1、第四章非晶矽太陽能電池第四章非晶矽太陽能電池 l4-1非晶矽太陽能電池的發(fā)展及其演進(jìn)l4-2非晶矽太陽能電池的根本結(jié)構(gòu)及其特性l4-3非晶矽太陽能電池的製程技術(shù)內(nèi)容大綱l本章節(jié)將討論以及探討的內(nèi)容，主要有三大部分：l非晶矽太陽能電池的發(fā)展及其演進(jìn)l非晶矽太陽能電池的根本結(jié)構(gòu)及其特性l非晶矽太陽能電池的製程技術(shù) 884-2-1非晶矽太陽能電池根本結(jié)構(gòu)非晶矽太陽能電池根本結(jié)構(gòu) 90抗反射薄膜層玻璃基板透明導(dǎo)電薄膜層p- S i型i- S i型p- S i G e型i- S i G e型n- S i G e型背面反射層n- S i型A g / A l 電極抗反射薄膜層玻璃基板透明導(dǎo)電薄膜層p- S

2、i型i- S i型n- S i型p- S i G e型i- S i G e型n- S i G e型p- S i型i- S i型n- S i型背面反射層A g / A l 電極- S i : H- S i G e: H- S i : H- S i G e: H- S i : H( a ) 兩層式( b ) 三層式抗反射薄膜層玻璃基板透明導(dǎo)電薄膜層p- S i型i- S i型p- S iG e型i- S iG e型n- S iG e型背面反射層n- S i型A g / A l 電極抗反射薄膜層玻璃基板透明導(dǎo)電薄膜層p- S i型i- S i型n- S i型p- S iG e型i- S iG e型n

3、- S iG e型p- S i型i- S i型n- S i型背面反射層A g / A l 電極- S i : H- S iG e : H- S i : H- S iG e : H- S i : H( a ) 兩層式( b ) 三層式圖4-1兩層式或三層式非晶矽太陽能電池元件的根本結(jié)構(gòu)表示圖 l史坦伯 - 勞斯基效應(yīng) (Staebler-Wronski Effect, SWE)，又稱之為光輻射性能衰退效應(yīng) (Photonic Radiation Degradation)：l太陽光照射之後的短時(shí)間之內(nèi)，其光電轉(zhuǎn)換的性能將會大幅地衰退，而其衰退的程度約為10.0%30.0%，如圖4-2所示 914-

4、2-1非晶矽太陽能電池根本結(jié)構(gòu)非晶矽太陽能電池根本結(jié)構(gòu) 91圖4-2史坦伯 - 勞斯基效應(yīng)以及懸吊鍵的表示圖 4-2-1非晶矽太陽能電池根本結(jié)構(gòu)非晶矽太陽能電池根本結(jié)構(gòu) 934-2-2非晶矽太陽能電池特性非晶矽太陽能電池特性 nppni厚度 (t)光p光厚度 (t)ndf(J )電子擴(kuò)散電流dr(J )電子漂移電流pdf(J )電洞漂移電流dr(J )漂移電流圖4-3 在p-n接面型以及p-i-n接面型元件中光電流產(chǎn)生的機(jī)制表示圖 944-2-2非晶矽太陽能電池特性非晶矽太陽能電池特性 圖4-4單晶矽的、非晶矽的、以及多晶矽的結(jié)晶結(jié)構(gòu)表示圖 單晶矽非晶矽多晶矽l通常，適用於太陽能電池之透明導(dǎo)電

5、薄膜電極的特性要求有：l1.高的光透過率l2.低的外表電阻值l3.好的歐姆接觸電極l4.組織化外表結(jié)構(gòu)l5.安定的化學(xué)特性964-2-3透明導(dǎo)電薄膜資料及其特性透明導(dǎo)電薄膜資料及其特性 l透明導(dǎo)電薄膜成形的資料，有摻雜3.010.0 wt% 氧化錫的氧化銦 (In2O3)，以及銦錫合金等兩種。l銦錫氧化物 (Indium Tin Oxide，In2O3-SnO2, ITO) 是一種n型的半導(dǎo)體資料。964-2-3透明導(dǎo)電薄膜資料及其特性透明導(dǎo)電薄膜資料及其特性 l透明導(dǎo)電氧化物具有高的透明性以及高的導(dǎo)電性，其主要的物理機(jī)制將分述如下，其根本機(jī)制的表示圖，如圖4-5(a) 以及4-5(b) 所示

