Источник: www.intechopen.com/books/solar-cells/industrial-silicon-solar-cells
Мехул С. Раваль и Сукумар Мадугула Редди
Размещено: 4 октября 2018 г. Рецензировано: 29 января 2019 г. Опубликовано: 15 мая 2019 г.
DOI: 10.5772 / intechopen.84817
Абстрактный
В этой главе будут представлены промышленные технологии производства кремниевых солнечных элементов с их текущим статусом. Будут обсуждаться и сравниваться коммерческие структуры солнечных элементов p-типа и высокоэффективных солнечных элементов n-типа, чтобы читатель мог получить преимущество в промышленных солнечных элементах. Представлен краткий обзор различных этапов процесса от текстурирования до металлизации методом трафаретной печати. Процессы текстурирования монокристаллических и мультикристаллических кремниевых пластин были рассмотрены с учетом новейших технологий. Дан обзор тепловых процессов диффузии и нанесения просветляющих покрытий. Хорошо зарекомендовавший себя процесс трафаретной печати для металлизации солнечных элементов представляет собой этап быстрого обжига для спекания контактов. Введено IV-тестирование солнечных элементов с различными параметрами для определения характеристик солнечных элементов. Также обсуждаются последние разработки в различных процессах и производстве оборудования, а также ожидаемые будущие тенденции.
Ключевые слова
кремний
солнечные батареи
производство
поликристаллический
монокристаллический
текстурирование
1. Введение
Фотогальваника - важный возобновляемый источник энергии, который быстро вырос с 8 ГВт в 2007 году до 400 ГВт в 2017 году [1]. Наряду с растущим спросом стоимость фотоэлектрической системы также значительно снизилась с 35,7 долл. / Вт / пин в 1980 г. до 0,34 долл. / Шт. / Пин в 2017 г., что ускорило ее внедрение [2]. Кремний (Si), который является важным материалом в промышленности микроэлектроники, также является широко используемым сыпучим материалом для солнечных элементов с 1950-х годов с рыночной долей> 90% [2]. В этой главе будут представлены типичные этапы производства коммерческих кремниевых солнечных элементов. Краткая история солнечных элементов и обзор типов кремниевых подложек вместе с различной архитектурой солнечных элементов будут представлены в разделах 2 и 3. Далее в разделах будут описаны этапы влажной химии и высокотемпературные этапы производства. 4 и 5. В разделе 6 обсуждается процесс металлизации наряду с типичными характеристическими параметрами для коммерческих солнечных элементов. Наконец, будущая дорожная карта и ожидаемые тенденции будут обсуждены в заключительном разделе.
2. Эволюция солнечных элементов
«Фотоэлектрический эффект» буквально означает генерацию напряжения при воздействии света. Это явление впервые наблюдал французский физик Эдмунд Беккерель на электрохимической ячейке в 1839 году, а британские ученые WGAdams и REDay наблюдали на твердотельном устройстве из селена в 1876 году [3]. Начиная с 1950-х годов наблюдался быстрый прогресс в производительности коммерческих солнечных элементов с< 1%="" до=""> 23% [2], и с тех пор кремний был «рабочей лошадкой» фотоэлектрической промышленности. тогда. Эволюция кремниевых солнечных элементов показана на рисунке 1.
Рисунок 1. Эволюция кремниевых солнечных элементов. (a) 1941: солнечный элемент со встроенным переходом, (b) 1954: pn переход солнечного элемента, образованный диффузией легирующей примеси, (c) 1970: фиолетовый элемент с алюминиевым полем задней поверхности, (d) 1974: черный элемент с химически текстурированная поверхность [3].
Первые кремниевые солнечные элементы, продемонстрированные Расселом Олом из Bell Laboratories в 1940-х годах, были основаны на естественных переходах, образовавшихся в результате сегрегации примесей в процессе рекристаллизации [3]. Ячейки имели эффективность< 1%="" из-за="" отсутствия="" контроля="" над="" расположением="" перехода="" и="" качеством="" кремниевого="" материала.="" номенклатура="" для="" наименования="" регионов="" (p-тип:="" сторона,="" которая="" является="" освещением="" и="" n-тип:="" другая="" сторона),="" данная="" ohl,="" с="" тех="" пор="" используется="" для="" соглашений="" об="" именах="" солнечных="">
В 1950-х годах процесс высокотемпературной диффузии примесей в кремнии быстро развивался. Персон, Фуллер и Чаплин из Bell Laboratories продемонстрировали солнечный элемент с эффективностью 4,5% с легированием на основе лития, который улучшился до 6% с диффузией бора. Солнечная батарея имела структуру, обернутую вокруг (Рисунок 1 (б)) с обоими контактами на задней стороне, чтобы избежать потерь затенения, но привело к более высоким резистивным потерям из-за структуры с намоткой вокруг. К 1960 году клеточная структура эволюционировала так, как показано наРисунок 1 (в). Поскольку заявка предназначалась для космических исследований, для обеспечения максимальной радиационной стойкости использовалась подложка с высоким удельным сопротивлением 10 Ом · см. Контакты с вакуумным напылением использовались с обеих сторон, в то время как покрытие из моноксида кремния использовалось в качестве антибликового покрытия (ARC) на лицевой стороне (FS) [3].
