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单晶黑硅太阳能电池特性研究
中国科技论文在线http://www.单晶黑硅太阳能电池特性研究张恩阳，刘爱民，赵增超，杨帆，李永祥**5 （大连理工大学物理与光电工程学院，大连 116024） 摘要：本本文主要研究了单晶黑硅太阳能电池的特性。在具有金字塔的 p 型单晶（100）硅 片表面， 通过银纳米粒子辅助刻蚀制备了纳米线阵列， 并以此为衬底按照太阳能电池的生产 工艺制备了单晶黑硅太阳能电池。 通过与普通单晶硅太阳能电池的对比， 发现黑硅太阳能电 池具有优良减反射能力，但其电池性能却低于普通电池。随后经过量子效率测定，软件模拟 与瞬态表面光伏响应测量， 证明了影响其电池性能的主要因素是高密度的表面缺陷所造成的 表面复合，以及纳米结构内死层的存在。 关键词：太阳能电池；反射率；表面光伏；量子效率 中图分类号：TM914.41015Study on the characteristics of monocrystalline black silicon solar cellsZhang Enyang, Liu Aimin, Zhao Zengchao, Yang Fan, Li Yongxiang(School of Physics and Optoelectronic Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024) Abstract: In this paper, characteristics of monocrystalline black silicon solar cells were investigated. Vertically aligned monocrystalline （100） silicon nanowires on p-type Si surface with pyramid structures were prepare by silver-nanoparticle-assisted etching. And in accordance with the monocrystalline solar cell production process，black silicon solar cells were prepared. Compared with the ordinary monocrystalline silicon solar cells, the black silicon solar cells have excellent anti-reflection capability, but the average performance of black silicon solar cells was lower than the ordinary monocrystalline silicon solar cells. By quantum efficiency measurement, software simulation and transient surface photovoltage response measurement, demonstrated that the main factors affecting the efficiency are surface recombination caused by surface defects and the presence of the dead layer in the nanostructure. Key words:
