1、 0 中山大学硕士学位论文 利用 激光掺杂制备选择性发射极太阳电池 1 摘要 随着低成本高效太阳电池的日益发展，激光 开始作为 一种快速 、 廉价 、 安全手段进入光伏领域。本文分别采用红外激光和绿激光对硅片进行掺杂，对比研究不同激光掺杂工艺之间的优劣，最后应用绿激光尝试性地制备一批选择性发射极太阳电池，并通过分析其性能，作为对进一步实验的展望。 第一章简单介绍了光 伏行业的发展历程和现状，以及太阳电池的工作原理与常规工艺流程。 第二章从理论上分析限制常规太阳电池效率提高的主要原因，介绍了各种高效太 阳电池结构，并重点阐明了选择性发射极电池的优势。 第三章着重研究了红外激光掺杂对电池各项 性能
2、 的影响。 硅片的重掺区方阻随着脉冲能量密度和单位面积接受脉冲数量的升高而升高。发现并成功解析了在相同的泵浦电流下，激光对硅体的热损伤随着频率的上升而减少，硅片的有效少子寿命测量值随着方阻的下降而上升的原因。在实验中发现，由于红外激光对硅材料有很强的穿透力，因此会对硅体造成很严重的热损伤，即使镀氮化硅薄膜后，其钝化效果也很差，这会导致复合的大幅上升，进而造成开路电压和短路电流的下降，因此红外激光并不适合用来制备选择性发射 极太阳电池。 第四章研究了绿激光掺杂对电池各项 性能 的影响 ，着重对比了长脉宽绿激光与短脉宽绿激光之间的优劣，发现无论是长脉冲绿激光还是短脉冲绿激光，在能量没增加到足以销蚀
3、硅片，其对硅体的热损伤都是很小的，在本章的四组绿激光实验中，所有没有被激光销蚀的样品镀 SiN 膜后的少子寿命下降幅度不超过 6%。在实验中发现，当利用长脉宽绿激光掺杂比短脉宽激光能得到更低的最小方阻值，原因是长脉宽激光拥有更深的热作用长度。在硅体内 磷原子 总量相等的情况下，方阻值较大说明了 PN 结的结深较浅，表面 磷原子 浓度较大，显然，浅结及高表层 磷原 子 浓度更为符合 SE 电池电极区的要求，因此从理论上来说，利用短脉宽绿激光掺杂，能得到更适合 SE 电池的杂质浓度分布，并且对硅体的热损伤更小。 第五章采用激光掺杂法尝试性地制备了一批选择性发射极太阳电池，电池效率普遍较低，最高效率
4、为 14.45%。 在本章实验中，实验电池对短波段光谱的响应有所提升，但由于电极区掺杂过重，非电极区 掺杂过轻，细栅数量与非电极区2 失配以及绿激光脉宽过长和加工精度不足 等原因，造成开路电压，短路电流以及填充因子的同时降低，导致电池效率低下。 最后一章提出了对进一步实验的展望。 关键词：高效晶体 硅太阳电池，激光掺杂，激光热损伤，选择性发射极0 Abstract Along with the development of low cost and high efficiency solar cell, laser process begins coming into photovoltaic
5、 field for a rapid、 low cost and safe process. In this paper, infrared laser and green laser were used in doping to the silicon wafers, and compare the results of different laser processes. At last try to fabricate some selective emitter solar cells by green laser doping, and present the outlook of
6、farther experiment with the analysis of the performance of the SE solar cells. In chapter 1, the development and current situation of photovoltaic field, the principle and standard manufacture processes of solar cell were introduced. In chapter 2, some high efficiency solar cells was introduced, and
7、 emphasized the advantage of SE solar cell. In chapter 3,the influence of infrared laser doping on solar cells was studied. The sheet resistance of the heavily doped region increased with the increase of pulse energy density and the number of pulse received on unit area. In this chapter, it also sho
8、wed that the thermal damage induced by laser reduced with the raise of frequency under the same diode current. The minority carrier lifetime of the wafer enhanced with the decrease of sheet resistance. And both of these results were well explained in this chapter. It also showed that a serious therm
9、al damage on the silicon substrate occurred due to the strong penetration of infrared laser. And even when the SiNx layer was deposited, the passivation quality was still quite poor, which led to a higher surface recombination, thus decreased the open circuit voltage and short circuit current. In th
