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太阳能电池新工艺

一、 半导体物理基础知识
1. 物体导电能力，通常见材料电阻率大小来衡量。电阻率越大，说明这种材料导电能力越弱。表1-1给出以电阻率来区分导体，绝缘体和半导体大致范围。
物体
导体
半导体
绝缘体
电阻率 Ω· CM
<10e-4
10e-3~10e9
>10e9
2. 多个常见元素原子结构
硅太阳电池生产中常见硅（Si），磷（P），硼（B）元素原子结构模型图1所表示

P
B
Si

图1
3. 单晶和多晶
在整个晶体内，原子全部是周期性规则排列，称之为单晶。由很多取向不一样单晶颗粒杂乱地排列在一起固体称为多晶。
4. 硅晶体金刚石结构
晶体对称，有规则排列叫做晶体格子，简称晶格，最小晶格叫晶胞。图2表示部分关键晶胞
(a)简单立方
（Po）
(b)体心立方
（Na、W）
(c)面心立方
（Al、Au）

图2
金刚石结构是一个复式格子，它是两个面心立方晶格沿对角线方向上移1/4相互套构而成（见图3）。

图3

5. 晶面和晶向
晶体中原子能够看成是分布在一系列平行而等距平面上，这些平面就称为晶面。每个晶面垂直方向称为晶向。图1.2-5是多个常见到晶面和晶向。

111晶向 110晶向 100晶向
图4
比较简单一个包含原子密排面晶格是面心立方晶格。而金刚石晶格又是两个面心立方晶格套在一起，相互之间。沿着晶胞体对角线方向平移1/4而组成。我们来看面心立方晶格中原子密排面。根据硬球模型能够区分在(100)(110)(111)多个晶 面上原子排列情况，图4所表示。
金钢石晶格是由面心晶格组成，所以它(111)晶面也是原子密排面，它特点是，在晶面内原子密集、结协力强，在晶面之间距离较大，结合微弱，由此产生以下性质：
(a)因为(111)密排面本身结合牢靠而相互间结合脆弱，在外力作用下，晶体很轻易沿着(111)晶面劈裂，晶体中这种易劈裂晶面称为晶体解理面。
(b)因为(111)密排面结合牢靠，化学腐蚀就比较困难和缓慢，而(100)面原子排列密度比(111)面低。所以(100)面比(111)面腐蚀速度快，选择适宜腐蚀液和腐蚀温度，(100)面腐蚀速度比(111)面大多，所以，用(100)面硅片采取这种各向异性腐蚀结果，能够使硅片表面产生很多密布表面为(111)面四面方锥体，形成绒面状硅表面。
6.半导体之所以得到广泛应用，是因为它存在着部分导体和绝缘体所没有独特征能。
(1) 导电能力随温度灵敏改变
导体，绝缘体电阻率随温度改变很小，（导体温度每升高一度，电组率大约升高0.4%）。而半导体则不一样，温度每升高或降低1度，其电阻就改变百分之几，甚至几十，当温度改变几十度时，电阻改变几十，几万倍，而温度为绝对零度（-273℃）时，则成为绝缘体。
(2) 导电能力随光照显著改变
当光线照射到一些半导体上时，它们导电能力就会变得很强，没有光线时，它导电能力又会变得很弱。
(3) 杂质显著影响
在纯净半导体材料中，合适掺入微量杂质，导电能力会有上百万增加。这是最特殊独特征能。
(4)其它特征
温差电效应，霍尔效应，发光效应，光伏效应，激光性能等。
7. 半导体中“电子”和“空穴”
(1) 本征半导体
纯净半导体，在不受外界作用时，导电能力很差。而在一定温度或光照等作用下，晶体中价电子有一部分可能会冲破共价键束缚而成为一个自由电子。同时形成一个电子空位，称之为“空穴”。从能带图上看，就是电子离开了价带跃迁到导带，从而在价带中留下了空穴，产生了一对电子和空穴。通常将这种只含有“电子空穴对”半导体称为本征半导体。“本征”指只包含半导体本身特征。半导体就是靠着电子和空穴移动来导电，所以，电子和空穴被统称为载流子。
(2) 产生和复合
因为热或光激发而成对地产生电子空穴对，这种过程称为“产生”。空穴是共价键上空位，自由电子在运动中和空穴相遇时，自由电子就可能回到价键空位上来，而同时消失了一对电子和空穴，这就是“复合”。在一定温度下，又没有光照射等外界影响时，产生和复合载流子数相等，半导体中将在产生和复合基础上形成热平衡。此时，电子和空穴浓度保持稳定不变，不过产生和复合仍在连续发生。
(3) 杂质和杂质半导体
纯净半导体材料中若含有其它元素原子，那么，这些其它元素原子就称为半导体材料中杂质原子。对硅导电性能有决定影响关键是三族和五族元素原子。还有些杂质如金，铜，镍，锰，铁等，在硅中起着复合中心作用，影响寿命，产生缺点，有着很多有害作用。
① N型半导体
磷（P)，锑（sb )等五族元素原子最外层有五个电子，它在硅中是处于替位式状态，占据了一个原来应是硅原子所处晶格位置，图1.6-2。磷原子最外层五个电子中只有四个参与共价键，另一个不在价键上，成为自由电子，失去电子磷原子是一个带正电正离子，没有产生对应空穴。正离子处于晶格位置上，不能自由运动，它不是载流子。所以，掺入磷半导体起导电作用，关键是磷所提供自由电子，这种依靠电子导电半导体称为电子型半导体，简称N型半导体。图1.6-3表示N型半导体材料能带图。而为半导体材料提供一个自由电子v族杂质原子，通常称为施主杂质。
② P型半导体
硼（B）铝（AL）镓（GA）等三族元素原子最外层有三个电子，它在硅中也是处于替位式状态，图1.6-4所表示。硼原子最外层只有三个电子参与共价键，在另一个价键上因缺乏一个电子而形成一个空位邻近价键上价电子跑来填补这个空位，就在这个邻近价键上形成了一个新空位，这就是“空穴”。硼原子在接收了邻近价键价电子而成为一个带负电负离子，它不能移动，不是载流子。所以在产生空穴同时没有产生对应自由电子。这种依靠空穴导电半导体称为空穴型半导体，简称P型半导体。图1.6-5表示P型半导体材料能带图，为半导体材料提供一个空穴Ⅲ族杂质原子，通常称之为受主杂质。
实际上，一块半导体中并非仅仅只存在一个类型杂质，常常同时含有施主和受主杂质，此时，施主杂质所提供电子会经过“复合”而和受主杂质所提供电子相抵消，使总载流子数目降低，这种现象就成为“赔偿”。在有赔偿情况下，决定导电能力是施主和受主浓度之差。若施主和受主杂质浓度近似相等时，经过复合会几乎完全赔偿，这时半导体中载流子浓度基础上等于由本征激发作用而产生自由电子和空穴浓度。这种情况半导体称之为赔偿型本征半导体。
在半导体器件产生过程中，实际上就是依据赔偿作用，经过掺杂而取得我们所需要导电类型来组成所要生产器件。在掺有杂质半导体中，新产生载流子数量远远超出原来未掺入杂质前载流子数量，半导体导电性质关键由占大多数新产生载流子来决定，所以，在P型半导体中，空穴是多数载流子，而电子是少数载流子。在N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。掺入杂质越多，多载流子浓度（单位体积内载流子数目）越大，则半导体电阻率越低，它导电能力越强。一块半导体材料处于某一均匀温度中，且不受光照等外界原因作用，即这块半导体处于平衡状态，此时半导体中载流子称为平衡态载流子。半导体一旦受到外界原因作用（如光照，电流注入或其它能量传输形式）时，它内部载流子浓度就多于平衡状态下载流子浓度。半导体就从平衡状态变为非平衡状态，大家把处于非平衡状态时，比平衡状态载流子增加出来一部分载流子成为非平衡载流子。
8. 平衡PN结
在一块完整半导体晶体中，假如一部分是N型半导体，另一部分是P型半导体。在N型半导体中，多数载流子是电子，电子浓度远远超出少数载流子空穴浓度，而在P型半导体中，空穴是多数载流子，空穴浓度远远超出少数载流子电子浓度，图 5所表示。