quantum efficiency2025300 引言目前， 太阳能作为可再生的清洁能源， 在我们社会的每一个领域中发挥着越来越重要的 作用。太阳能电池，特别是晶体硅太阳能电池，其工业化生产技术已经十分成熟。其中单晶 35 硅太阳能电池光电转换效率，在工业生产中已经可以达到 19%。根据光伏基本原理，太阳 能电池的转换效率主要取决于光的吸收和电学损失。 着眼于减少光损耗， 晶体硅光伏产业在 发展过程中， 采取了许多措施来提高转换效率。 近来， 表面采用纳米结构的黑硅太阳能电池， 由于其优异的减反射（AR）能力倍受关注[1-3]。黑硅的制备方法包括反应离子蚀刻[4]，等离 子体蚀刻[5]，金属纳米粒子辅助刻蚀[6]，飞秒激光扫描法蚀刻[7]等。在这些方法中，金属纳 40 米粒子辅助刻蚀，由于其简单的工艺、低廉的成本，展现了巨大的发展潜力。虽然黑硅具有 超低的表面反射率， 但黑硅太阳能电池的转换效率却低于普通太阳能电池。 这是因为高密度 表面缺陷的存在加剧了光生载流子的复合[8]。 在我们的研究中，我们使用金属纳米粒子辅助刻蚀的方法在 p 型单晶（100）硅片表面作者简介：张恩阳（1988-），男，硕士，太阳能电池 通信联系人：刘爱民（1967-），男，教授，太阳能电池. E-mail: aiminl@-1-中国科技论文在线45 阳能电池进行对比，研究了黑硅表面对电池性能的影响。http://www.制备金字塔/纳米线双结构绒面的 AR 层，并将其加工为太阳能电池，通过与普通工艺的太1 实验实验中以电阻率 1~3Ωcm，面积 15.6× 15.6cm2 和厚度为 200±20μm 的 p 型（100）单晶 硅硅片作为衬底，制备两组不同表面结构的样品（A）和样品（B）。 样品 A，首先将其浸在 10％的 HF 中 1 分钟，以消除氧化层，并在去离子水中漂洗。然 50 后将硅片放入氢氧化钾（KOH）和 IPA 混合溶液中在 80℃下反应 20 分钟，其中 KOH 和 IPA 溶液的浓度分别为 1%和 5%。上述工艺步骤称为碱刻蚀工艺，目的是形成表面金字塔 结构。 样品 B，在经过了与样品 A 相同的碱刻蚀工艺后，进行金属离子辅助刻蚀。蚀刻过程 主要包括以下两个步骤。首先，将硅片放入溶液Ⅰ中反应，目的是实现银纳米粒子在硅样品 55 上的沉积。随后，进行刻蚀过程，室温条件下，衬底浸在溶液Ⅱ中，来制备金字塔/纳米线 双结构表面。最后，为了完全去掉在衬底上的银层，将样品放入金属刻蚀剂中，这种混合溶 液中包含氨水 、双氧水和去离子水，其体积比为 1:1:5。接着，我们把样品用去离子水清洗 最后用氮气吹干。 溶液Ⅰ和溶液Ⅱ分别为： 60 溶液Ⅰ（金属化）：0.01M/L AgNO3 和 4％ HF 溶液Ⅱ（蚀刻）：4％ HF 和 1.2％ H2O2 在太阳能电池的制造中，样品 A 和 B 分别经过三氯氧磷在 860℃扩散形成 pn 结，发射 极的方块电阻为 55Ω/□。使用等离子体去边后，利用 10％的 HF 溶液，除去磷硅玻璃（PSG） 层。钝化过程中，样品 A 利用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）沉积 SiNx，从而起到 65 减反射和钝化的目的。而样品 B 通过温度为 850℃，15 分钟的热氧化，生长 SiO2 钝化层。 最后，采用丝网印刷制作正反电极，并在烧结炉中烧结以形成欧姆接触，完成太阳能电池的 制备。 通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)得到样品的形貌， 利用积分球式分光光度计测量反 射率，使用光谱仪测量太阳电池内量子效率，使用太阳电池分选仪测量太阳电池 I-V 性能， 70 利用瞬态表面光伏技术（SPV）测量瞬态表面光伏响应。2 结果与讨论在制备金字塔/纳米线双结构表面样品 B 时，我们参照金属纳米粒子辅助刻蚀的基本原 理， 纳米线的形成其实是银纳米颗粒诱导的选择性蚀刻工艺， 其中银纳米颗粒是否均匀分布 在硅片表面将直接影响生成纳米线的质量。反应机理可理解为电化学反应： 75 阴极反应： （1） 阳极反应： （2） （3） 80 图 1 P 型（100）硅片表面经过金属化和刻蚀后的 SEM 图中，图 1（a）为扫描电子显微 镜下的样品表面形貌，是样品 B 经过在溶液Ⅰ中反应 2 分钟后在溶液Ⅱ中反应 1 分钟后所 观察到的，图 1 中图 1（b）所示为样品截面形貌。样品表面的金字塔高约为 3μm，所生长-2-中国科技论文在线的纳米线长度约为 200nm，直径约为 50nm。