高效單晶硅太陽能電池工藝技術之研究

魏雙雙

摘 要：本文敘述了太陽能電池的工作原理，分析了硅太陽能電池中硅片制備工藝與技術，探討了太陽能電池轉化效率及高效單晶電池工藝。

關鍵詞：高效單晶硅；太陽能電池；工藝技術；研究

1 太陽能電池工作原理

太陽能是一種清潔高效的新型能源，應用太陽能開發的技術具有安全可靠、無污染等特性，例如光伏發電的開發引起了人們極大的關注。由于其制約少、發生故障率低、維護便捷等優勢，近年來，利用硅片太陽能電池的光伏發電應用呈現出指數型發展趨勢。硅片是構成太陽能電池的核心原件，其制造工藝流程也是太陽能電池總工藝中重要的一部分，硅片質量會直接影響到太陽能電池的發電效率。本文將主要基于單晶硅太陽能電池的工藝制備流程，研究太陽能電池的轉化效率。研究其轉化效率，首先要分析太陽能電池的工作原理。太陽能電池是在光電效應和光化學效應的條件下將光能轉化為電能的裝置。當太陽光照射在半導體PN節上，將形成新的空穴電子對，在其電場的作用下，空穴由.區流向P區，電子運動方向則相反，從而形成電流，可用電壓表V測量電池兩端電壓。太陽能的轉化效率一般情況下為18%左右，在理想狀態下，轉化率最高為25%。理論上，單晶硅太陽能電池的轉化率可以達到30%以上。

2 硅太陽能電池中硅片制備工藝與技術

2.1硅片制備工藝

太陽能電池根據其構成材料不同，可分為很多種類。例如，硅太陽能電池、化合物薄膜太陽能電池、聚合物電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池等，其中硅太陽能電池是目前中國發展最為成熟的，也是應用最廣泛的，在所有的太陽能電池種類中占有主導型地位。硅太陽能電池的制備中，硅片的制備工藝流程較為嚴格和復雜。

首先在硅片清洗方面，主要通過化學腐蝕過程去除硅片表面的切痕和雜質，制作絨面表面構造。腐蝕溶液采用濃度為1%的NaOH溶液，在80°C的環境下進行反應，其腐蝕深度最大可達10微米。擴散過程中采用POCl3液態源作為擴散源。在900°C的高溫下使用從將其帶入石英容器。經過P原子的滲入，Si原子間相互作用形成PN結。等離子邊緣腐蝕是采用背靠背擴散的模式，除去引起短路的P原子。去磷硅玻璃流程中，是利用化學方法除去擴散層的SiO2和HF，進而生成溶解于水的物質，使磷硅玻璃（PSG）溶解。減反射膜制備過程，一般情況下，使用增強化學氣相沉積法，將薄膜厚度控制在70nm左右，保持薄膜的透光性。表面金屬化是在PN結的基礎上，采用絲網印刷法，在電池正面和背面形成正負極的引線，在經過低溫及高溫處理，最終形成太陽電池成品?？焖贌Y過程是硅片制備的最后步驟，此時的硅片還不能直接使用，需要燒掉粘合劑，當銀電極和晶體硅達到共晶溫度時，電池片的開路電壓有所變化，具有電阻特性，提高電池的轉換效率。

2.2硅片制備關鍵技術

針對硅片制備的關鍵技術，將主要介紹單晶硅的生長技術。單晶硅的生長是采用高純度多晶硅為原料，在特定的單晶爐內將多晶硅融化，熔融的物質中存在單質硅，凝固時以金剛石晶格的形式排列成許多晶核，其中挑選取向相同的晶體顆粒，將其平行結合就形成了單晶硅。生長方法具體可分為直拉和區熔兩種，獲得的Si均屬于單晶硅。直拉法，是運用熔體的冷凝結晶驅動原理，在固液界面處，藉由熔體溫度下降，將產生由液態轉化成固態的相變化。此方法在生產中適用于低電阻無位錯的單晶硅，用來制作晶體管、二極管等產品。而區熔法對錯位的指標要求比較高，其操作過程無柑鍋技術，該方法具有防治材料污染的優勢，主要用于制作高電阻率的半導體或探測儀等產品。單晶硅材料的應用多采用這兩種方法。在太陽能電池的制備中，單晶硅太陽能電池一般采用直拉法制作。

3 太陽能電池轉化效率

太陽能電池轉化率的檢驗，必須以有太陽光照射為前提。照射在太陽能電池上的光被分割成兩部分，分別是有效和無效照射光。無效照射光是就太陽能電池本身光譜響應而言的。根據特定材料的光譜反應頻段，無法響應的光譜將無法被利用。而有效光照，一部分被吸收利用了，另一部分用來補充空穴，產生空穴電子對。二者的結合會直接影響轉化效率。有效照射光的另外一部分轉化為了電能。在光強穩定的情況下，太陽能電池溫度的升高降低了其輸出功率，同時其他因素的光照大小對能量轉化也有一定的影響?？偨Y來說，影響太陽能電池轉化效率的因素分為三部分：一是太陽能電池的材料影響。不同材料對光的吸收程度不同，從而造成不同的光譜效應。對此，提升太陽能電池的轉化率，只能改變表面材料，提升太陽光的吸收強度；二是太陽能電池表面對光的部分反射。降低此因素的影響，可以采用制絨方式，增加表面粗糙程度，以此減少表面對太陽光的反射；三是硅片內部載流子復合情況?？刹捎帽砻驸g化原理，減少光的損失。

4 高效單晶電池工藝

高效單晶電池工藝是在太陽能電池制備工藝中提升太陽能電池轉化率的工藝，包括表面陷光控制和內部載流子復合控制。表面陷光控制包括制絨過程和減少反射膜過程。單晶硅絨面的制備是利用Si的異性腐蝕性，在硅表面形成金字塔結構。原理是Si與NaOH及H2O的反應。減少反射膜過程是進一步減少入射光損失的過程，基本原理是在介質和電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。對于單晶硅電池，一般采用SiO2、ZnS單層或雙層減少反射膜，提高電流密度，防治電池的污染和變色，提高太陽能電池的穩定性。內部載流子復合控制中，包括擴散制節過程和鈍化工藝。擴散制結主要是將其他物質溶解，使PN二者實現接觸。鈍化工藝是太陽能電池制備工藝中的一個重要環節，其目的是防止表面載流子與表面電極發生復合，影響電池性能，鈍化可減弱復合，提升電池效率。

5 結語

太陽能電池制備過程工藝的不斷優化及先進的結構設計，使太陽能電池的轉化與利用效率越來越高。針對太陽能電池制備工藝理論進行了研究。從太陽能電池工作原理出發，展開對硅片制備工藝與技術的分析，并探討了太陽能電池轉化效率及高效單晶電池工藝。希望能為提升中國太陽能電池制備工藝水平提供一份參考，使其制備工藝過程中不斷開發新技術，向產業化生產邁進。

參考文獻

[1]孫肖林，李路，丁臻星，等.高效徑向結納米線太陽能電池的制備工藝研究[J].電子世界，2016（13）：194-19s.

（作者單位：英利能源（中國）有限公司）