10、e end we drew a conclusion that the infrared laser was not suitable for preparing of selective emitter solar cells. In chapter 4, the influence of green laser doping on solar cells was investigated. The emphasis of this chapter was on comparing the advantages and disadvantages between long pulse dur
11、ation green laser and short pulse duration green laser. The thermal damage on silicon substrate was minor before the laser energy was strong enough to erode the substrate both for two different green lasers mentioned above. In the fourth set of experiments, the wafers which was not eroded by green l
12、aser achieved a minority carrier lifetime decrease less than 6%. In this experiment it could be found that a lower minimum sheet resistance could be gained by long pulse duration green laser than the short one, which can attribute to a longer thermal influence length of the long pulse duration laser
13、. When the junction profile of the silicon substrate was the same, a higher sheet resistance indicated a shallow junction and a higher surface dopant concentration. And obviously, this structure was more suitable for selective emitter solar cells. Therefore, a more appropriate dopant profile can be
14、gained by using a short pulse duration green laser to fabricate selective emitter solar cells theoretically. In chapter 5, a batch of SE solar cells were fabricated by green laser doping. The efficiency of SE solar cells was low, the highest one was 14.45%. In this experiment, the shortwave response
15、 of SE solar cells was improved, but the open-circuit voltage、short-circuit current and fill factor were all declined because of severe heavily doping , 1 mismatch of sheet resistance and number of finger and the poor accuracy of green laser. In last chapter, the outlook of farther experiment was pr
16、esented. Keywords: high efficiency silicon solar cell, laser doping, laser het damage, selective emitter solar cell 0 目录 目录 . 0 第一章 绪论 . 1 1.1 光伏产业的发展 . 1 1.2 常规太阳电池的原理构造及生产工艺 . 4 1.2.1 常规太阳电池的结构 . 4 1.2.2 太阳电池的工作原理 . 5 1.2.3 常规太阳电池的工艺流程 . 7 第二章 高效太阳电池的发展 . 13 2.1 制约太阳电池效率的原因 . 13 2.1.1 开路电压的损失 . 13
17、 2.1.2 短路电流的损失 . 14 2.1.3 填充因子的损失 . 14 2.2 各种高效太阳电池结构 . 15 2.2.1 PERL（ Passivated emitter， rear locally diffused）电池 . 15 2.2.2 HIT（ Heterojunction with Intrinsic Thin-layer）电池 . 16 2.2.3 MWT（ Metal Wrap Through）电池 . 17 2.2.4 LGBC（ Laser-grooved buried-contact）电池 . 18 2.3 选择性发射极电池（ Selective Emitter
18、Solar Cell） . 19 2.3.1 选择性发射极电池的结 构与优点 . 19 2.3.2 各种制备选择性发射极电池的工艺 . 20 2.4 本文研究内容 . 21 第三章 红外激光掺杂工艺研究 . 22 3.1 激光技术在光伏行业中的应用 . 22 3.2 激光掺杂原理 . 22 3.3 红外激光掺杂实验 . 23 3.3.1 实验步骤 . 23 1 3.3.2 红外激光工艺一实验 . 25 3.3.3 红外激光工艺二实验 . 27 3.4 本章小结 . 41 第四章 绿激光掺杂工艺研究 . 42 4.1 绿激光掺杂实验方案 . 42 4.2 长脉宽绿激光掺杂实验 . 43 4.2.