http://www.85图 1 P 型（100）硅片表面经过金属化和刻蚀后的 SEM 图, （a）表面形貌；（b）截面形貌 Fig.1 SEM images of a P-Si(100) sample after metallization and etch, (a) top view, (b) cross-sectional view90 对于黑硅太阳能电池， 表面金字塔和纳米线的尺寸与分布将直接影响其表面反射率的大 小。图 2 为仅有金字塔结构的样品 A 与拥有金字塔/纳米线双结构样品 B 的表面反射率对比 图。 根据有效反射率的计算公式[9]： 95 其中 R( )为反射率，N （4） 为在 AM 1.5 的标准条件下太阳辐射通量。我们可以计算出350~1100nm 波长范围内，样品 A 表面的有效反射率为 16.32%，而样品 B 表面的有效反射 率为 3.53%。这种光学特性是因为光在纳米线结构中经过多次散射，减少了反射、增强了光 吸收。纳米线的吸收在短波波段更高，在长波波段较低，这是由纳米线的长度所引起的，可 100 以通过延长纳米线的长度进行克服。另外，在近红外波段样品 B 的吸收也明显强于样品 A， 这主要由两方面原因引起， 其一是反射率的显著降低， 其二是纳米线结构导致的缺陷等对光 子具有更强的捕获能力[10]。105图 2 A 与 B 反射率对比 Fig.2 The contrast curve of reflectance of A and B-3-中国科技论文在线http://www.样品 A 和 B 制备太阳能电池时，采用相同的生产工艺。唯一的区别在于样品 A 使用 PECVD 沉积 SiNx 膜用于减反射和钝化；而样品 B 使用热氧化工艺，通过在 850℃下热处理 110 15 分钟，生长 SiO2 从而起到钝化效果。通过对两组单晶硅太阳能电池进行 I-V 测量，获得 了 A 电池和 B 电池的参数，如表 1 所示。其中 Voc 为开路电压，Isc 为短路电流，Rs 为串联 电阻，Rsh 为并联电阻，FF 为填充因子，η 为转换效率。测试结果显示样品 B 较样品 A 开 路电压略有下降，降幅为 0.01V；而短路电流的下降十分明显，降幅为 0.89A；填充因子和 转换效率分别降低 0.65%和 1.99%。 115表 1 A 和 B 太阳能电池的平均电池参数 Tab.1The average electrical parameters of A and B solar cells 样品 A B Voc(V) 0.629 0.619 Isc(A) 8.94 8.05 Rs(Ω) 0.2 Rsh(Ω) 74.35 41.34 FF(%) 79.86 79.21 η (%) 18.50 16.51为了进一步分析 B 电池相对于 A 电池参数变化的原因，分别测定了 A 电池，B 电池以 120 及未经钝化的 B 电池的内量子效率，结果如图 3 所示。我们发现 B 电池和 A 电池在 950~1100nm 长波波段光谱响应较为接近，这主要是因为，一方面 B 电池反射率有了的显著 降低；另一方面波长较长的光穿透较深，主要在太阳能电池体内被吸收。而对于 350~950nm 波段，A 电池的内量子效率明显高于 B 电池，钝化后的 B 电池内量子效率也明显高于未经 钝化的 B 电池。这是由于，纳米线结构具有更大的表面积，表面缺陷所造成的表面复合也 125 远远大于普通太阳能电池，而正是高密度表面缺陷的存在加剧了光生载流子的复合。因此， 它们之间的内量子效率差异可以认定是主要由钝化不完全所导致的。 另外，n+/n/p 型硅太阳能电池的发射区 n+是由 POCl3 高温扩散形成的高浓度浅结区域。 大量电学性质不活泼的磷原子存在于晶格间隙中， 从而导致该区域晶格缺陷严重， 而越靠近 表面，间隙磷原子越多，磷与硅原子的半径不匹配，高浓度的磷还会引起晶格失配。因此在 130 电池的表层，光生载流子的寿命很低，而表层主要吸收短波光子，这样就导致短波光子所产 生的光生载流子对电池的光电流贡献很小。对于黑硅电池 B，其表面为金字塔/纳米线双结 构，纳米线长度约为 200nm，直径约为 50nm，这样的表面本身就拥有高密度的表面缺陷。 再考虑到磷原子极易在纳米线内富集，其短波响应将必然受到影响。