В начале 1970-х было обнаружено, что спеченный алюминий на задней стороне улучшил характеристики ячейки за счет образования сильно легированной границы раздела, известной как «поле задней поверхности (Al-BSF)», и геттерирования примесей [3]. Al-BSF уменьшает рекомбинацию носителей на тыльной стороне и, следовательно, улучшает напряжение и длинноволновую спектральную характеристику. Применение более тонких и близко расположенных пальцев уменьшило требования к легированию переходов и устранило мертвый слой. АРК диоксида титана (TiOx), и его толщина была выбрана так, чтобы уменьшить отражение для более коротких длин волн и придать солнечным элементам фиолетовый оттенок. Дальнейшее улучшение было достигнуто за счет текстурирования пластин с помощью анизотропного травления пластин (100) для обнажения поверхностей (111). Текстурирование привело к лучшему улавливанию света и придало клеткам темно-бархатный вид. Усовершенствованная архитектура ячейки показана наРисунок 1 (г). В 1976 году Риттнер и Арндт продемонстрировали наземные солнечные батареи с эффективностью, приближающейся к 17% [3].
Солнечные элементы с пассивным эмиттером (PESC) достигли рубежа в 20% эффективности в 1984–1986 гг. Площадь контакта металл / кремний составляла всего 0,3% в ячейках PESC, в то время как двухслойная ARC из ZnS / MgF2был использован в обеих клеточных структурах. В 1994 году были продемонстрированы элементы с пассивным излучением с тыльной локально диффузией (PERL) с эффективностью 24% [3]. По сравнению с ячейкой PESC, ячейка PERL имела перевернутые пирамиды на FS для лучшего улавливания света и пассивирования на основе оксидов с обеих сторон. Оксидный пассивирующий слой на тыльной стороне также улучшает внутреннюю отражательную способность на длинных волнах и, следовательно, спектральный отклик.
В дополнение к развивающимся архитектурам солнечных элементов, также непрерывно развивается производственная область с точки зрения увеличения производительности, улучшения этапов процесса и снижения затрат. Краткий обзор производства кремниевых подложек и различных типов солнечных элементов приведен в следующем разделе.
3. Технологии коммерческих кремниевых солнечных элементов
Si является вторым по распространенности материалом на Земле после кислорода и широко используется в полупроводниковой промышленности. Кремний металлургического сорта (Mg-Si) чистотой 98% получают нагреванием кварца (SiO2) с углеродом при высоких температурах 1500-2000 [4]. Mg-Si дополнительно очищается для получения кремниевых кусков солнечного качества чистотой 99,99%. Очищенные куски кремния солнечного качества затем обрабатываются для получения монокристаллических и поликристаллических форм слитков кремния, которые представляют собой большую массу кремния. В монокристаллическом Si атомы расположены в одной и той же кристаллической ориентации по всему материалу. Для солнечных элементов предпочтительна ориентация (100), поскольку она может быть легко текстурирована для уменьшения поверхностного отражения [5]. Мультикристаллический Si, как следует из названия, имеет несколько зерен Si-материала с разной ориентацией, в отличие от монокристаллических подложек. Монокристаллический материал имеет более длительный срок службы неосновных носителей по сравнению с мультикристаллическим Si и, следовательно, более высокую эффективность солнечных элементов для данной технологии солнечных элементов.
Метод Чохральского (Cz) для изготовления монокристаллических слитков Si проиллюстрирован на Рисунке 2 (а). Расплавленный кремний высокой чистоты с добавкой поддерживается выше точки плавления, а затем затравочный кристалл вытягивается с очень медленной скоростью, чтобы получить слиток диаметром 300 мм и длиной 2 м [6]. Расплавленный кремний может быть легирован легирующими добавками p-типа или n-типа для получения монокристаллического кремния определенного типа весом до 200 кг [2]. Вафли, выпиленные из слитков, имеют закругленные края, поэтому их форма называется «псевдоквадрат». Слитки поликристаллического кремния получают путем плавления Si высокой чистоты и их кристаллизации в большом тигле с помощью процесса направленной кристаллизации [7], как показано на рисунке 2 (b). Процесс не имеет эталонной ориентации кристаллов, как процесс Cz, и, следовательно, образует кремний разной ориентации. В настоящее время слитки поликристаллического кремния весят> 800 кг [2], которые затем разрезаются на кирпичи, а пластины распиливаются.