19、1 绿激光工艺一实验 . 43 4.2.2 绿激光工艺二实验 . 46 4.2.3 绿激光工艺三实验 . 48 4.3 短脉宽绿激光掺杂实验 . 50 4.4 本章小结 . 54 第五章 绿 激光掺杂制备选择性发射极电池 . 55 5.1 实验设备与步骤 . 55 5.2 实验结果分析 . 57 5.2.1 不同重掺区方阻 SE 电池 的分析比较 . 58 5.2.2 不同轻掺区方阻 SE 电池的分析比较 . 61 5.2.3 SE 电池的内量子效率 . 64 5.3 本章小结 . 65 第六章 论文总结 . 66 参考文献 . 68 致谢 . 71 0 1 第一章 绪论 1.1 光伏产业的发
20、展 目前世界经济正以前所未有的速度高速发展。然而在人类尽情享受着丰富物质的同时，伴随而来的还有严重的能源危机和环境污染。为了解决日益严重的能源危机和环境污染问题，世界各国目前正致力于寻找各种可再生清洁能源，以减少国民经济发展对煤炭、石油等化石能源的依赖，最终完全取代化石能源，因而促进了全球范围内风能、太阳能等可再生清洁能源技术的发展。目前世界上许多国家将太阳能等可再生能源作为其能源发展战略的重要组成部分。 传统的经济模式要消耗大量的化石能源，其排放的 CO2 等温 室气体导致全球变暖，气候异常，严重影响了人类的生存环境，据有关报道，在过去的一个世纪，全球平均气温上升了大约 0.3-0.6 摄氏
21、度，按照目前的发展状况，预计到2100 年，全球气温将会上升 1.5 摄氏度，届时将会造成海平面上升，降雨稀少，气候异常等严重后果。 鉴于能源清洁利用和供应安全的重要性，世界各国正把太阳能的商业化开发和利用作为重要的发展模式。预计到 2016 年前后，太阳能光伏电价能降到 15美分 /千瓦时（ 1 元 /千瓦时）以下，实现平价上网，将成为最具竞争力的发电方式之一。在 2020 年之后，欧洲许多国家光伏发 电将占总耗电量的 10 20%。日本、美国以及印度等国家也制定了庞大的太阳能推广计划。预计到 2030 年太阳能发电将占世界电力供应的 30%以上， 2050 年将达到 50%以上。 从 19
22、54 年美国贝尔实验室制成第一个单晶硅太阳 电池起，现代光伏行业已走过了半个世纪。在这半个世纪以来，光伏作为一个新兴行业，无论在光电转换效率还是产业规模上都得到了迅猛的发展。 根据著名光伏产业网站 Solarbuzz 的调研结果 1（图 1-1），由于全球经济逐步从金融危机中复苏， 2010 年全球的光伏组件的需求猛增，生产总量达到了 20.5个 GW，比 2009 年的 9.86GW 大幅增长了 107.91%，比 2000 年的 287MW 更是指数式地增长了 70 倍！ 2 02500500075001000012500150001750020000225001999 2000 2001
23、 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010年份出货量/MW图 1-1 近 10 年来全球的光伏组件生产总量（数据来源于文献 1） 近几年来，中国的光伏行业呈现一种井喷的势态，大量光伏企业雨后春笋般地涌现出来，全国太阳电池组件的产量呈现几何级数的增长，据 Solarbuzz 的调查显示 1， 2010 年中国大陆加上台湾的电池产量占全球电池总产量的 59%，比2009 年的 49%提高了 10 个百分点，全球 12 大光伏企业中，大陆光伏企业共有 4家，占 1/3。 2010 年排名 电池生产商 1（并列） 尚德电力 1（并列） 晶澳太阳能 3 First Solar 4 Q-Cell 5 台湾茂迪 6 台湾昱晶能源 7（并列） 京瓷 7（并列） 夏普 9 天合光能 10 SunPower 11 新日光 12 阿特斯太阳能 图 1-2 10 年全球前 12 大太阳电池生产商（ 数据 来源 Solarbuzz）
