1、摘要 晶体硅太阳电池新型前表面发射极及背表面金属化工艺研究 专 业：材料物理与化学 摘要 晶体硅太阳电池在光伏产品中占据着主导地位。自 2000 年来，有关晶体硅 太阳电池的研究非常热门。最近几年，大批新技术和新工艺被开发出来，并对生 产起到积极的促进作用。持续改进晶体硅太阳电池的工艺具有重大意义。目前， 商品化的晶体硅太阳电池在光学和电学方面并不完美，与理论效率还有很大的差 距。晶体硅太阳电池的效率仍有很大的提升空间。在这一背景下 , 本论文提出了 改进太阳电池光电性能的新技术。 本论文主要内容包括： 1. 介绍晶体硅太阳电池的技术发展历史，明晰技术进步的路线，并介绍国内外关于晶体硅太阳电池
2、研究的最新进展。 2. 优化太阳电池前表面发射极。采用热氧化工艺减薄发射极表层重掺 I 中山大学博士学位论文 杂区的厚度，降低发射极的载流子复合，提高太阳电池的短波响应。 分别采用 750 ， 800 ， 850 和 870 对发射极进行氧化，结 果表明 850 ， 15 min的条件可以使得太阳电池的平均转换效率提 高 0.25%abs*。 3. 采用非晶硅薄膜作为半透明的磷扩散掩模制备选择性发射极。非晶硅掩模的优化厚度为 15 nm，配合非晶硅薄膜的图案化刻蚀工艺，制备出不同轻 /重掺杂组合的选择性发射极，分别 39.8/112.1 /、 36.2/88.8 /、 35.4/73.9 /。
3、该工艺可以通过一次扩散获得选择性发射极，在低成本制造选择性发射极太阳电池方面具有很大的潜力。 4. 研究了 SiNx:H、 SiO2/SiNx:H、 Al2O3/SiNx:H 作为晶体硅太阳电池表面钝化介质膜的工艺。针对 p 型 2.0 cm的 CZ硅片，当采用叠层 SiNx:H(n=2.54/2.05) 钝化时获得平均有效少子寿命 eff 为 233.52 s； 当采用 SiO2/SiNx:H 钝化时获得平均有效少子寿命 eff 为 120.32 s；当采用 Al2O3/SiNx:H 复合薄膜钝化时获得平均有效少子寿命 eff 为 393.18 s。针对 p 型 10.3 cm的 CZ硅片，
4、采用 Al2O3/SiNx:H 复合薄膜钝化时获得平均有效少子寿命 eff 高达 1049.91 s。这三种钝化薄膜的性能均达到较高水平。 5. 在表面钝化工艺的基础上，开发了制备丝网印刷局域铝背场 (SP-LBSF)太阳电池的工艺。研究了 SP-LBSF 电池的光学和电学性能。在光学方面，所制备的介质膜 /金属背反射器的内背反射率高达91.16%，有效提高太阳电池长波段的光学利用。在电学方面，太阳电池的最高效率达到 18.77%，平均效率达到 18.56%，比常规 Al-BSF 电池提高 0.65%abs，具有很高的应用价值。 总括全文，本论文主要是对晶体硅太阳电池前表面发射极和背表面钝化结
5、构 进行研究，包括热氧化发射极、选择性发射极、表面钝化和背表面局域金属化。 本论文成果将有望促进新结构太阳电池的产业化。 关键词 ：晶体硅太阳电池；选择性发射极；表面钝化；局域铝背场 _ * 注 : abs 为 absolute 的简写，在此用于表示绝对效率 II Abstract ABSTRACT Crystalline silicon solar cells are the leading products of photovoltaic industry. The research of silicon solar cell is very hot since 2000. Recentl
6、y, lots of new technologies have been exploited, and promoting the development of photovoltaic industry. The continuous improvements of the technologies for crystalline silicon solar cell have great significance. Nowadays, the commercialized silicon solar cells are not perfect in terms of the optica
7、l and electrical performance. There is still a big gap between the actual efficiency and the theoretical efficiency. It still has a big potential to improve the efficiency of crystalline solar cells. Based on the background, new technologies of improving the optical and electrical performance of the
8、 solar cells have been proposed. The main contents in this thesis are as follows:1. The history of the crystalline silicon solar cells was reviewed, so as to figure out the evolution of technologies. The most recent research works were also introduced. 2. The emitters of the solar cells were optimiz
9、ed. Using the thermal oxidation, III 中山大学博士学位论文 the heavily doped surfaces of emitters were thined, in order to reduce the recombination of the emitters. The spectrum respond of the solar cells were improved at the short wavelength. In experiments, temperatures of 750 ， 800 ， 850 and 870 were used t
10、o oxide the emitters. The optimized condition was 850 ,15 min. 0.25%abs* in efficiency gain had been achieved. 3. Amorphous silicon thin films were served as the semi-transparent phosphorus diffusion barrier for selective emitter fabrication. The optimized thickness of the a-Si thin films was 15 nm.