Текущий размер монокристаллических и поликристаллических пластин для изготовления солнечных элементов составляет 6 дюймов на 6 дюймов. Площадь монокристаллических пластин будет немного меньше из-за псевдоквадратной формы. Наиболее широко используемым основным материалом для изготовления солнечных элементов являются подложки Si p-типа, легированные бором. Подложки Si N-типа также используются для изготовления высокоэффективных солнечных элементов, но имеют дополнительные технические проблемы, такие как получение однородного легирования вдоль слитка по сравнению с подложками p-типа.
Рисунок 2. Иллюстрация (а) процесса Cz для монокристаллических слитков и (б) процесса направленной кристаллизации для мультикристаллических слитков.
Широкая классификация различных типов солнечных элементов, а также диапазоны эффективности показаны на рисунке 3. Технология стандартного алюминиевого заднего поля (Al-BSF) является одной из наиболее распространенных технологий солнечных элементов, учитывая ее относительно простой производственный процесс. Он основан на полном осаждении Al с тыльной стороны (RS) методом трафаретной печати и формировании ap + BSF, который помогает отталкивать электроны от тыльной стороны подложки p-типа и улучшать характеристики элемента. Технологический процесс производства солнечных элементов из Al-BSF показан на рисунке 4. Стандартный дизайн коммерческих солнечных элементов - это сетка FS и контакты RS полной площади.
Рисунок 3. Широкая классификация различных типов солнечных элементов.
Рисунок 4. Технологический процесс производства солнечных элементов из Al-BSF.
Солнечный элемент с пассивным эмиттерным задним контактом (PERC) улучшает архитектуру Al-BSF за счет добавления пассивирующего слоя с тыльной стороны для улучшения пассивирования и внутреннего отражения с тыльной стороны. Оксид алюминия является подходящим материалом для пассивирования RS со средней эффективностью солнечных элементов около 21%, полученной при производстве [8]. Существующую линию солнечных элементов Al-BSF можно модернизировать до процесса PERC с помощью двух дополнительных инструментов (осаждение пассивирующего слоя RS и лазера для локального размыкания контактов на RS).
Остальные три архитектуры ячеек в основном представляют собой технологии с более высокой эффективностью, основанные на подложках Si n-типа. Солнечный элемент с гетеропереходом a-Si имеет слои a-Si на FS и RS подложки Si n-типа для образования «гетеропереходов» в отличие от обычного высокотемпературного диффузионного pn перехода. Такая технология позволяет обрабатывать при более низких температурах, но очень чувствительна к качеству поверхностей раздела. Солнечный элемент на основе гетероперехода на основе a-Si был коммерчески произведен компанией Sanyo Electric, которая сейчас перешла к Panasonic [9]. В конструкции солнечного элемента с встречно-штыревым задним контактом (IBC) оба контакта присутствуют на задней стороне, что исключает потери затенения контактов FS. Обычно для солнечных элементов IBC соединение также находится на задней стороне. Одним из первых производителей высокоэффективных солнечных элементов IBC n-типа является корпорация SunPower [10]. Бифациальные клетки, как следует из названия, могут улавливать свет с обеих сторон солнечных батарей. Это влечет за собой то, что на задней стороне также есть контакты в виде сетки для сбора света. Примером двусторонней технологии является солнечный элемент BiSON, разработанный и коммерциализированный ISC, Констанц [11]. Следует отметить, что указанная классификация не является исчерпывающим списком различных других типов архитектур солнечных элементов, которые находятся в фазе R& D, близки к коммерциализации или уже производятся. В следующих разделах дается обзор этапов процесса производства солнечных элементов из Al-BSF.
4. Процессы влажной химии для производства солнечных элементов.
Обработка на основе влажной химии является важным этапом обработки солнечных элементов для удаления повреждений пилой (SDR) для пластин после резки, текстурирования поверхности для увеличения поглощения поступающего солнечного излучения и изоляции краев после процесса диффузии. Как обсуждалось в предыдущем разделе, для изготовления солнечных элементов используются в основном монокристаллические и поликристаллические кремниевые пластины. Обработка на основе мокрой химии для соответствующих типов пластин будет обсуждена впереди.
4.1 Текстурирование пластин монокристаллического кремния
Как указано в разделе 2, разработка солнечных элементов началась в основном с монокристаллических пластин и, следовательно, использовались хорошо зарекомендовавшие себя методы из области микроэлектроники. Щелочное анизотропное травление на основе КОН / NaOH используется для пирамидального текстурирования монокристаллических пластин. Монокристаллическая пластина после резки имеет средневзвешенный коэффициент отражения> 30% (на длине волны 300–1200 нм), который снижается до 11–12% после процесса текстурирования. Типичная морфология щелочной текстурированной поверхности показана на рисунке 5. Анизотропный травильный раствор травит поверхность (100) пластин, обнажая грани (111), которые имеют более высокую плотность атомов кремния и, следовательно, более низкую скорость травления по сравнению с ( 100) лиц. Это приводит к образованию случайных пирамидальных структур, которые образуют угол 54,7 ° по отношению к поверхности пластины.
