黑硅技术.ppt

EXIT高效太阳能电池新工艺研究成果介紹夏洋 中国科学院微电子研究所2012.12.08EXIT内容内容一、背景一、背景二、黑硅发现二、黑硅发现三、黑硅制作新技术三、黑硅制作新技术四、各种黑硅技术比较四、各种黑硅技术比较五、黑硅太阳能电池五、黑硅太阳能电池六、等离子体掺杂制备六、等离子体掺杂制备PNPN结结七、原子层沉积钝化技术七、原子层沉积钝化技术八、进一步提高效率的方法八、进一步提高效率的方法EXITCost per WattGross MarginFirst Solar$0.7648.4%Trina Solar$1.132.1%Yingli Solar$1.333.5%Solarfun$1.321%SunPower$1.722.9%成本成本+空间的占用空间的占用提高转换效率提高转换效率有待技术突破有待技术突破市场：销售额市场：销售额372372亿，装机容量亿，装机容量7.3GW7.3GW分布：欧洲分布：欧洲 70%70%；美国；美国 9%9%；中国；中国 2%2%；日本等其他；日本等其他19%19%一、背景一、背景EXIT光伏电池产业分布物理法有可能提高质物理法有可能提高质量、降低成本和能耗量、降低成本和能耗资料来源：资料来源：EPIA晶硅一直占主导地位晶硅一直占主导地位,中国硅晶体占97%！EXIT厚度的限制：厚度的限制：200m 120mEXIT多晶硅技术发展大晶粒大晶粒晶界优化晶界优化EXIT起源：起源：起源：起源：19991999年，哈佛大学教授年，哈佛大学教授 Eric MazurEric Mazur和他的研究和他的研究生生 C.Wu C.Wu 在一次实验中意外发现了一种后来称之为黑在一次实验中意外发现了一种后来称之为黑硅的结构材料。随及在美军方资助下秘密研究了近硅的结构材料。随及在美军方资助下秘密研究了近1010年。年。20082008年成立年成立SiOnyxSiOnyx公司，生产黑硅光电探测器。公司，生产黑硅光电探测器。短脉冲激光器短脉冲激光器短脉冲激光器短脉冲激光器二、黑硅的发现二、黑硅的发现SFSF6 6 Si Si二维二维二维二维横向横向横向横向移动移动移动移动EXIT 韩国成均馆大学利用韩国成均馆大学利用RIERIE制备了柱状制备了柱状组织的黑硅，反射率组织的黑硅，反射率6%6%，单晶电池转换效，单晶电池转换效率可以达到率可以达到15.1%15.1%；美国美国NRELNREL利用金诱导催化化学腐蚀制利用金诱导催化化学腐蚀制备孔状黑硅，单晶黑硅太阳电池效率达到备孔状黑硅，单晶黑硅太阳电池效率达到了了16.8%16.8%；20122012年项目目标为单晶年项目目标为单晶17.8%17.8%，多晶多晶15.8%15.8%复旦大学采用电化学腐蚀法制备了折射率复旦大学采用电化学腐蚀法制备了折射率呈梯度变化的多层多孔黑硅，其反射率在大呈梯度变化的多层多孔黑硅，其反射率在大波段范围内已达到波段范围内已达到5%5%以下；半导体所利用飞以下；半导体所利用飞秒激光研究黑硅。秒激光研究黑硅。黑硅材料及太阳能电池研究黑硅材料及太阳能电池研究EXIT三、黑硅制备新技术：利用等离子体浸没离子注入制备黑硅：高效、易控、低成本、低反射率、低损伤。单晶常规制绒单晶PIII黑硅多晶常规制绒多晶PIII黑硅EXIT等离子体注入（PIII）技术介绍硅片浸没在等离子体中，在脉冲偏压下产生离子鞘层，形成整片离子掺杂。高能离子注入高能离子注入等离子体浸没注入等离子体浸没注入热扩散热扩散Plasma immersion ion implantation，PIIIB，or PEXITPIII形成黑硅机理 采用等离子体浸没离子注入技术制备黑硅材料，与传统的硼、磷或砷注入不同，反应气体离子在负偏压的作用下被注入进入硅片晶格内，与硅片发生反应，生成孔状或针状组织，通过调节工艺参数，可以实现黑硅材料的可控制备，具有成本低、效率高等优点。