135图 3 拥有 SiNx 钝化膜的 A 电池、拥有 SiO2 钝化膜的 B 电池以及未经钝化的 B 电池的内量子效率-4-中国科技论文在线140http://www.Fig.3 Internal quantum efficiency spectra of solar cells A with SiNx passivation coating, B with SiO2 passivation coating and B without passivation coating为了验证上述结论，我们运用 PC1D 软件按照生产工艺的实际情况设置，进行相应的模 拟， 生成不同条件下单晶硅太阳能电池的内量子效率。 如图 4 单晶太阳能电池内量子效率图 所示，图 4（a）为不同表面复合速率的黑硅电池内量子效率对比图，其中表面复合速率分 别取 0cm/s、103cm/s、104cm/s 和 105cm/s。当表面复合速率小于 145 cm/s 时，我们发现内量 子效率几乎无变化，而随着复合速率的逐渐增加，其对内量子效率的影响越来越明显。通常 黑硅太阳能电池表面的复合速率为 104~ 105cm/s [11]，这是由于其表面积较大且结构尺寸较 小，难以进行彻底的钝化，从而增大了光生载流子在其表面的复合几率，最终导致电池性能 降低。图 4 中图 4（b）为不同死层厚度的黑硅电池内量子效率对比图，其中死层厚度分别 设置为无死层、20nm、50nm 和 100nm。随着死层的厚度降低，电池对短波波段的光谱响应 150 明显加强， 这是由表层吸收的短波光子所产生的光生载流子对太阳电池光电流的贡献逐渐增 强所导致的。ab155图 4 单晶太阳能电池内量子效率，（a）不同表面符合速率，（b）不同死层厚度 Fig.4 Internal quantum efficiency spectra of monocrystalline silicon solar cells, (a) with different surface recombination velocity, (b) with different dead layer thickness为了进一步探究黑硅太阳能电池表面结构对电池性能的影响， 我们进行了瞬态表面光伏 160 谱的测量。如图 5 波长为 532nm，能量为 128μJ 脉冲激光下，瞬态表面光伏响应图中，图 5 （a）为金字塔结构的 p 型单晶样品 A 与金字塔/纳米线双结构的 p 型单晶样品 B 瞬态表面 光伏响应（SPV）对比图。对于 p 型半导体，其表面空间电荷区内存在向下弯曲的能带，即 存在一个由表面指向体内的自建电场。当样品表面被光照射时，产生光生载流子，在表面空 间电荷区内建电场的作用下，电子向表面迁移，空穴向体内迁移，瞬态光伏响应为负，并随 165 着激光脉冲的照射迅速下降。通过对比，发现黑硅样品 B 由于其反射率低，光子捕获能力 强，使得其瞬态表面光伏响应更加迅速，光生少数载流子也更多；但随着脉冲激光的消失， 因其更大的表面积、更多的表面缺陷，使得载流子复合速率更快。 图 5 中的图 5（b）为钝化后的 A 电池与 B 电池瞬态 SPV 对比图。B 电池的瞬态光伏响 应信号极性随着时间发生改变：首先出现正信号，随后又转变为负信号，信号发生反转的时 170 间大概在 s。我们认为这种现象是 n 型重掺杂，扩散作用形成的电场和 pn 结内建电 场，三者影响叠加所造成的。由于黑硅表面纳米线阵列的存在，扩散时很容易在纳米线内形-5-中国科技论文在线成重掺杂，而越向体内掺杂浓度越低，因此在靠近表面的 空穴和电子，瞬态光伏响应的极性即为正，在约 175http://www.区形成了一个表面空间电荷区，存在一个由体内指向表面的自建电场。 当激光激发出光生载流子时， 由于电场作用从而分离 s 时达到最大值。而随着光照产生 的电子-空穴对继续向体内扩散，由于半导体中电子的扩散速度大于空穴，由扩散速度不同 引起的电子深入体内，而空穴靠近表面，形成了指向体内的电场。同时由于太阳能电池采用 浅结工艺，受到 pn 结内建电场的影响。自 s 开始光生载流子扩散引起的载流子分离 和 pn 结引起的载流子分离成为最主要的两种分离机制，使得 B 电池的表面光伏响应极性又 逐渐变为负。