Рисунок 5. Типичная морфология поверхности монокристаллической пластины с щелочной текстурой.
Типичные параметры процесса щелочного текстурирования показаны в Таблице 1. Следует отметить, что значения различных параметров являются ориентировочными и не должны восприниматься как абсолютные, поскольку на рынке существует множество производителей добавок. Изопропиловый спирт (IPA) изначально использовался в качестве добавки к текстурирующему раствору, который не участвует в реакции травления, но действует как смачивающий агент для улучшения однородности процесса текстурирования, предотвращая прилипание пузырьков H2 (образующихся во время реакции) поверхность кремния [12]. Однако к 2010 году IPA постепенно заменяли альтернативными добавками из-за таких недостатков, как нестабильная концентрация, поскольку температура ванны близка к температуре кипения IPA (82,4 ° C), высокая стоимость, высокий расход, опасность для здоровья и взрывоопасность [12]. Многие группы опубликовали результаты исследований по замене IPA альтернативными добавками для преодоления недостатков IPA, увеличения технологического окна и уменьшения отражательной способности поверхности [12,13,14,15,16]. Добавки также сокращают время обработки до< 10="" минут="" и="" увеличивают="" срок="" службы="" ванны="" до=""> 100 циклов.
Процесс
КОН / IPA
КОН / добавка
КОН (%) | 3 | & lt; 3 |
IPA (%) | 6 | — |
Добавка (%) | — | & lt; 2 |
Температура процесса [° C] | & gt; 80 | 70–100 |
Размер пирамиды [мкм] | 5–12 | 2–7 |
Время обработки [мин] | 30–40 | 5–10 |
Органическое содержание [вес.%] | 4–10 | & lt; 1.0 |
Точка кипения [° C] | 83 | & gt; 100 |
Время жизни в ванне | & lt; 15 | & gt; 100 |
Таблица 1. Параметры процесса щелочного текстурирования монокристаллических пластин на основе IPA и добавок.
Процесс текстурирования монокристаллических пластин обычно выполняется «партиями», что подразумевает, что пластины загружаются в носитель с прорезями для удержания пластин (100 слотов в держателе), а затем партия обрабатывается последовательно в ваннах для текстурирование, очистка, этапы обработки для удаления органических остатков и металлических загрязнений, а также сушка обработанных пластин. Носители обычно покрыты ПВДФ, который имеет очень хорошую стойкость к различным химическим веществам, истиранию и механическому износу. Типичный носитель для работы с монокристаллическими пластинами показан на рисунке 6. Инструмент периодического текстурирования имеет специальные ванны для каждого этапа с дозирующими резервуарами для химикатов, используемых в ванне. Инструмент обрабатывает множество носителей одновременно и может достигать пропускной способности> 6000 пластин в час при одновременной обработке четырех носителей.
Рисунок 6. Носители для загрузки пластин в пакетный инструмент. Источник: RCT solutions GmbH.
4.2 Текстурирование пластин мультикристаллического кремния
Мультикристаллические пластины имеют преимущество в стоимости по сравнению с монокристаллическими пластинами и, следовательно, получили более широкое распространение. Однако щелочная химия, используемая для текстурирования монокристаллических пластин, не подходит для поликристаллических пластин из-за наличия различной ориентации зерен. Альтернативная кислотная химия на основе HF и HNO3 была разработана для одновременного удаления повреждений пилы и текстуры мультикристаллических пластин [17,18]. Текстурирование на основе кислотного раствора работает при температурах ниже комнатной и, следовательно, приводит к снижению выделения реакционного газа, небольшому тепловыделению, более высокой стабильности травильного раствора и лучшему контролю скорости травления [18]. Сравнение процесса щелочного текстурирования и кислотного текстурирования для мультикристаллических пластин показано на рисунке 7.
Рисунок 7. Сравнение щелочного и кислотного текстурирования для мультикристаллических пластин. Кривые отражения после осаждения SiNx: H также показаны для сравнения [17].