PIII制备黑硅材料(本课题原创技术，已申请8项国际、17项国内发明专利）EXIT平板式批量黑硅生产原型装备平板式批量黑硅生产原型装备整个原型装备由工作腔室、等离子体源、偏压控制、真整个原型装备由工作腔室、等离子体源、偏压控制、真空系统和测试系统几个部分组成，系统框图如图所示。空系统和测试系统几个部分组成，系统框图如图所示。EXITPIII可控制备多种结构孔状针状复合结构树状蜂窝状山包状EXITNaOH制绒四、黑硅制备技术比较与总结四、黑硅制备技术比较与总结激光扫描激光扫描等离子注入等离子注入形状吸光载流子分离电流收集原位掺杂成本损伤金子塔，适合单晶一般，方向敏感一般一般不能低低针尖，单、多晶有利，方向不敏感有利不利不能高高多孔，单、多晶有利，方向不敏感有利有利能低中EXIT多孔黑硅，载流子多孔黑硅，载流子可以绕过孔传输。可以绕过孔传输。针尖黑硅，载流子针尖黑硅，载流子无法在针尖跳跃传无法在针尖跳跃传输输多孔黑硅有利载流子传输多孔黑硅有利载流子传输EXIT多角度吸光，增加全天时效率多角度吸光，增加全天时效率单晶硅制绒是化学法腐蚀出金字塔单晶硅制绒是化学法腐蚀出金字塔结构，斜角入射反射率高结构，斜角入射反射率高多孔黑硅，可增加全天时效率多孔黑硅，可增加全天时效率上午上午 中午中午 下午下午EXIT五、黑硅太阳能电池多晶黑硅反射率随波长变化（在红外多晶黑硅反射率随波长变化（在红外波段有明显优势）波段有明显优势）多晶黑硅量子效率明显优于酸制绒多晶黑硅量子效率明显优于酸制绒16.3%16%预计预计18%EXITSEM 俯视图SEM 斜视图多孔状多晶黑硅电池多晶黑硅电池的效率比同批次常规电池效率提高0.8%！单单位位衬衬底底类类型型电电池效率池效率面面积积备备注注中科院微中科院微电电子所子所多晶黑硅多晶黑硅17.88156*156mm2小批量小批量产产品品美国国家能源美国国家能源实验实验室室（Nature Nano 2012）单单晶黑硅晶黑硅18.28.9*8.9mm2实验实验室室样样品品EXIT束线离子注入：离子可筛选，束线离子注入：离子可筛选，高能注入，但设备昂贵高能注入，但设备昂贵等离子体浸没注入（等离子体浸没注入（PIII）：）：低能高剂量，浅结注入，成本低能高剂量，浅结注入，成本低。低。六、注入掺杂制备PN结EXIT等离子浸没离子注入机晶圆直径：200mm注入能量：100eV10KeV掺杂类型：P型、N型靶注入方式：单圆片注入能量精度：2注入剂量均匀性：5注入剂量重复性：5注入结深：5nm（100eV，1019atoms/cm3）EXIT准单晶注入，方阻均值准单晶注入，方阻均值65.6，非，非均匀性小于均匀性小于3%多晶硅注入，方阻均值多晶硅注入，方阻均值24.5，非，非均匀性小于均匀性小于3%PIII注入掺杂制备PN结EXIT PIII注入掺杂注入掺杂SIMS曲线，退火后，结深推进；曲线，退火后，结深推进；总剂量相比于扩散和离子注入低；总剂量相比于扩散和离子注入低；PIII注入SIMS曲线EXIT准单晶准单晶多晶硅多晶硅多晶黑硅多晶黑硅14.1%13.6%14.84%PIII注入掺杂方阻注入掺杂方阻4060ohm/sq，获得最高效率。，获得最高效率。高于目前报道的PIII注入电池结果PIII注入掺杂制备电池结果EXIT2008年，德国弗朗霍夫太阳能年，德国弗朗霍夫太阳能研究所的研究所的Benick等人在等人在n型型Si衬底的衬底的p型发射极表面沉积型发射极表面沉积Al2O3薄膜，制得了效率高达薄膜，制得了效率高达23.2%的电池。的电池。七、原子层沉积氧化铝钝化技术n型电池型电池p型电池型电池2010年年，德德国国ISFH的的Schmidt等等人人在在p型型Si衬衬底底的的背背表表面面沉沉积积Al2O3薄薄膜膜，得得到到了了最最高高21.4%的电池效率。的电池效率。