正是由于黑硅表面重掺杂，使得表面光伏响应出现变化，影响了电池的效率。 180 虽然钝化后的 B 电池其光生少数载流子的复合速率明显要慢于未钝化的 B 电池；但与 A 电 池相比，由于 B 电池表面钝化不理想，复合速率更快[12-13]。ab图 5 在波长为 532nm，能量为 128μJ 脉冲激光下，瞬态表面光伏响应：（a）未钝化的 p 型衬底 A 与 B，185（b）钝化了后的 n 型表面 A、B 电池 Fig.5 Transient photovoltage, (a) p-type substrate unpassivated A and B , (b)n-type surface passivated Aand B solar cell. The wavelength and intensity of excitation pulse are 532nm and 128μJ, respectively.3 结论190 本文利用金属纳米粒子辅助刻蚀法， p 型单晶硅片上制备了平均反射率为 3.53%的金 在 字塔/纳米线表面结构。然后，按照太阳能电池的生产工艺进行电池的制备，最后采用热氧 化生长 SiO2 对黑硅电池进行钝化。 通过与普通工艺制备的太阳能电池性能对比， 我们发现， 黑硅电池的效率下降了 1.99%，这主要是由于短路电流下降了 0.89A。通过内量子效率的比 较，软件模拟以及使用瞬态 SPV 测量技术，证明了主要引起短路电流损失严重的原因是高 195 密度的表面缺陷所造成的表面复合； 另外纳米结构内磷原子的富集导致死层的出现也严重影 响着电池性能。鉴于黑硅表面复杂的纳米结构，未来可采用湿法化学钝化，来改善其钝化效 果；采用刻槽埋栅技术，进一步减小遮光面积，仅对电极接触部位重掺杂，从而减小死层的 影响。 [参考文献] (References) 200[1] Abdelkader Ben Jaballah, Besma Moumni, Brahim Bessais. Formation, rapid thermal oxidation and passivation of solar grade silicon nanowires for advanced photovoltaic applications[J]. Solar Energy, 55-1961. [2] Yang Xia, Bangwu Liu, Jie Liu, Zenan Shen, Chaobo Li. A novel method to produce black silicon for solar cells[J]. Solar Energy, 74-1578. -6-中国科技论文在线205http://www.210215220225[3] J.S. Yoo, I.O. Parm, U. Gangopadhyay, Kyunghae Kim, S.K. Dhungel, D. Mangalaraj, Junsin Yi. 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华东理工大学硕士学位论文
硅太阳能电池正面 电极用银电子浆料制备及性能的研究
本工作研究了硅太阳能电池正面电极用银电子浆料制备与性能。以超细银粉为银浆
料的导电功能，通过SEM、XRI)、粒度分析仪等分析研究了还原剂种类、还原剂浓度、
还原剂与银的摩尔比、保护剂、反应体系温度、混料方式、催化剂等制备条件对超细银
粉的粒径、形貌等性能的影响。在控制一定的反应条件下，得到0.1一8.0协m球形或类
球形的银粉;以Pbo一5102一A12伪一B20。系统玻璃作为浆料的无机玻璃相，研究了
Pbo一51仇一A12氏一B203系统玻璃的密度和软化温度与其组成之间的关系，以及球磨条件和
玻璃组分对玻璃粉体球磨效果的影响。Pbo一51伍一A12伪一BZ氏系统玻璃密度在 44一6.4
/gc耐，软化温度在557一398 ℃。经球磨后，玻璃粉体的粒径可降至仓8一4，lpm之间，
能满足银电极的烧结要求;以松油醇和乙基纤维素作为浆料的有机载体，通过对银史子