Процесс кислотного текстурирования поликристаллической пластины может быть выполнен за значительно меньшее время по сравнению с процессом щелочного текстурирования и, следовательно, может быть реализован в «поточной» конфигурации, когда пластины проходят через ролики, погруженные в травильную ванну. Типичное изображение поточного процесса вместе с типичным процессом кислотного текстурирования показано на Рисунке 8. Для конфигурации с пятью полосами поточный инструмент может иметь производительность до 4000 пластин в час. Важно отметить, что обращенная вниз поверхность пластины в травильном растворе имеет лучшую текстуру, чем верхняя сторона, и является «солнечной стороной» для дальнейшей обработки. Процесс кислотного текстурирования приводит к образованию пористого кремния на текстурированной поверхности, который поглощает свет, а также увеличивает поверхностную рекомбинацию [18]. Следовательно, пористый кремний удаляется разбавленным щелочным раствором. Затем выполняется кислотная очистка (HF + HCl) для удаления оксидов и металлических загрязнений с поверхностей пластины.
Рисунок 8. (a) Типичный поточный процесс с пятью дорожками и (b) технологический процесс кислотного текстурирования для мультикристаллических пластин.
Важно отметить, что рассмотренный выше процесс кислотного текстурирования подходит для мультикристаллических пластин, распиленных проволочной пропилкой (SWS). В последние несколько лет процесс алмазной канатной резки (DWS) заменил резку на основе суспензии из-за технологических и экономических преимуществ [19]. Повреждения мультикристаллических пластин SWS больше, чем у пластин DWS, которые имеют глубокие прямые канавки и гораздо более гладкую поверхность, чем пластины, пропиленные проволочной суспензией [19]. Повреждение пилой для пластин SWS играет важную роль в инициировании процесса текстурирования, чего не происходит для пластин DWS.
Были предложены различные методы текстурирования мультикристаллических пластин DWS, которые кратко изложены в таблице 2 [20]. Путем настройки различных методов можно получить коэффициент отражения, близкий к 0%, и, следовательно, термин «черный кремний» был использован для процесса текстурирования поликристаллических пластин DWS. RIE был первым методом получения черного кремния, в котором гексафторид серы (SF6) используется для реакции с Si и такими газами, как Cl2 и O2, для пассивирования и ограничения реакции [20]. Недавно были продемонстрированы коммерческие солнечные элементы из нескольких PERC со средней эффективностью 21,3% с процессом текстурирования на основе RIE [21]. Однако, поскольку RIE представляет собой процесс на основе вакуума, производительность низкая по сравнению с типичным поточным процессом, а также требуется дополнительная предварительная обработка и постобработка для удаления повреждений пилы и повреждений, вызванных ионной бомбардировкой, соответственно. Вариант метода RIE, не требующий вакуума или плазмы, был реализован в коммерческом инструменте [22].
Метод
Реагенты
Маска
Катализатор
Минимальная отражательная способность (%)
Реактивное ионное травление (РИЭ) | SF6/O2, SF6/ Cl2/O2, SF6/O2/ CH4 | Никто | Никто | 4.0 |
Плазменная иммерсионная ионная имплантация (PIII) | SF6/O2 | Никто | Никто | 1.8 |
Лазерное облучение | CCl4, C2Cl3F3, SF6, Cl2, N2, воздуха | Никто | Никто | 2.5 |
Плазменное травление | SF6 | Наночастицы серебра | Никто | 4.2 |
Химическое травление с использованием металла (MACE) | AgNO3/ HF / HNO3 | Никто | Ag, Au | 0.3 |
Электрохимическое травление | HF, EtOH, H2O | Никто | Никто | & lt; 5.0 |
Таблица 2. Различные методы текстурирования поликристаллических пластин, пропиленных алмазной проволокой [20].
Одним из подходов к текстурированию мультикристаллических пластин DWS является обновление существующей химии на основе кислотного текстурирования с добавлением добавок [23,24,25]. Такой подход потенциально может иметь более низкий CoO по сравнению с подходом на основе MACE [23]. Было продемонстрировано, что отражательная способность такого подхода на основе аддитивов аналогична традиционному решению изотекстурирования с эффективностью солнечных элементов 18,7% для структуры на основе Al-BSF [24].
Текстурирование на основе MACE аналогично традиционному методу кислотного травления с дополнительной стадией каталитического осаждения металла. Технологический процесс состоит из SDR, осаждения металлического катализатора, химического травления и последующей обработки. Эффективность 19,2% была получена для коммерческих ячеек с несколькими Al-BSF с использованием процесса текстурирования MACE пакетного типа [26]. Был продемонстрирован коммерческий инструмент на основе MACE встроенного типа с возможностью настройки коэффициента отражения в диапазоне 12–23% и получения средней эффективности для структур Al-BSF и PERC 18,8 и 20,2% соответственно [27]. Репрезентативные изображения текстурированной поверхности на основе процесса MACE показаны на рисунке 9. Стоимость владения (CoO) встроенного процесса MACE потенциально ниже по сравнению с периодическим процессом MACE с возможностью дальнейшего сокращения за счет рециркуляции Ag из ванны текстурирования. [27].