11、 Together with the patterning technology specially designed for a-Si thin films, selective emitter with high-/low-level doped regions of 39.8/112.1 /, 36.2/88.8 / and 35.4/73.9 / were obtained. One-step diffusion for selective emitter could be achieved using this method. It was a promising approach
12、for low cost industrial manufacturing. 4. SiNx:H 、 SiO2/SiNx:H 、 Al2O3/SiNx:H thin films were fabricated as the passivation dielectric layers for the silicon wafer surface. For p-type CZ wafers with2.0 cm, after passivation, the effective minority carrier lifetimes eff were 233.52 s, 120.32 s and 39
13、3.18 s for the passivation layers of SiNx:H(n=2.54/2.05), SiO2/SiNx:H and Al2O3/SiNx:H respectivily. Furthermore, average effective minority carrier lifetime of 1049.91 s had been achieved on high resistivity (10.3 cm) p-type CZ wafers with the Al2O3/SiNx:H on. All the three kinds of dielectric thin
14、 films have good passivation abilities. 5. Base on the surface passivation technologies, screen printed local aluminum back surface field (SP-LBSF) solar cells had been fabricated. The optical and electrical properties of SP-LBSF solar cells had been investigated. For the optical performance, dielec
15、tric/metal rear reflectors with internal reflectivity 91.16% had been fabricated. It obviously improved the response of long wavelength light. For the electrical performance, the highest efficiency of IV Abstract SP-LBSF solar cell was 18.77%, and the average efficiency was 18.56%, average efficienc
16、y gain was 0.65%abs compared to the ordinary Al-BSF solar cells. It shows a good application potential. In Summary, the main research object is to improve the front side emitter and rear side passivation structures of crystalline silicon solar cells, including the emitter oxidation, selective emitte
17、r fabrication, surface passivation, and rear locally metallization. The research jobs are expected to promote the industrialization of the new structure solar cells. Key Words: crystalline silicon solar cell; selective emitter; surface passivation; local aluminum back surface field _ *Note: abs is t
18、he abbreviation for absolute, here represents the absolute efficiency V 中山大学博士学位论文 VI 目录 目 录 第一章 绪论 . - 1 - 1.1 选题背景和意义 . - 1 - 1.2 晶体硅太阳电池原理 . - 2 - 1.3 常规商品化的晶体硅太阳电池技术新进展 . - 3 - 1.3.1 硅片清洗和去损伤层 . - 4 - 1.3.2 表面制绒新工艺 . - 4 - 1.3.3 扩散技术新进展 . - 6 - 1.3.4 减反射薄膜的新进展 . - 7 - 1.3.5 丝网印刷和金属化的新技术 . - 8 -
19、1.4 高效晶体硅太阳电池技术进展 . - 10 - 1.5 本论工作思路及主要内容 . - 29 - 第二章 氧化发射极提高铝背场 (Al-BSF)太阳电池效率的研究 . - 37 - 2.1 引言 . - 37 - 2.2 实验过程 . - 39 - 2.2.1 电池制备过程 . - 39 - 2.2.2 工艺表征 . - 39 - 2.3 实验结果与讨论 . - 40 - 2.3.1 太阳电池电性能测试 . - 40 - 2.3.2 方块电阻和 Ag 栅线接触电阻表征 . - 41 - 2.3.3 量子效率表征 . - 43 - 2.3.4 红外热成像表征 . - 43 - 2.4 本章
20、小结 . - 44 - 第三章 基于非晶硅半透明扩散掩模的新型选择性发射极的制备工艺研究 - 46 - VII 中山大学博士学位论文 3.1 引言 . - 46 - 3.2 实验过程描述 . - 48 - 3.2.1 电子束蒸发 a-Si薄膜及其表征 . - 48 - 3.2.2 a-Si半透明扩散工艺及表征 . - 48 - 3.2.3 a-Si薄膜的图案化刻蚀及表征 . - 49 - 3.2.4 应用 a-Si作为半扩散掩模制备选择性发射极 . - 50 - 3.3 实验结果与讨论 . - 50 - 3.4 本章小结 . - 61 - 第四章 晶体硅太阳电池表面钝化工艺研究 . - 63
21、- 4.1 引言 . . - 63 - 4.2 SiNx:H 表面钝化 . - 66 - 4.3 SiO2/SiNx:H 表面钝化 . - 69 - 4.3.1 热 SiO2 表面钝化 . - 69 - 4.3.2 SiO2/SiNx:H 复合膜钝化工艺 . - 72 - 4.4 Al2O3 薄膜及 Al2O3/SiNx:H复合薄膜的表面钝化 . - 74 - 4.5 本章小结论 . - 76 - 第五章 基于丝网印刷的局域铝背场晶体硅太阳电池的研制 . - 79 - 5.1 引言 . - 79 - 5.2 SP-LBSF 太阳电池光学性能研究 . - 82 - 5.3 背面钝化介质膜的束缚电
22、荷对 p 型硅片表面能带的影响 . - 89 - 5.4 SP-L BSF 太阳电池背面金属化研究 . - 91 - 5.4.1 局域金属化原理分析 . - 91 - 5.4.2 SP-L BSF 金属化过程中 Si 扩散的实验研究 . - 95 - 5.4.3 金属接触区域轮廓分析 . - 96 - 5.4.4 LBSF 形貌研究 . - 99 - 5.4.5 接触区域空洞的形貌及其分析 . - 103 - 5.5 SP-LBSF 太阳电池结构优化 . - 109 - 5.5.1 光学参数设定 . - 109 - VIII 目录 5.5.2 电学参数设定 . - 111 - 5.5.3 结构
23、参数设定 . - 112 - 5.5.4 Sentaurus 模拟 . - 113 - 5.6 SP-LBSF 太阳电池的制备及表征 . - 114 - 5.6.1 铝浆对 SP-LBSF 太阳电池工艺的影响 . - 114 - 5.6.2 SP-LBSF 太阳电池的制备 . - 116 - 5.7 LBSF (局域铝背场 )结构的讨论 . - 124 - 5.7.1 LBSF 厚度的影响 . - 126 - 5.7.2 LBSF 均匀性的影响 . - 127 - 5.7.3 局域接触区域空洞的影响 . - 129 - 5.8 本章小结 . - 131 - 本章附图 . - 135 - 第六章 结论 . - 136 - 展望 . - 138 - 攻读博士学位期间主要科研成果 . - 139 - 致谢 . - 141 - IX
