太阳能电池制备工艺理论研究

李倩 常向楠

摘 要：太阳能是一种清洁可再生能源，其中利用半导体等光电材料的光伏发电效应的太阳能电池有良好的前景。本文通过对太阳能电池原理的分析，简单介绍了太阳能电池的生产工艺，希望对行业发展有所帮助。

关键词：原理；转化效率；生产工艺

1 原理

太阳能电池发电是根据爱因斯坦的光电效应；值得注意的是光电效应于射线的强度大小无关，只有频率达到或超越可产生光电效应的阈值时，电流才能产生。能够使半导体产生光电效应的光的最大波长同该半导体的禁带宽度相关，譬如晶体硅的禁带宽度在室温下约为1.155eV，因此必须波长小于1100nm的光线才可以使晶体硅产生光电效应。太阳电池是一种可以将太阳能转换的光电元件，其基本构造是运用P型与N型半导体接合而成的。半导体最基本的材料是“硅”，它是不导电的，但如果在半导体中掺入不同的杂质，就可以做成P型与N型半导体，再利用P型半导体有个电子空穴与N型半导体多了一个自由电子的电位差来产生电流，所以当太阳光照射时，光能将硅原子中的电子激发出来，而产生电子和空穴的对流，这些电子和空穴均会受到内建电位的影响，分别被N型及P型半导体吸引，而聚集在两端。此时外部如果用电极连接起来，形成一个回路，这就是太阳电池发电的原理。

2 太阳能电池转化效率的分析

对于照射到太阳能电池表面的太阳光，应该分成两部分：有效光照和无效光照。所谓无效光照是针对太阳能电池材料本身的光谱响应而言的，特定的材料有特定的光谱响应频段，不能响应的光照，便无法利用。对于有效光照，一部分被太阳能电池表面反射或漫射，一部分被吸收利用，产生空穴-电子对，但是由于空穴-电子对的复合，会对其转化效率产生很大影响，另一部分转化为电能。在光强一定的条件下，当太阳能电池自身温度升高时其输出功率将下降，其他因素如光强的大小等对其能量转换效率也有所影响。可以看出，照射到电池表面上的太阳能的83%以上未能转换为有用能量，相当一部分能量转化成为热能，并使电池温度升高，致电池效率下降。

单晶硅太阳能电池表面的反射或漫射，在源头上造成有效光照的损失，使得太阳能电池的光吸收率降低，而影响其转化效率。表面复合与体内复合是影响电池性能的重要因素。硅片的表面的状态很复杂，不仅有原子的悬挂键，而且有吸附的杂质和外来电荷，这些表面态都会成为复合中心，严重影响少数载流子的收集。硅片内部也存在一些金属杂质和晶体缺陷，它们也会成为复合中心。

总的来说，影响太阳能电池转化效率的因素，主要可以分为三部分：（1）由于太阳能电池材料本身的光谱响应，造成对太阳光谱部分响应，不能有效吸收太阳光，这一问题只有通过新材料的发展来解决。（2）太阳能电池表面对太阳光的反射或漫射，可以采用制绒，或是增加减反射膜的方法。（3）硅片内部载流子的复合，硅太阳电池的表面钝化技术可以解決这个问题，同时提供良好的减反射膜。为了在硅片内部产生更多的电子-空穴对，需要有更多的光子进入硅片内。为了实现这样的过程，硅片表面需要减反射膜，以减少光的反射损失。

3 太阳能电池详细的生产工艺

3.1硅片切割，材料准备

工业制作硅电池所用的单晶硅材料，一般采用坩锅直拉法制的太阳级单晶硅棒，原始的形状为圆柱形，然后切割成方形硅片（或多晶方形硅片），硅片的边长一般为10～15cm，厚度约200～350um，电阻率约1Ω.cm的p型（全球节能环保网掺硼）。

3.2去除损伤层

硅片在切割过程会产生大量的表面缺陷，这就会产生两个问题，首先表面的质量较差，另外这些表面缺陷会在电池制造过程中导致碎片增多。因此要将切割损伤层去除，一般采用碱或酸腐蚀，腐蚀的厚度约10um。

3.3制绒

制绒，就是把相对光滑的原材料硅片的表面通过酸或碱腐蚀，使其凸凹不平，变得粗糙，形成漫反射，减少直射到硅片表面的太阳能的损失。对于单晶硅来说一般采用NaOH加醇的方法腐蚀，利用单晶硅的各向异性腐蚀，在表面形成无数的金字塔结构，碱液的温度约80度，浓度约1～2%，腐蚀时间约15分钟。对于多晶来说，一般采用酸法腐蚀。

3.4扩散制结

扩散的目的在于形成PN结。普遍采用磷做n型掺杂。由于固态扩散需要很高的温度，因此在扩散前硅片表面的洁净非常重要，要求硅片在制绒后要进行清洗，即用酸来中和硅片表面的碱残留和金属杂质。

3.5边缘刻蚀、清洗

扩散过程中，在硅片的周边表面也形成了扩散层。周边扩散层使电池的上下电极形成短路环，必须将它除去。周边上存在任何微小的局部短路都会使电池并联电阻下降，以至成为废品。目前，工业化生产用等离子干法腐蚀，在辉光放电条件下通过氟和氧交替对硅作用，去除含有扩散层的周边。

扩散后清洗的目的是去除扩散过程中形成的磷硅玻璃。

3.6沉积减反射层

沉积减反射层的目的在于减少表面反射，增加折射率。广泛使用PECVD淀积SiN，由于PECVD淀积SiN时，不光是生长SiN作为减反射膜，同时生成了大量的原子氢，这些氢原子能对多晶硅片具有表面钝化和体钝化的双重作用，可用于大批量生产。

3.7丝网印刷上下电极

电极的制备是太阳电池制备过程中一个至关重要的步骤，它不仅决定了发射区的结构，而且也决定了电池的串联电阻和电池表面被金属覆盖的面积。最早采用真空蒸镀或化学电镀技术，而现在普遍采用丝网印刷法，即通过特殊的印刷机和模版将银浆铝浆（银铝浆）印刷在太阳电池的正背面，以形成正负电极引线。

3.8共烧形成金属接触

晶体硅太阳电池要通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的带有金属电极欧姆接触，共烧工艺只需一次烧结，同时形成上下电极的欧姆接触。在太阳电池丝网印刷电极制作中，通常采用链式烧结炉进行快速烧结。

3.9电池片测试

完成的电池片经过测试分档进行归类。

4 结语

总之，随着一些新理念、新设想的不断提出和制造技术的日益成熟，太阳能电池的效率会不断得到提高，而其制造成本会进一步降低，更有利于产业化。

参考文献

[1] 魏奎先，戴永年，马文会等.太阳能电池硅转换材料现状及发展趋势[J].轻金属，2006，（2）：52-56

[2] 郭浩，丁丽，刘向阳.太阳能电池的研究现状及发展趋势[J].许昌学院学报，2006，25（2）：38-41

（作者单位：英利能源（中国）有限公司）