Рис. 9. Мультипластины DWS с текстурой MACE: (а) поверхность с Ravg=12% и (б) поверхность с Ravg=22% [27].
4.3 Изоляция кромок на основе влажной химии
Эмиттерная область в солнечном элементе изготавливается с помощью процесса высокотемпературной диффузии (будет обсуждаться в следующих разделах). В процессе диффузии на пластину наносится фосфористое силикатное стекло (PSG), которое следует удалить перед нанесением слоя ARC. Как показано на рисунке 10, после этапа диффузии область n-типа также присутствует на краях и задней стороне пластины. Слой n-типа на краях и задней стороне приведет к короткому замыканию эмиттера с базовой подложкой, поэтому важно протравить эти области и изолировать эмиттер на FS от базовой подложки, как показано на рисунке 10 (c).
Рис. 10. Обработка кремниевой пластины после диффузии и изоляции краев (a) текстурированная кремниевая пластина, (b) диффузная кремниевая пластина, (c) диффузная кремниевая пластина после изоляции краев.
Процесс выделения краев может выполняться во встроенном режиме, аналогично процессу текстурирования, описанному в предыдущем разделе. Исключением в этом случае является то, что химикат должен травить только тыльную сторону и края, не взаимодействуя с FS. Типичное изображение процесса изоляции краев показано на Рисунке 11. Важно отметить, что ролики присутствуют только на нижней стороне, чтобы избежать любого контакта раствора для травления с лицевой стороной. Последующие шаги после травления RS аналогичны таковым в машине для текстурирования inline.
Рисунок 11. Представительное изображение солнечного элемента в встроенной ванне с изоляцией кромок.
5. Термические процессы изготовления солнечных элементов.
Высокотемпературные процессы составляют жизненно важную часть производства солнечных элементов. Примерами таких процессов являются формирование pn-перехода путем диффузии, обжига контактов с трафаретной печатью, активации поверхностных пассивирующих слоев или дефектов, вызванных процессом отжига. В разделе кратко излагаются основы физики процесса диффузии эмиттера и химического осаждения из паровой фазы (PECVD), усиленного плазмой.
5.1 Диффузия излучателя
Диффузия эмиттера - один из важнейших термических шагов в производстве промышленных солнечных элементов. Излучатель n-типа кристаллических кремниевых солнечных элементов p-типа формируется за счет диффузии фосфора (P). В процессе диффузии пластины Si отправляются в печь и подвергаются воздействию фосфорилхлорида (POCl3) и O2 при температуре 800–900 ° C, что приводит к осаждению PSG на поверхности пластин Si. Этот этап называется предварительным осаждением, когда PSG [28] действует как источник примеси фосфора (P), диффундирующей в кремниевую пластину. Следующим шагом является втягивание, при котором прекращается подача легирующих газов, и P из слоя PSG диффундирует дальше в кремниевую пластину. Hannes et al. В [29] показано, что для оптимальной осуществимости процесса для фотоэлектрических приложений необходимо учитывать три различных эффекта. Во-первых, диффузия P из PSG и его присутствие в электрически активном и неактивном состояниях в Si-пластине, что увеличивает рекомбинацию Шокли-Рида-Холла (SRH). Во-вторых, проникновение примесей в слой Si по направлению к слою PSG. Наконец, образование металлического контакта с эмиттером из кремния, легированного фтором, отводит генерируемую мощность.
Процесс диффузии количественно определяется сопротивлением слоя, которое зависит от глубины pn перехода и профиля концентрации P. Сопротивление листа выражается в единицах Ом / см (обычно измеряется как Ом / □) и измеряется с помощью системы четырехточечного датчика. Определение сопротивления листа проиллюстрировано в формуле. (1).
где R=сопротивление прямоугольного сечения (Ом); ρ=удельное сопротивление (Ом см); l=длина прямоугольного сечения (см); A=площадь прямоугольного сечения (см2); W=ширина прямоугольного сечения (см) ); D=глубина прямоугольного сечения (см) и ρsheet=сопротивление для заданной глубины (D), когда l=W (Ω / □).
Ранее значения сопротивления эмиттерного слоя составляли 30–60 Ом / □ с глубиной pn перехода> 400 нм и высокой поверхностной концентрацией фосфора. С улучшением контактной пасты с серебром (Ag) на передней стороне сопротивление эмиттерного листа теперь находится в диапазоне 90–110 Ом / □ с глубиной перехода около 300 нм и более низкой поверхностной концентрацией фосфора. Переход к большему сопротивлению листа позволяет улавливать больше света в УФ и синем спектре, а также снижает поверхностную рекомбинацию для улучшения вокала. Следует отметить, что процесс диффузии происходит на ПФ (непосредственно подвергающемся воздействию газов), а также на краях и КС. Если процесс изоляции краев не выполняется (как описано в разделе 4.3), эмиттер будет замкнут накоротко с подложкой.
