高效单晶硅太阳能电池工艺技术之研究

魏双双

摘 要：本文叙述了太阳能电池的工作原理，分析了硅太阳能电池中硅片制备工艺与技术，探讨了太阳能电池转化效率及高效单晶电池工艺。

关键词：高效单晶硅；太阳能电池；工艺技术；研究

1 太阳能电池工作原理

太阳能是一种清洁高效的新型能源，应用太阳能开发的技术具有安全可靠、无污染等特性，例如光伏发电的开发引起了人们极大的关注。由于其制约少、发生故障率低、维护便捷等优势，近年来，利用硅片太阳能电池的光伏发电应用呈现出指数型发展趋势。硅片是构成太阳能电池的核心原件，其制造工艺流程也是太阳能电池总工艺中重要的一部分，硅片质量会直接影响到太阳能电池的发电效率。本文将主要基于单晶硅太阳能电池的工艺制备流程，研究太阳能电池的转化效率。研究其转化效率，首先要分析太阳能电池的工作原理。太阳能电池是在光电效应和光化学效应的条件下将光能转化为电能的装置。当太阳光照射在半导体PN节上，将形成新的空穴电子对，在其电场的作用下，空穴由.区流向P区，电子运动方向则相反，从而形成电流，可用电压表V测量电池两端电压。太阳能的转化效率一般情况下为18%左右，在理想状态下，转化率最高为25%。理论上，单晶硅太阳能电池的转化率可以达到30%以上。

2 硅太阳能电池中硅片制备工艺与技术

2.1硅片制备工艺

太阳能电池根据其构成材料不同，可分为很多种类。例如，硅太阳能电池、化合物薄膜太阳能电池、聚合物电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池等，其中硅太阳能电池是目前中国发展最为成熟的，也是應用最广泛的，在所有的太阳能电池种类中占有主导型地位。硅太阳能电池的制备中，硅片的制备工艺流程较为严格和复杂。

首先在硅片清洗方面，主要通过化学腐蚀过程去除硅片表面的切痕和杂质，制作绒面表面构造。腐蚀溶液采用浓度为1%的NaOH溶液，在80°C的环境下进行反应，其腐蚀深度最大可达10微米。扩散过程中采用POCl3液态源作为扩散源。在900°C的高温下使用从将其带入石英容器。经过P原子的渗入，Si原子间相互作用形成PN结。等离子边缘腐蚀是采用背靠背扩散的模式，除去引起短路的P原子。去磷硅玻璃流程中，是利用化学方法除去扩散层的SiO2和HF，进而生成溶解于水的物质，使磷硅玻璃（PSG）溶解。减反射膜制备过程，一般情况下，使用增强化学气相沉积法，将薄膜厚度控制在70nm左右，保持薄膜的透光性。表面金属化是在PN结的基础上，采用丝网印刷法，在电池正面和背面形成正负极的引线，在经过低温及高温处理，最终形成太阳电池成品。快速烧结过程是硅片制备的最后步骤，此时的硅片还不能直接使用，需要烧掉粘合剂，当银电极和晶体硅达到共晶温度时，电池片的开路电压有所变化，具有电阻特性，提高电池的转换效率。

2.2硅片制备关键技术

针对硅片制备的关键技术，将主要介绍单晶硅的生长技术。单晶硅的生长是采用高纯度多晶硅为原料，在特定的单晶炉内将多晶硅融化，熔融的物质中存在单质硅，凝固时以金刚石晶格的形式排列成许多晶核，其中挑选取向相同的晶体颗粒，将其平行结合就形成了单晶硅。生长方法具体可分为直拉和区熔两种，获得的Si均属于单晶硅。直拉法，是运用熔体的冷凝结晶驱动原理，在固液界面处，藉由熔体温度下降，将产生由液态转化成固态的相变化。此方法在生产中适用于低电阻无位错的单晶硅，用来制作晶体管、二极管等产品。而区熔法对错位的指标要求比较高，其操作过程无柑锅技术，该方法具有防治材料污染的优势，主要用于制作高电阻率的半导体或探测仪等产品。单晶硅材料的应用多采用这两种方法。在太阳能电池的制备中，单晶硅太阳能电池一般采用直拉法制作。

3 太阳能电池转化效率

太阳能电池转化率的检验，必须以有太阳光照射为前提。照射在太阳能电池上的光被分割成两部分，分别是有效和无效照射光。无效照射光是就太阳能电池本身光谱响应而言的。根据特定材料的光谱反应频段，无法响应的光谱将无法被利用。而有效光照，一部分被吸收利用了，另一部分用来补充空穴，产生空穴电子对。二者的结合会直接影响转化效率。有效照射光的另外一部分转化为了电能。在光强稳定的情况下，太阳能电池温度的升高降低了其输出功率，同时其他因素的光照大小对能量转化也有一定的影响。总结来说，影响太阳能电池转化效率的因素分为三部分：一是太阳能电池的材料影响。不同材料对光的吸收程度不同，从而造成不同的光谱效应。对此，提升太阳能电池的转化率，只能改变表面材料，提升太阳光的吸收强度；二是太阳能电池表面对光的部分反射。降低此因素的影响，可以采用制绒方式，增加表面粗糙程度，以此减少表面对太阳光的反射；三是硅片内部载流子复合情况。可采用表面钝化原理，减少光的损失。

4 高效单晶电池工艺

高效单晶电池工艺是在太阳能电池制备工艺中提升太阳能电池转化率的工艺，包括表面陷光控制和内部载流子复合控制。表面陷光控制包括制绒过程和减少反射膜过程。单晶硅绒面的制备是利用Si的异性腐蚀性，在硅表面形成金字塔结构。原理是Si与NaOH及H2O的反应。减少反射膜过程是进一步减少入射光损失的过程，基本原理是在介质和电池表面增加具有一定折射率的膜，利用干涉原理，抵消其中的干涉作用。对于单晶硅电池，一般采用SiO2、ZnS单层或双层减少反射膜，提高电流密度，防治电池的污染和变色，提高太阳能电池的稳定性。内部载流子复合控制中，包括扩散制节过程和钝化工艺。扩散制结主要是将其他物质溶解，使PN二者实现接触。钝化工艺是太阳能电池制备工艺中的一个重要环节，其目的是防止表面载流子与表面电极发生复合，影响电池性能，钝化可减弱复合，提升电池效率。

5 结语

太阳能电池制备过程工艺的不断优化及先进的结构设计，使太阳能电池的转化与利用效率越来越高。针对太阳能电池制备工艺理论进行了研究。从太阳能电池工作原理出发，展开对硅片制备工艺与技术的分析，并探讨了太阳能电池转化效率及高效单晶电池工艺。希望能为提升中国太阳能电池制备工艺水平提供一份参考，使其制备工艺过程中不断开发新技术，向产业化生产迈进。

参考文献

[1]孙肖林，李路，丁臻星，等.高效径向结纳米线太阳能电池的制备工艺研究[J].电子世界，2016（13）：194-19s.

（作者单位：英利能源（中国）有限公司）