6、l在高的導(dǎo)電性方面，其根本的機(jī)制是氧空孔缺陷 (Oxygen Vacancy Defect) 以及置入型原子缺陷 (Interstitial Defect) 等所導(dǎo)致的；如圖4-5(b) 所示 974-2-3透明導(dǎo)電薄膜資料及其特性透明導(dǎo)電薄膜資料及其特性 974-2-3透明導(dǎo)電薄膜資料及其特性透明導(dǎo)電薄膜資料及其特性 eeeeeeeeeeeeeee反射可見光入射可見光入射可見光透過可見光(a) 透明性的物理機(jī)制(1) 金屬(2) 透明導(dǎo)電 ITO 電極2O2O2O2O2O2O2O2O2O3In3In3In3In3In3In2O2O2O2O3In3In2O2O2O2O2O2O2O2O2O3In

7、3In3In3In3In3In(b) 導(dǎo)電性的物理機(jī)制圖4-5高的透明性 (a) 以及高的導(dǎo)電性 (b) 透明導(dǎo)電氧化物的根本物理機(jī)制表示圖 l就銦錫氧化物而言，透明導(dǎo)電薄膜成形的方法：l濺鍍法 (Sputtering)l電子束蒸鍍法 (Electron Beam Evaporation)l熱蒸鍍法 (Thermal Evaporation Deposition)l化學(xué)氣相鍍膜法 (Chemical Vapor Deposition)l噴霧熱裂解法 (Spray Pyrolysis) 1004-2-3透明導(dǎo)電薄膜資料及其特性透明導(dǎo)電薄膜資料及其特性 l薄膜型矽太陽能電池元件的製作方法：l液相磊

8、晶 (Liquid Phase Epitaxy, LPE)l低壓化學(xué)蒸鍍 (Low Pressure CVD, LP-CVD)l常壓化學(xué)蒸鍍 (Atmosphere Pressure CVD, AP-CVD)l電漿強(qiáng)化化學(xué)蒸鍍 (Plasma Enhanced CVD, PE-CVD)l離子輔助化學(xué)蒸鍍 (Ion Assisted CVD, IA-CVD)l熱線化學(xué)蒸鍍 (Hot Wire CVD, HW-CVD) 1014-3-1非晶矽太陽能電池的薄膜製作技術(shù)非晶矽太陽能電池的薄膜製作技術(shù) l就電漿技術(shù)的應(yīng)用而言：l物理式沉積技術(shù) (Physical Vapor Deposition, PV

9、D)l化學(xué)式沉積技術(shù) (Chemical Vapor Deposition, CVD)l乾式蝕刻技術(shù) (Dry Etching) l就電漿狀態(tài)而言，氣體分子或粒子的碰撞機(jī)制方式：l有游離化 (Ionization)l分解化 (Dissociation)l分解游離化 (Dissociative Ionization)l激發(fā)鬆弛化 (Excitation & Relaxation) 1034-3-1非晶矽太陽能電池的薄膜製作技術(shù)非晶矽太陽能電池的薄膜製作技術(shù) 1034-3-1非晶矽太陽能電池的薄膜製作技術(shù)非晶矽太陽能電池的薄膜製作技術(shù) 電漿技術(shù)的應(yīng)用薄膜沉積及形成 (Film Deposi