На рисунке 12 показан процесс диффузии POCl3 в замкнутой системе с кварцевыми трубками. POCl3 представляет собой источник жидкости, подаваемый в технологическую трубку путем барботирования ее с газом-носителем N2. Путем смешивания
Рис. 12. (а) схематическое изображение процесса периодической диффузии и (б) репрезентативное изображение диффузионного оборудования периодического действия. Источник: centrotherm GmbH.
На поверхности Si
Хлор, который является побочным продуктом во время предварительного осаждения, очищает пластины и кварцевую трубку, образуя комплексы с металлами. PSG используется в качестве источника для вбивания атомов P в поверхность Si. Во время процесса вдавливания POCl3 отключается, и только O2 добавляется для создания тонкого оксидного слоя под PSG для усиления диффузии атомов P в поверхность Si.
Внутри диффузионной трубки есть пять зон нагрева, как показано на рисунке 13. Зоны:
Зона загрузки (ЗЗ) - зона, откуда пластины загружаются в трубку.
Центральная зона загрузки (CLZ) - область между зоной загрузки и центральной зоной.
Центральная зона (CZ) - центральная зона трубы.
Центральная газовая зона (CGZ) - область между центральной зоной и газовой зоной.
Газовая зона (GZ) - зона, откуда газы выходят через выхлоп.
Рисунок 13 - Зоны нагрева внутри диффузионной трубки.
Как правило, температуры каждой зоны нагрева регулируются для получения равного сопротивления эмиттерного листа для всех пластин по всей лодке.
Окружающая среда процесса диффузии должна быть очень чистой, поэтому для трубок используется кварцевый материал. Чистота труб и обслуживание погрузочной площадки также влияет на результаты процесса. Поскольку при газофазной диффузии в трубке нет остатков, это приводит к более чистому процессу. За счет загрузки половинного шага в условиях низкого давления (LP) [31] пропускная способность может быть увеличена. Обычно 1000 вафель загружают в одну трубку, а с пятью диффузионными трубками в диффузионной системе периодического действия можно достичь производительности до 3800 вафель в час при производстве солнечных элементов.
Встроенная диффузионная система, в которой пластины транспортируются на ленте с фосфорной кислотой в качестве источника примесей P, также использовалась в промышленном производстве [32]. Однако по сравнению с поточным процессом пакетный процесс более чистый, эффективный и действенный. Для солнечных элементов n-типа или передовых концепций солнечных элементов, таких как PERT, периодическая диффузия p-типа основана на источниках примеси бора (B), таких как трибромид бора (BBr3) [33,34].
5.2 Нанесение антибликового покрытия (ARC)
Голая поверхность Si отражает> 30% падающего света. Как обсуждалось в разделе 4, процесс текстурирования улучшает захват света. Желательно дополнительно снизить коэффициент отражения, который достигается путем нанесения слоя ARC. TiOx был одним из первых материалов, который использовался в качестве слоя ARC для солнечных элементов, однако, поскольку он не мог обеспечить адекватную пассивацию поверхности, в конечном итоге был заменен на SiNx: H [37]. Термически выращенный оксид кремния (SiO2) также использовался в качестве пассивирующего материала в ячейках с локальной диффузией с пассивным эмиттером (PERL) [37]. Высокий тепловой баланс и длительное время процесса сделали пассивацию на основе SiO2 непригодной для массового производства солнечных элементов [37]. Подробный обзор различных ARC и пассивирующих материалов для солнечных элементов обсуждается в [37].
Процесс плазменного химического осаждения из паровой фазы (PECVD) подходит для осаждения ARC-слоя SiNx: H, который не только уменьшает отражение, но и пассивирует передний эмиттер n-типа и основную часть, тем самым повышая эффективность солнечного элемента [36, 37]. Схема PECVD-системы периодического действия показана на рисунке 14. Пластины загружаются в графитовую лодочку лицевыми сторонами друг к другу. ВЧ-плазма на основе технологических газов аммиак (NH3) и силан (SiH4), работающая при температуре 400–450 ° C, осаждает гидрогенизированный слой SiNx: H согласно уравнению. (4) [35]. Водород, включенный в пленку SiNx: H, диффундирует в объем во время стадии обжига (обсуждается в следующем разделе) и пассивирует оборванные связи для улучшения характеристик солнечного элемента [36,37].
Рис. 14. (а) схематическая диаграмма периодического процесса PECVD для осаждения SiNx: H и (б) графитовая лодочка для загрузки кремниевых пластин в печи PECVD.
Показатель преломления (RI) пленки SiNx: H регулируется соотношением SiH4 / NH3gas, а толщина зависит от продолжительности осаждения. ARC на основе SiNx: H может минимизировать отражение для одной длины волны, а длина волны-толщина определяется выражением [38],
где t=толщина слоя SiNx: H ARC, λ0=длина волны падающего света и n1=показатель преломления слоя SiNx: H.
