【电池篇】电池结构、工艺流程、清洗设备、丝网印刷与烧结等

　　多晶硅太阳电池与单晶硅太阳电池的最大差别在于硅片，多晶硅片是许多硅晶粒的集合体。

        晶体硅太阳电池结构

　　正面和背面的金属电极用来收集光激发的自由电子和空穴，对外输出电流；减反射薄膜的作用是减小入射太阳光的反射率；pn结的作用是将光激发的自由电子输送给n型硅，将自由空穴输送给p型硅。

　　太阳电池工作原理

　　当太阳光照射到太阳电池表面时，由于光生伏特效应，太阳电池的正面电极和背面电极之间产生光生电压，用金属导线接上电灯、电器等负载，可为这些负载提供电流。

　　晶体硅太阳电池生产的工艺流程

　　晶体化学表面处理（清洗制绒）

　　在硅片的切割生产过程中会形成厚度达10微米左右的损伤层，且可能引入一些金属杂质和油污。如果损伤层去除不足，残余缺陷在后续的高温处理过程中向硅片深处继续延伸，会影响到太阳电池的性能。

　　清洗的目的：

　　清除硅片表面的机械损伤层；

　　清除表面油污和金属杂质；

　　形成起伏不平的绒面，减小太阳光的反射。

　　单晶硅片的清洗采用碱液腐蚀的技术，碱液与硅反应生成可溶于水的化合物，同时在表面形成“金字塔”状的绒面结构。多晶硅片的清洗则采用酸液腐蚀技术，酸液与硅反应生成可溶于水的化合物，同时形成的绒面结构是不规则的半球形或者蚯蚓状的“凹陷”。

　　由于绒面结构的存在，入射光经绒面第一次反射后，反射光并非直接入射到空气中，而是遇到邻近绒面，经过邻近绒面的第二次甚至第三次反射后，才入射到空气中，这样对入射光就有了多次利用，从而减小了反射率。表面没有绒面结构的硅片对入射光的反射率大于30%，有绒面结构的硅片对入射光的反射率减小到了12%左右。

　　多晶硅片的酸腐蚀清洗机理：

　　通常应用的硅的酸腐蚀液包含氧化剂（如HNO3）和络和剂（如HF）两部分。

　　一方面通过HNO3与硅的氧化作用在硅的表面生成SiO2，另一方面通过HF对SiO2的络和作用生成可溶性的络和物。

　　多晶硅片的酸腐蚀清洗:

　　除HCl酸外，HF酸,HNO3酸，KOH，都是强腐蚀性的化学药品，其中HF腐蚀更是强烈，他们的固体颗粒、溶液、蒸汽会伤害到人的皮肤、眼睛、呼吸道。

　　多晶硅片的清洗设备

　　磷扩散

　　磷扩散的目的：

　　制备太阳电池的核心－－pn结；

　　吸除硅片内部的部分金属杂质。

　　磷扩散的方法：

　　三氯氧磷（POCl3）液态源扩散

　　喷涂磷酸水溶液后链式扩散

　　丝网印刷磷浆料后链式扩散

　　目前行业上普遍采用第一种方法，这种方法具有生产效率较高，得到的pn结均匀、平整和扩散层表面良好等优点，非常适合制作大面积的太阳电池。

　　三氯氧磷（POCl3）液态源扩散原理：

　　POCl3

　　POCl3是目前磷扩散用得较多的一种杂质源无色透明液体，具有刺激性气味。如果纯度不高则呈红黄色。比重为1.67，熔点2℃，沸点107℃，在潮湿空气中发烟。

　　POCl3很容易发生水解，POCl3极易挥发。升温下与水接触会反应释放出腐蚀有毒易燃气体。

　　背面及周边刻蚀

　　扩散后的硅片除了表面的一薄层n型硅外，在背面以及周边都有n型硅薄层，而晶体硅太阳电池实际只需要表面的n型硅，因此须去除背面以及周边的n型硅薄层。

　　背面以及周边刻蚀的目的：

　　去除硅片背面和周边的pn结；

　　去除表面的磷硅玻璃（PSG）。磷硅玻璃是扩散过程中的反应产物，是一层含磷原子的二氧化硅。

    背面以及周边刻蚀的方法：

　　酸液腐蚀（湿法刻蚀）

　　等离子体刻蚀（干法刻蚀）

　　背面和周边刻蚀原理

　　硝酸/亚硝酸（HNO2）将硅氧化成二氧化硅（主要是亚硝酸将硅氧化）。

　　二氧化硅和氢氟酸反应（快反应），生成四氟化硅和水（快反应），四氟化硅又和水化合成氟硅酸进入溶液。

　　硫酸不参与反应，仅仅是增加氢离子浓度，加快反应，增加溶液黏度（增大溶液与PSG薄层间的界面张力）和溶液密度。

　　             湿法刻蚀设备

　　PECVD镀氮化硅（SiN）薄膜的目的：

　　SiN薄膜作为减反射膜可减小入射光的反射；

　　在SiN薄膜的沉积过程中，反应产物氢原子进入到SiN薄膜内以及硅片内，起到了钝化缺陷的作用。

    太阳电池表面的深蓝色SiN薄膜

　　SiN薄膜的物理性质和化学性质：

　　结构致密，硬度大；

　　能抵御碱金属离子的侵蚀；

　　介电强度高；

　　耐湿性好；

　　耐一般的酸碱，除HF和热H3PO4。

　　SiN薄膜的优点:

　　优良的表面钝化效果；

　　高效的光学减反射性能（厚度和折射率匹配）；

　　低温工艺（有效降低成本）；

　　含氢SiNx:H可以对mc-Si提供体钝化。

　　PECVD镀氮化硅（SiN）薄膜:

　　入射光在SiN薄膜表面发生一次反射，在SiN薄膜和硅片界面发生第二次反射，通过适当选取SiN薄膜的厚度和折射率，可以使一次反射光和二次反射光相抵消，

　　从而减小了反射。沉积SiN减反射膜后，硅片表面对入射光的平均反射率可进一步减小到5%左右。

　　硅烷（SiH4）

　　硅烷在常温常压下为具有恶臭的无色气体。在室温下着火，在空气或卤素气体中发生爆炸性燃烧。即使用其它气体稀释，如果浓度不够低，仍能自燃。硅烷在氩气中含2%、氮气中含2.5%、氢气中含1%时，它仍能着火。硅烷浓度在小于1%时不燃，大于3%时自燃,1%-3%时可能燃烧。

　　        PECVD镀膜设备

　　          丝网印刷与烧结

　　丝网印刷的目的：

　　印刷背面电极浆料，银铝（Ag/Al）浆，并烘干；

　　印刷背面场浆料，铝浆，并烘干；

　　印刷正面电极浆料，银浆，并烘干。

　　烧结的目的：

　　燃尽浆料的有机组分，使浆料和硅片形成良好的金属

　　电极。

　　丝网印刷与烧结

丝网印刷设备：每台印刷机后都有一台烘干炉

　　               烧结炉

　　晶体硅太阳电池的电流－电压特性：

　　将太阳电池接上负载。在光照条件下，改变负载的电阻，太阳电池的输出电压V、输出电流I和输出功率P将随之变化。记录下V、I、P的变化情况，并将数据绘成曲线，将得到上图的曲线，称为太阳电池的电流－电压特性。

　　太阳电池的性能参数：

　　短路电流Isc：负载的电阻为零时，太阳电池的输出电流；

　　开路电压Voc：负载的电阻无穷大时，太阳电池的输出电压；

　　最大功率点Pm：太阳电池的最大输出功率；

　　最大功率点电流Im：输出功率最大时，太阳电池的输出电流；

　　最大功率点电压Vm：输出功率最大时，太阳电池的输出电压；

　　转换效率η：太阳电池的最大输出功率Pm与入射光功率的比值，是衡量太阳电池性能的最重要参数；

　　填充因子FF：太阳电池的最大输出功率Pm与短路电流Isc、开路电压Voc乘积的比值oc

　　串联电阻Rs：主要是太阳电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻、电极与硅表面的接触电阻组成。

　　并联电阻Rsh：为旁漏电阻，它是由硅片的边缘不清洁或硅片表面缺陷引起。