浆料触变性和刮板细度的研究，表明乙基纤维素加入量和银粉粒径是影响浆料触变性的
重要因素。当剪切速率为05一时‘，浆料的粘度为836一30oOPa5·，svl值均大于01。，刮
板细度为7一90pm。采用手工丝网印刷和快速高温烧结法制备电极，并通过作图的传输
线法和 SEM观察测定了电极的结构和比接触电阻率。结果表明，导致电极的比接触电
阻率随银粉粒径的增大而降低，而无机相中铅含量的增加可使浆料中的银粉颗粒更容易
熔化，使得电极的比接触电阻率随无机玻璃相中铅含量的增加而减小。银电极的厚度约
为8一01，:m，其内部为多孔结构，比接触电阻率为0.06一0.63ocmZ。
关键词:硅太阳能电池:正面电极:丝网印刷:银电子浆料:比接触电阻率
华东理工大学硕士学位论文
PreParationandProPertiesofsivler-basde electronicPasteofrrfontcon招ct
ofsilieonS0larCell
ThePrimaryobjectvie0fthePresentworkisotdeveloPt】lesilver-basdee】ectronciPaste
ofrrofntcontactofsiliconsolracell.Utlr-afine silverpraticleswereusedasconatctPhaseof
silvre一basde Patses.Di月贻rnetafctorssuch astyPeand concentratOinofreductant，
NZ比H·ZO/Agmolraratoi，protectiveagellt，reactlnotemperature ，~ nigmode，catalytswere
probedwihtrePsectotU1eireffectsonPatI’iclesizeandsh即eofultra.finesilverPratciles.The
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Millingconditionandocl11Postiionofglassxeerteffectsonthemillingresult.Afterpln
正在加载中，请稍后...单晶硅太阳能电池；1.基本结构；2.太阳能电池片的化学清洗工艺；切片要求：①切割精度高、表面平行度高、翘曲度和厚；1、有机杂质沾污：可通过有机试剂的溶解作用，结合；2、颗粒沾污：运用物理的方法可采机械擦洗或兆声波；3、金属离子沾污：该污染必须采用化学的方法才能将；1、用H2O2作强氧化剂，使“电镀”附着到硅表面；2、用无害的小直径强正离子（如H+），一般用H
单晶硅太阳能电池 1. 基本 结构
2.太阳能电池片的化学清洗工艺 切片要求：①切割精度高、表面平行度高、翘曲度和厚度公差小。②断面完整性好，消除拉丝、刀痕和微裂纹。③提高成品率，缩小刀(钢丝)切缝，降低原材料损耗。④提高切割速度，实现自动化切割。
具体来说太阳能硅片表面沾污大致可分为三类：
1、有机杂质沾污： 可通过有机试剂的溶解作用，结合兆声波清洗技术来去除。
2、颗粒沾污：运用物理的方法可采机械擦洗或兆声波清洗技术来去除粒径 ≥ 0.4 μm颗粒，利用兆声波可去除 ≥ 0.2 μm颗粒。
3、金属离子沾污：该污染必须采用化学的方法才能将其清洗掉。硅片表面金属杂质沾污又可分为两大类： （1）、沾污离子或原子通过吸附分散附着在硅片表面。 （2）、带正电的金属离子得到电子后面附着（尤如“电镀”）到硅片表面。 1、用 H2O2作强氧化剂，使“电镀”附着到硅表面的金属离子氧化成金属，溶解在清洗液中或吸附在硅片表面。
2、用无害的小直径强正离子（如H+），一般用HCL作为H+的来源，替代吸附在硅片表面的金属离子，使其溶解于清洗液中，从而清除金属离子。
3、用大量去离子水进行超声波清洗，以排除溶液中的金属离子。
由于SC-1是H2O2和NH4OH的碱性溶液，通过H2O2的强氧化和NH4OH的溶解作用，使有机物沾污变成水溶性化合物，随去离子水的冲洗而被排除；同时溶液具有强氧化性和络合性，能氧化Cr、Cu、Zn、Ag、Ni、Co、Ca、Fe、Mg等，使其变成高价离子，然后进一步与碱作用，生成可溶性络合物而随去离子水的冲洗而被去除。因此用SC-1液清洗抛光片既能去除有机沾污，亦能去除某些金属沾污。在使用SC-1液时结合使用兆声波来清洗可获得更好的清洗效果。