10、tion and Formation)氧化處理 (Oxidation Treatment)離子佈植 (Ions Implantation)乾式蝕刻處理 (Dry Etching Treatment)光阻去除及剝離 (Photoresist Removing)聚合化 (Polymerization)圖4-7電漿技術(shù)的應(yīng)用分類表示圖 l利用電漿沉積技術(shù)來進(jìn)行原子薄膜層的沉積以及構(gòu)成，普通原子薄膜層沉積技術(shù) (Atomic Layer Deposition, ALD)，可以分為四大反應(yīng)步驟：l1.反應(yīng)性前驅(qū)體分子 (Precursor Molecules) 沉積於基板外表而呈飽和狀態(tài)，並進(jìn)行外表吸附

11、化學(xué)反應(yīng)。l2.將惰性載體氣體 (Inert Carrier Gas) 注入，而將過剩的或未反應(yīng)的反應(yīng)性前驅(qū)體分子帶出反應(yīng)腔 (Reaction Chamber)。l3.在基板外表進(jìn)行自我限制性化學(xué)反應(yīng)，並將原子一層一層地堆積或階梯覆蓋 (Step Coverage)，以構(gòu)成薄膜層。l4.將惰性載體氣體注入，而將副反應(yīng)的以及過剩的反應(yīng)性前驅(qū)體分子帶出反應(yīng)腔 1044-3-1非晶矽太陽能電池的薄膜製作技術(shù)非晶矽太陽能電池的薄膜製作技術(shù) 1054-3-1非晶矽太陽能電池的薄膜製作技術(shù)非晶矽太陽能電池的薄膜製作技術(shù) 原子薄膜層沉積技術(shù)(Atomic Lay Deposition, ALD)無機(jī)原子薄

12、膜層沉積法(IO-ALD)有機(jī)金屬原子薄膜層沉積法(MO-ALD)加熱式原子薄膜層沉積法(Thermo-ALD)電漿強(qiáng)化式原子薄膜沉積技術(shù)(PE-ALD)電漿控制式原子薄膜沉積技術(shù)(RP-ALD)光輔助式原子薄膜沉積技術(shù)(Photo Assistant-ALD)熱壁式原子薄膜層沉積法(Hot-Walled)冷壁式原子薄膜層沉積法(Cold-Walled)AP-CVDLP-CVDPE-CVD圖4-8原子薄膜層沉積技術(shù)種類以及其分類 1054-3-1非晶矽太陽能電池的薄膜製作技術(shù)非晶矽太陽能電池的薄膜製作技術(shù) 圖4-9化學(xué)氣相沉積技術(shù) (Chemical Vapor Deposition, CVD

13、) 的種類以及氣壓大小的區(qū)分表示圖 化學(xué)氣相沉積技術(shù)(Chemical Vapor Deposition, CVD)大氣壓式化學(xué)氣相沉積(Atomosphere Pressure CVD, AP-CVD)標(biāo)準(zhǔn)氣壓式化學(xué)氣相沉積法(Standard Atomosphere CVD, SA-CVD)低氣壓式化學(xué)氣相沉積法(Low Pressure CVD, LP-CVD)超低氣壓式化學(xué)氣相沉積法(Ultra Low Pressure CVD, ULP-CVD)超高真空式化學(xué)氣相沉積法(Ultra High Vacuum CVD, UHV-CVD)760 Toor操作氣壓範(fàn)圍10760 Toor0.

14、110 Toor0.10.01 Toor0.01 Toorl在矽晶圓片型太陽能電池的製程之中，主要的薄膜層構(gòu)成：l外表組織結(jié)構(gòu)l接面結(jié)構(gòu)l抗反射薄膜層l保護(hù)薄膜層l電極薄膜層1064-3-2矽晶太陽能電池的製程技術(shù)矽晶太陽能電池的製程技術(shù) 1074-3-2矽晶太陽能電池的製程技術(shù)矽晶太陽能電池的製程技術(shù) ( 1 ) 冶 金 級 矽3( 2 ) S iH C l氣 體矽 鑄 錠( 4 ) 溶 融 及 拉 晶( 3 ) 還 原 與 熱 分 解矽 晶 粒( 5 ) 切 割( 6 ) 表 面 拋 光單 晶 矽 晶 圓 片( a ) 單 晶 矽 晶 圓 片 製 作 流 程矽 晶 圓 片 太 陽 能 電

