太陽能電池制備工藝理論研究

李倩 常向楠

摘 要：太陽能是一種清潔可再生能源，其中利用半導體等光電材料的光伏發電效應的太陽能電池有良好的前景。本文通過對太陽能電池原理的分析，簡單介紹了太陽能電池的生產工藝，希望對行業發展有所幫助。

關鍵詞：原理；轉化效率；生產工藝

1 原理

太陽能電池發電是根據愛因斯坦的光電效應；值得注意的是光電效應于射線的強度大小無關，只有頻率達到或超越可產生光電效應的閾值時，電流才能產生。能夠使半導體產生光電效應的光的最大波長同該半導體的禁帶寬度相關，譬如晶體硅的禁帶寬度在室溫下約為1.155eV，因此必須波長小于1100nm的光線才可以使晶體硅產生光電效應。太陽電池是一種可以將太陽能轉換的光電元件，其基本構造是運用P型與N型半導體接合而成的。半導體最基本的材料是“硅”，它是不導電的，但如果在半導體中摻入不同的雜質，就可以做成P型與N型半導體，再利用P型半導體有個電子空穴與N型半導體多了一個自由電子的電位差來產生電流，所以當太陽光照射時，光能將硅原子中的電子激發出來，而產生電子和空穴的對流，這些電子和空穴均會受到內建電位的影響，分別被N型及P型半導體吸引，而聚集在兩端。此時外部如果用電極連接起來，形成一個回路，這就是太陽電池發電的原理。

2 太陽能電池轉化效率的分析

對于照射到太陽能電池表面的太陽光，應該分成兩部分：有效光照和無效光照。所謂無效光照是針對太陽能電池材料本身的光譜響應而言的，特定的材料有特定的光譜響應頻段，不能響應的光照，便無法利用。對于有效光照，一部分被太陽能電池表面反射或漫射，一部分被吸收利用，產生空穴-電子對，但是由于空穴-電子對的復合，會對其轉化效率產生很大影響，另一部分轉化為電能。在光強一定的條件下，當太陽能電池自身溫度升高時其輸出功率將下降，其他因素如光強的大小等對其能量轉換效率也有所影響。可以看出，照射到電池表面上的太陽能的83%以上未能轉換為有用能量，相當一部分能量轉化成為熱能，并使電池溫度升高，致電池效率下降。

單晶硅太陽能電池表面的反射或漫射，在源頭上造成有效光照的損失，使得太陽能電池的光吸收率降低，而影響其轉化效率。表面復合與體內復合是影響電池性能的重要因素。硅片的表面的狀態很復雜，不僅有原子的懸掛鍵，而且有吸附的雜質和外來電荷，這些表面態都會成為復合中心，嚴重影響少數載流子的收集。硅片內部也存在一些金屬雜質和晶體缺陷，它們也會成為復合中心。

總的來說，影響太陽能電池轉化效率的因素，主要可以分為三部分：（1）由于太陽能電池材料本身的光譜響應，造成對太陽光譜部分響應，不能有效吸收太陽光，這一問題只有通過新材料的發展來解決。（2）太陽能電池表面對太陽光的反射或漫射，可以采用制絨，或是增加減反射膜的方法。（3）硅片內部載流子的復合，硅太陽電池的表面鈍化技術可以解決這個問題，同時提供良好的減反射膜。為了在硅片內部產生更多的電子-空穴對，需要有更多的光子進入硅片內。為了實現這樣的過程，硅片表面需要減反射膜，以減少光的反射損失。

3 太陽能電池詳細的生產工藝

3.1硅片切割，材料準備

工業制作硅電池所用的單晶硅材料，一般采用坩鍋直拉法制的太陽級單晶硅棒，原始的形狀為圓柱形，然后切割成方形硅片（或多晶方形硅片），硅片的邊長一般為10～15cm，厚度約200～350um，電阻率約1Ω.cm的p型（全球節能環保網摻硼）。

3.2去除損傷層

硅片在切割過程會產生大量的表面缺陷，這就會產生兩個問題，首先表面的質量較差，另外這些表面缺陷會在電池制造過程中導致碎片增多。因此要將切割損傷層去除，一般采用堿或酸腐蝕，腐蝕的厚度約10um。

3.3制絨

制絨，就是把相對光滑的原材料硅片的表面通過酸或堿腐蝕，使其凸凹不平，變得粗糙，形成漫反射，減少直射到硅片表面的太陽能的損失。對于單晶硅來說一般采用NaOH加醇的方法腐蝕，利用單晶硅的各向異性腐蝕，在表面形成無數的金字塔結構，堿液的溫度約80度，濃度約1～2%，腐蝕時間約15分鐘。對于多晶來說，一般采用酸法腐蝕。

3.4擴散制結

擴散的目的在于形成PN結。普遍采用磷做n型摻雜。由于固態擴散需要很高的溫度，因此在擴散前硅片表面的潔凈非常重要，要求硅片在制絨后要進行清洗，即用酸來中和硅片表面的堿殘留和金屬雜質。

3.5邊緣刻蝕、清洗

擴散過程中，在硅片的周邊表面也形成了擴散層。周邊擴散層使電池的上下電極形成短路環，必須將它除去。周邊上存在任何微小的局部短路都會使電池并聯電阻下降，以至成為廢品。目前，工業化生產用等離子干法腐蝕，在輝光放電條件下通過氟和氧交替對硅作用，去除含有擴散層的周邊。

擴散后清洗的目的是去除擴散過程中形成的磷硅玻璃。

3.6沉積減反射層

沉積減反射層的目的在于減少表面反射，增加折射率。廣泛使用PECVD淀積SiN，由于PECVD淀積SiN時，不光是生長SiN作為減反射膜，同時生成了大量的原子氫，這些氫原子能對多晶硅片具有表面鈍化和體鈍化的雙重作用，可用于大批量生產。

3.7絲網印刷上下電極

電極的制備是太陽電池制備過程中一個至關重要的步驟，它不僅決定了發射區的結構，而且也決定了電池的串聯電阻和電池表面被金屬覆蓋的面積。最早采用真空蒸鍍或化學電鍍技術，而現在普遍采用絲網印刷法，即通過特殊的印刷機和模版將銀漿鋁漿（銀鋁漿）印刷在太陽電池的正背面，以形成正負電極引線。

3.8共燒形成金屬接觸

晶體硅太陽電池要通過三次印刷金屬漿料，傳統工藝要用二次燒結才能形成良好的帶有金屬電極歐姆接觸，共燒工藝只需一次燒結，同時形成上下電極的歐姆接觸。在太陽電池絲網印刷電極制作中，通常采用鏈式燒結爐進行快速燒結。

3.9電池片測試

完成的電池片經過測試分檔進行歸類。

4 結語

總之，隨著一些新理念、新設想的不斷提出和制造技術的日益成熟，太陽能電池的效率會不斷得到提高，而其制造成本會進一步降低，更有利于產業化。

參考文獻

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[2] 郭浩，丁麗，劉向陽.太陽能電池的研究現狀及發展趨勢[J].許昌學院學報，2006，25（2）：38-41

（作者單位：英利能源（中國）有限公司）