另外SC-2是H2O2和HCL的酸性溶液，具有极强的氧化性和络合性，能与氧化以前的金属作用生成盐随去离子水冲洗而被去除。被氧化的金属离子与CL-作用生成的可溶性络合物亦随去离子水冲洗而被去除。 3.太阳能电池片制作工艺流程图 具体的制作工艺说明 （1） 切片：采用多线切割，将硅棒切割成正方形的硅片。 （2） 清洗：用常规的硅片清洗方法清洗，然后用酸（或碱）溶液将硅片表面切割损伤层除去30－50um。 （3） 制备绒面：用碱溶液对硅片进行各向异性腐蚀在硅片表面制备绒面。 （4） 磷扩散：采用涂布源（或液态源，或固态氮化磷片状源）进行扩散，制成PN＋结，结深一般为0.3－0.5um。 （5） 周边刻蚀：扩散时在硅片周边表面形成的扩散层，会使电池上下电极短路，用掩蔽湿法腐蚀或等离子干法腐蚀去除周边扩散层。 （6） 去除背面PN＋结。常用湿法腐蚀或磨片法除去背面PN＋结。 （7） 制作上下电极：用真空蒸镀、化学镀镍或铝浆印刷烧结等工艺。先制作下电极，然后制作上电极。铝浆印刷是大量采用的工艺方法。 （8） 制作减反射膜：为了减少入反射损失，要在硅片表面上覆盖一层减反射膜。制作减反射膜的材料有MgF2 ，SiO2 ，Al2O3 ，SiO ，Si3N4 ，TiO2 ，Ta2O5等。工艺方法可用真空镀膜法、离子镀膜法，溅射法、印刷法、PECVD法或喷涂法等。 （9） 烧结：将电池芯片烧结于镍或铜的底板上。 （10）测试分档：按规定参数规范，测试分类。 生产电池片的工艺比较复杂，一般要经过硅片检测、表面制绒、扩散制结、去磷硅玻璃、等离子刻蚀、镀减反射膜、丝网印刷、快速烧结和检测分装等主要步骤。本文介绍的是晶硅太阳能电池片生产的一般工艺与设备。
一、硅片检测 硅片是太阳能电池片的载体，硅片质量的好坏直接决定了太阳能电池片转换效率的高低，因此需要对来料硅片进行检测。该工序主要用来对硅片的一些技术参数进行在线测量，这些参数主要包括硅片表面不平整度、少子寿命、电阻率、P/N型和微裂纹等。该组设备分自动上下料、硅片传输、系统整合部分和四个检测模块。其中，光伏硅片检测仪对硅片表面不平整度进行检测,同时检测硅片的尺寸和对角线等外观参数；微裂纹检测模块用来检测硅片的内部微裂纹；另外还有两个检测模组，其中一个在线测试模组主要测试硅片体电阻率和硅片类型，另一个模块用于检测硅片的少子寿命。在进行少子寿命和电阻率检测之前，需要先对硅片的对角线、微裂纹进行检测，并自动剔除破损硅片。硅片检测设备能够自动装片和卸片，并且能够将不合格品放到固定位置，从而提高检测精度和效率。 二、表面制绒 单晶硅绒面的制备是利用硅的各向异性腐蚀，在每平方厘米硅表面形成几百万个四面方锥体也即金字塔结构。由于入射光在表面的多次反射和折射，增加了光的吸收，提高了电池的短路电流和转换效率。硅的各向异性腐蚀液通常用热的碱性溶液，可用的碱有氢氧化钠，氢氧化钾、氢氧化锂和乙二胺等。大多使用廉价的浓度约为1%的氢氧化钠稀溶液来制备绒面硅，腐蚀温度为70-85℃。为了获得均匀的绒面，还应在溶液中酌量添加醇类如乙醇和异丙醇等作为络合剂，以加快硅的腐蚀。制备绒面前，硅片须先进行初步表面腐蚀，用碱性或酸性腐蚀液蚀去约20～25μm，在腐蚀绒面后，进行一般的化学清洗。经过表面准备的硅片都不宜在水中久存，以防沾污，应尽快扩散制结。 三、扩散制结 太阳能电池需要一个大面积的PN结以实现光能到电能的转换，而扩散炉即为制造太阳能电池PN结的专用设备。管式扩散炉主要由石英舟的上下载部分、废气室、炉体部分和气柜部分等四大部分组成。扩散一般用三氯氧磷液态源作为扩散源。把P型硅片放在管式扩散炉的石英容器内，在850---900摄氏度高温下使用氮气将三氯氧磷带入石英容器，通过三氯氧磷和硅片进行反应，得到磷原子。经过一定时间，磷原子从四周进入硅片的表面层，并且通过硅原子之间的空隙向硅片内部渗透扩散，形成了N型半导体和P型半导体的交界面，也就是PN结。这种方法制出的PN结均匀性好,方块电阻的不均匀性小于百分之十,少子寿命可大于10ms。