量为 5.95GW，比 2007 年增长 110 3。 整个欧洲市场占有 82的总量，其中西班牙增长了 285，当年装机总量超过德国，美国以 0.36GW 排名第三， 如图 1 2 所示 。 从太阳电池产量来说， 20

24、08 年的太阳电池产量为 6.85GW，特别是薄膜太阳电池的产量增幅明显， 2008 年的薄膜产量为 0.89GW，约占总量的 10。我国是世界最大的太阳电池生产基地，产量占世界总产量的 44。 在 2008 年太阳能行业年度报告中列出了现在太阳能行业面临的 4个高峰挑战：年度产量增长幅度下降，价格下滑，经营边际利润率走平，以及与传统电业的融合 4。目前太阳能行业正面临第五个高峰挑战金融危机。目前宏观环境下，需要大量现金的公司面临严峻的挑战，这意味着很多较小规模的薄膜生产商，晶硅中游制造商和新办的硅料公司将不能幸存。 目前 ， 中国已经成为世界第一大太图 1 2 2008 年太阳电 池装机总量示意图 3