P型
N型

图5
空间电荷区
图6

在N型和P型半导体交界面处存在有电子和空穴浓度梯度，N区中电子就向P区渗透扩散，扩散结果是N型区域中邻近P型区域一边薄层内有一部分电子扩散到N型中去了。因为这个薄层失去了部分电子，在N区就形成带正电荷区域。一样，P型区域中邻近N型区域一边薄层内有一部分空穴扩散到N型区域一边去了。因为这个薄层失去了一空穴，在P区就形成了带负电荷区域。这么在N型区和P型区交界面两侧形成了带正，负电荷区域，叫做空间电荷区。图6。空间电荷区中正负电荷间形成电场。电场方向是由N型区域指向P型区域，这个因为载流子浓度不均匀而引发扩散运动后形成电场称为自建电场。
我们知道，载流子在电场作用下，会产生漂移运动。自建电场将N区向P区扩散电子接回到N区，把P区向N区扩散空穴接回到P区，由此可见，在空间电荷区内，自建电场引发电子和空穴漂移运动方向和它们各自扩散运动方向恰好 相反。 开始时，电子和空穴扩散占优势，伴随电子和空穴不停扩散。空间电荷数量不停增强自建电场也越来越强，直到载流子漂移运动和扩散运动相抵消时（即大小相等，方向相反），这时，N型区域内电子和P型区域空穴不再降低，空间电荷区也不再加厚，达成了动态平衡。 空间电荷区也叫阻挡层，（意思时阻止电子和空穴继续扩散），就是我们通常讲PN结。PN结时很多半导体组件关键，PN结性质集中反应了半导体导电性能特点，如：存在两种载流子，载流子有漂移扩散和产生，复合等基础运动形成。所以，P-N结是半导体组件入门基础。