制造PN结是太阳电池生产最基本也是最关键的工序。因为正是PN结的形成，才使电子和空穴在流动后不再回到原处，这样就形成了电流，用导线将电流引出，就是直流电。 四、去磷硅玻璃 该工艺用于太阳能电池片生产制造过程中，通过化学腐蚀法也即把硅片放在氢氟酸溶液中浸泡，使其产生化学反应生成可溶性的络和物六氟硅酸，以去除扩散制结后在硅片表面形成的一层磷硅玻璃。在扩散过程中，POCL3与O2反应生成P2O5淀积在硅片表面。P2O5与Si反应又生成SiO2和磷原子，这样就在硅片表面形成一层含有磷元素的SiO2，称之为磷硅玻璃。去磷硅玻璃的设备一般由本体、清洗槽、伺服驱动系统、机械臂、电气控制系统和自动配酸系统等部分组成，主要动力源有氢氟酸、氮气、压缩空气、纯水，热排风和废水。氢氟酸能够溶解二氧化硅是因为氢氟酸与二氧化硅反应生成易挥发的四氟化硅气体。若氢氟酸过量，反应生成的四氟化硅会进一步与氢氟酸反应生成可溶性的络和物六氟硅酸。 五、等离子刻蚀 由于在扩散过程中，即使采用背靠背扩散，硅片的所有表面包括边缘都将不可避免地扩散上磷。PN结的正面所收集到的光生电子会沿着边缘扩散有磷的区域流到PN结的背面，而造成短路。因此，必须对太阳能电池周边的掺杂硅进行刻蚀，以去除电池边缘的PN结。通常采用等离子刻蚀技术完成这一工艺。等离子刻蚀是在低压状态下，反应气体CF4的母体分子在射频功率的激发下，产生电离并形成等离子体。等离子体是由带电的电子和离子组成，反应腔体中的气体在电子的撞击下，除了转变成离子外，还能吸收能量并形成大量的活性基团。活性反应基团由于扩散或者在电场作用下到达SiO2表面，在那里与被刻蚀材料表面发生化学反应，并形成挥发性的反应生成物脱离被刻蚀物质表面，被真空系统抽出腔体。 六、镀减反射膜 抛光硅表面的反射率为35%,为了减少表面反射,提高电池的转换效率,需要沉积一层氮化硅减反射膜。现在工业生产中常采用PECVD设备制备减反射膜。PECVD即等离子增强型化学气相沉积。它的技术原理是利用低温等离子体作能量源，样品置于低气压下辉光放电的阴极上，利用辉光放电使样品升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体SiH4和NH3，气体经一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态薄膜即氮化硅薄膜。一般情况下，使用这种等离子增强型化学气相沉积的方法沉积的薄膜厚度在70nm左右。这样厚度的薄膜具有光学的功能性。利用薄膜干涉原理，可以使光的反射大为减少，电池的短路电流和输出就有很大增加，效率也有相当的提高。 七、丝网印刷 太阳电池经过制绒、扩散及PECVD等工序后，已经制成PN结，可以在光照下产生电流，为了将产生的电流导出，需要在电池表面上制作正、负两个电极。制造电极的方法很多，而丝网印刷是目前制作太阳电池电极最普遍的一种生产工艺。丝网印刷是采用压印的方式将预定的图形印刷在基板上，该设备由电池背面银铝浆印刷、电池背面铝浆印刷和电池正面银浆印刷三部分组成。其工作原理为：利用丝网图形部分网孔透过浆料，用刮刀在丝网的浆料部位施加一定压力，同时朝丝网另一端移动。油墨在移动中被刮刀从图形部分的网孔中挤压到基片上。由于浆料的粘性作用使印迹固着在一定范围内，印刷中刮板始终与丝网印版和基片呈线性接触，接触线随刮刀移动而移动，从而完成印刷行程。 八、快速烧结 经过丝网印刷后的硅片，不能直接使用，需经烧结炉快速烧结，将有机树脂粘合剂燃烧掉，剩下几乎纯粹的、由于玻璃质作用而密合在硅片上的银电极。当银电极和晶体硅在温度达到共晶温度时，晶体硅原子以一定的比例融入到熔融的银电极材料中去，从而形成上下电极的欧姆接触，提高电池片的开路电压和填充因子两个关键参数，使其具有电阻特性，以提高电池片的转换效率。烧结炉分为预烧结、烧结、降温冷却三个阶段。预烧结阶段目的是使浆料中的高分子粘合剂分解、燃烧掉，此阶段温度慢慢上升；烧结阶段中烧结体内完成各种物理化学反应，形三亿文库包含各类专业文献、中学教育、应用写作文书、行业资料、各类资格考试、17单晶硅太阳能电池详细工艺等内容。　
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