EXIT原子层沉积氧化铝的反应机理Thermal-ALD：(A)AlOH*+Al(CH3)3 AlOAl(CH3)2*+CH4(B)AlCH3*+H2O AlOH*+CH4PE-ALD：(A)AlOH*+Al(CH3)3 AlOAl(CH3)2*+CH4(B)AlCH3*+4O AlOH*+CO2+H2OEXIT薄膜均匀性非均匀性计算公非均匀性计算公式：式：折射率：折射率：1.6-1.7消光系数：消光系数：02.94%1.58%1.13%连续模式连续模式脉冲模式脉冲模式吹扫时间加长吹扫时间加长关闭载气关闭载气表面粗糙度表面粗糙度0.9-1.2nmEXIT最好钝化少子寿命沉积态退火后n型型片片p型型片片EXIT50片PEALD设备2850pcs等离子体原子层沉积系统EXIT29400片TALD设备主要技术指标：主要技术指标：1、设备功率、设备功率15KW2、产能、产能400片片3、沉积片间非均匀性：、沉积片间非均匀性：1%4、批次间非均匀性：、批次间非均匀性：1.5%5、10nm氧化铝工艺时间氧化铝工艺时间1hEXIT内容内容一、背景一、背景二、黑硅发现二、黑硅发现三、黑硅制作新技术三、黑硅制作新技术四、各种黑硅技术比较四、各种黑硅技术比较五、黑硅太阳能电池五、黑硅太阳能电池六、等离子体掺杂制备六、等离子体掺杂制备PNPN结结七、原子层沉积钝化技术七、原子层沉积钝化技术八、进一步提高效率的方法八、进一步提高效率的方法EXIT黑硅的掺杂：表面积增大（孔隙率），方阻减小黑硅的掺杂：表面积增大（孔隙率），方阻减小PEXIT 目前由于银浆颗粒目前由于银浆颗粒较大，银不能流入较大，银不能流入硅孔，栅线和硅的硅孔，栅线和硅的接触电阻较大接触电阻较大通过回流工艺，使通过回流工艺，使银流入硅孔，形成银流入硅孔，形成准埋栅结构准埋栅结构银栅银栅准埋栅结构，减少接触电阻准埋栅结构，减少接触电阻 EXIT 由于多孔结由于多孔结构，黑硅的构，黑硅的钝化有很大钝化有很大差别差别 研究反应自研究反应自钝化工艺，钝化工艺，实现表面、实现表面、体内同时钝体内同时钝化化SiNx黑硅的钝化黑硅的钝化PECVD,ALDEXITSiNx减反层，背铝SiNxAL各种工艺各种工艺折射率折射率EXIT等离子体注入制备黑硅太阳能电池清清洗洗注入注入F+制备黑硅制备黑硅掺杂掺杂P 形成结形成结吸附吸附O-钝化钝化印印刷刷电电极极等离子体注入等离子体注入EXIT收集栅的制作探索全新栅线制作技术，减探索全新栅线制作技术，减少栅电阻少栅电阻3倍，栅线倍，栅线20微米，微米，提高效率提高效率2%，降低成本。，降低成本。EXIT内容内容一、背景一、背景二、黑硅发现二、黑硅发现三、黑硅制作新技术三、黑硅制作新技术四、各种黑硅技术比较四、各种黑硅技术比较五、黑硅太阳能电池五、黑硅太阳能电池六、进一步提高效率的方法六、进一步提高效率的方法七、发展计划七、发展计划EXIT黑硅整线制造装备设备特点：设备特点：整线生产能力整线生产能力1500片片/小时，小时，和电池生产线匹配；和电池生产线匹配；多种衬底适用，包括单晶硅、多种衬底适用，包括单晶硅、多晶硅、带硅等；多晶硅、带硅等；非常适合植入自动化生产线；非常适合植入自动化生产线；单面处理，避免背面损伤；单面处理，避免背面损伤；制备黑硅反射率可控，制备黑硅反射率可控，1%15%；碎片率极低，碎片率极低，0.1%；电池效率提高电池效率提高0.8%1%EXIT吸光：吸光：多孔陷光，多孔陷光，SiNx减反层，背铝减反层，背铝产生电子空穴产生电子空穴:上、下转换，上、下转换，杂散能级杂散能级，量子点，叠层，量子点，叠层电子空穴分离：电子空穴分离：浅结浅结、耗散区、耗散区、弯曲电场弯曲电场传输传输:少子寿命，表面完整性，表面和体内钝化少子寿命，表面完整性，表面和体内钝化收集收集:密栅、局部掺杂、新型微细栅密栅、局部掺杂、新型微细栅效率进一步提高：效率进一步提高：18%-20%18%-20%EXIT40珍惜每一缕阳光感谢各位！极精微极精微 集广成集广成