15、池ppnnp正 面 或 表 面 電 極背 面 電 極矽 晶 圓 片 太 陽 能 電 池p n接 面 形 成電 極 形 成完成( b ) 製 作 流 程 簡 意 圖( 1 ) 冶金級矽3( 2 )Si HCl氣體矽鑄錠( 4 ) 溶融及拉晶( 3 ) 還原與熱分解矽晶粒( 5 ) 切割( 6 ) 表面拋光單晶矽晶圓片( a ) 單晶矽晶圓片製作流程矽晶圓片太陽能電池ppnnp正面或表面電極背面電極矽晶圓片太陽能電池p n接面形成電極形成完成( b ) 製作流程簡意圖圖4-10 矽晶圓片型太陽能電池的製程 1084-3-2矽晶太陽能電池的製程技術(shù)矽晶太陽能電池的製程技術(shù) 圖4-10 矽晶圓片型太陽

16、能電池的製程 (1) 晶圓片(3) 擴(kuò)散劑塗佈(5) 抗反射膜形成(2) 蝕刻(4) 擴(kuò)散層 (n 層 ) 形成擴(kuò)散膜形成抗反射膜擴(kuò)散後塗佈形成基板ppn 型n 型pp(c) 太陽能電池胞製作流程 (I)1084-3-2矽晶太陽能電池的製程技術(shù)矽晶太陽能電池的製程技術(shù) 圖4-10 矽晶圓片型太陽能電池的製程 抗反射膜n 型pAl 層n 型n 型pp抗反射膜n 型pAl 層銲錫導(dǎo)線n 型p( 銲錫導(dǎo)線 )(6) 背面電極形成 - I(8) 表面電極形成( 銲錫導(dǎo)線 )(10) 特性檢查(7) 背面電極形成 - II(9) 銲錫導(dǎo)線(d) 太陽能電池胞製作流程 (II)1094-3-2矽晶太陽能電

17、池的製程技術(shù)矽晶太陽能電池的製程技術(shù) 圖4-10 矽晶圓片型太陽能電池的製程 填充材前面或正面玻璃配線金屬線背面保護(hù)板透明樹脂太陽能電池晶胞(1) 填充材(3) 配線(5) 金屬框盒組立(2) 太陽能電池胞(4) 樹脂填充背面保護(hù)(6) 模組完成(e) 太陽能電池模組製作流程1114-3-3矽晶薄膜型的太陽能電池的製程技術(shù)矽晶薄膜型的太陽能電池的製程技術(shù) 圖4-11矽晶薄膜型太陽能電池的製程 1114-3-3矽晶薄膜型的太陽能電池的製程技術(shù)矽晶薄膜型的太陽能電池的製程技術(shù) 圖4-11矽晶薄膜型太陽能電池的製程 1114-3-3矽晶薄膜型的太陽能電池的製程技術(shù)矽晶薄膜型的太陽能電池的製程技術(shù) 圖

18、4-11矽晶薄膜型太陽能電池的製程 1134-3-3矽晶薄膜型的太陽能電池的製程技術(shù)矽晶薄膜型的太陽能電池的製程技術(shù) 圖4-12 矽晶薄膜太陽能電池製程設(shè)備的種類表示圖 矽薄膜型太陽能電池接觸電極 (Contact Electrode)光吸收薄膜層 (Absorber Layer)鈍化薄膜層 (Passivation Layer)抗反射層 (Antireflective Layer)濺鍍 (Sputtering) 蒸鍍 (Evaporation)濺鍍、蒸鍍電漿式化學(xué)氣相沉積 (PE-CVD)濺鍍電漿式化學(xué)氣相沉積 (PE-CVD)濺鍍電漿式化學(xué)氣相沉積 (PE-CVD)1144-3-4高密度電漿化學(xué)氣相沉積製程技術(shù)高密度電漿化學(xué)氣相沉積製程技術(shù) 圖4