二、新工艺介绍
1． 高效单晶硅太阳电池工艺步骤以下：
SiN共烧工艺步骤：
1) 制备绒面
2) 发射区扩散
3) 边缘p-n结刻蚀、去磷硅玻璃
4) PECVD沉积SiN
5) 丝网印刷背电极、背电场和正面电极
6) 共烧形成金属接触
7) 电池片测试

2. 绒面制备
硅片采取0.5~2Ω·cm，P型晶向为<100>单晶硅片。利用氢氧化钠溶液可对单晶硅片进行各向异性腐蚀特点来制备绒面。当各向异性因子＝10时（所谓各向异性因子就是（100）面和（111）面单晶硅腐蚀速率之比），能够得到均匀金字塔形角锥体组成绒面。绒面含有受光面积大，反射率低特点，可提升单晶硅太阳电池短路电流Isc，从而提升太阳电池光电转换效率。
金字塔形角锥体表面积S0等于四个边长为a正三角形S之和

由此可见有绒面受光面积比光面提升了倍即1.732倍。
当一束强度为E0光投射到图中A点，产生反射光Ф1和进入硅中折射光Ф2。反射光Ф1能够继续投射到另一方锥B点，产生二次反射光Ф3和进入半导体折射光Ф4；而对平面光电池就不产生这第二次入射。经计算可知还有11％二次反射光可能进行第三次反射和折射，由此可算得绒面反射率为9.04％。

3. 发射区扩散
采取三氯氧磷气体携带源方法，这个工艺特点是生产高，有利于降低成本。新购8寸硅片扩散炉、石英管口径达270mm，能够扩散150×150（mm）硅片。
因为石英管口径大，恒温区长，提升了扩散薄层电阻均匀性，有利于降低太阳电池串联电阻Rs，从而提升太阳电池填充因子FF。

4. PECVD淀积SiN
多晶硅太阳电池广泛使用PECVD淀积SiN，是因为PECVD淀积SiN时，不光是生长SiN作为减反射膜，同时带来了大量氢等离子体，这种氢离子体能对多晶硅片含有表面钝化和体钝化双重作用，可用于大批量生产高效多晶硅太阳电池。因为生成氮化硅薄膜含有大量氢，能够很好钝化硅中位错、表面悬挂键，从而提升了硅片中载流子迁移率，通常要提升20％左右，同时因为SiN薄膜对单晶硅表面有很显著钝化作用，表面少子寿命提升了5倍左右，用PECVD制造单晶硅太阳电池效率较高于传统APCVD制造单晶硅太阳电池。
5. 共烧形成金属接触
晶体硅太阳电池要经过三次印刷金属浆料，传统工艺要用二次烧结才能形成良好带有金属电极欧姆接触，共烧工艺只需一次烧结，同时形成上下电极欧姆接触，是高效晶体硅太阳能电池一项关键关键工艺，国外著名金属浆料厂商很卖力推广共烧工艺。这个工艺基础理论来自合金法制P－N结工艺，就是电极金属材料和半导体单晶硅在温度达成电极材料溶点或共晶温度时，单晶硅原子按相图以一定百分比量溶入到熔融合金电极材料中去，单晶硅原子溶入到电极金属中整个过程是相当快，通常只需几秒钟时间，溶入单晶硅原子数目决定于合金温度和电极材料体积，烧结合金温度愈高，电极金属材料体积愈大，则溶入硅原子数目也愈多,这时状态被称为晶体电极金属合金系统，假如此时温度降低，系统开始冷却，这时原先溶入到溶融到电极金属材料中硅原子，重新以固态形式结晶出来，也就是在金属和晶体接触界面上生长出一层新晶体层再结晶层，假如再结晶层内含有足够量，和原先晶体材料导电类型相同杂质成份，这就取得了用合金法工艺形成欧姆接触，假如再结晶层内含有足够量和原先晶体材料导电类型异型杂质成份，这就取得了用合金法工艺形成P－N结。
银桨、银铝桨、铝桨印刷过硅片，经过烘干有机溶剂完全挥发，膜层收缩成为固状物紧密粘附在硅片上，这时，可视为金属电极材料层和硅片接触在一起，所谓共烧工艺显然是采取银－硅共晶温度，同时在几秒钟内，单晶硅原子溶入到熔融金属电极材料里。后又几乎同时冷却形成再结晶层，这个再结晶层是较完美，单晶硅晶格点阵结构。只有一次烧结钝化表面层氢原子，逸失是有限保障了氢，钝化表面效果，填充因子较高，没有必需引入氮氢烘焙工艺（FGS）
这就是目前较推高尚温快速烧结（RTF）共烧工艺。