Основываясь на соотношении, ARC также называют «четвертьволновым ARC». Для солнечных элементов RI и толщина выбраны так, чтобы минимизировать отражение на длине волны 600 нм, поскольку это пик солнечного спектра. Толщина и RI дуги выбираются как среднее геометрическое значение материалов с каждой стороны, то есть стекло / воздух и Si. Типичная толщина SiNx: H ARC составляет 80–85 нм с RI 2,0–2,1, что придает солнечному элементу цвет от синего до фиолетово-синего. Типичное изображение текстурированного поликристаллического солнечного элемента, осажденного SiNx: H, показано на рисунке 15 (a), а изменение цвета SiNx: H в зависимости от его толщины показано на рисунке 15 (b). Важно отметить, что существует зависимость от текстуры поверхности и цвета дуги для данных параметров осаждения. Существует множество солнечных модулей, в которых цвет солнечных элементов темнее, чем у типичного синего цвета. Типичная стадия осаждения ARC на линии производства солнечных элементов состоит из двух систем PECVD, каждая с четырьмя трубками и производительностью до 3500 вафель / ч.
Рис. 15. (a) Типичное изображение мультикристаллического солнечного элемента с покрытием SiNx: H, (b) изменение слоя SiNx: H в зависимости от его толщины.
SiNx: H не подходит для пассивирования Si p-типа, и поэтому диэлектрики, такие как Al2O3, используются для пассивирования RS для архитектуры элементов, таких как элементы PERC [8], или для эмиттеров p-типа в солнечных элементах n-типа. В солнечных элементах PERC пассивирующий слой Al2O3 покрыт SiNx: H, чтобы защитить его от пасты Al во время процесса обжига, а также служит внутренним отражателем для длинноволнового света. Имеются коммерческие системы на основе PECVD и осаждения атомных слоев (ALD) для осаждения Al2O3 с производительностью до 4800 вафель / час [39].
6. Металлизация и характеристика солнечных элементов
6.1 Металлизация на основе трафаретной печати
Последним этапом производства солнечных элементов является металлизация FS и RS для отвода энергии с минимальными резистивными потерями. Ag является хорошим контактным материалом для эмиттера n-типа, в то время как Al очень хорошо контактирует с подложкой p-типа. Комбинация пасты Ag / Al используется для печати контактных площадок на RS, чтобы облегчить соединение солнечных элементов в модуле. Трафаретная печать - это простой, быстрый и постоянно развивающийся процесс металлизации солнечных элементов.
Схематическое изображение процесса трафаретной печати показано на рисунке 16. Сетки имеют сетку из нержавеющей стали с эмульсионным покрытием с отверстиями в соответствии с желаемым рисунком металлизации, как показано на рисунке 17 (а). Металлическая паста распределяется по экрану за счет потока и движения ракеля, который наносит пасту на солнечный элемент в соответствии с рисунком экрана. Отщепление - это расстояние от экрана до солнечного элемента. Давление ракеля и расстояние отрыва являются критическими параметрами, которые определяют укладку пасты и геометрию пальцев Ag FS.
Рисунок 16. Иллюстрация процесса трафаретной печати для металлизации солнечных элементов.
Рис. 17. (а) сетка-эмульсионный экран с отверстием для пальцев для печати FS Ag [40] и (b) типичный образец металлизации FS.
Типичная масса пасты для прокладок из Ag / Al RS, RS Al и FS Ag составляет 35–45 мг, 1,1–1,4 г и 100–120 мг, соответственно, для 6-дюймового мультикристаллического солнечного элемента Al-BSF. Иллюстративный образец металлизации Ag FS показан на Рисунке 17 (b). Отверстие для пальцев Ag уменьшилось до менее 30 мкм, в то время как применение 5-шинных шин все чаще применяется. При таком параметре экрана и хорошей пасте для солнечных элементов из Al-BSF должен быть получен стабильный FF> 80% с потерей оптического затенения<>
6.2 Сушка и быстрый обжиг паст для металлизации
Пасты для металлизации состоят из металлического порошка, растворителей и органических связующих. В случае пасты FS Ag паста также содержит стеклянную фритту при травлении слоя SiNx: H и контактирует с эмиттером n-типа [41]. Металлические пасты после печати сушатся и, наконец, они проходят через печь быстрого обжига для спекания и образуют контакт RS Al-BSF и FS Ag. Пример такой печи быстрого обжига с температурным профилем показан на рисунке 18. Процесс пальцевого спекания FS Ag показан на рисунке 19. Когда солнечный элемент проходит через печь быстрого обжига, органические связующие сгорают с последующим плавлением стеклянной фритты и, наконец, образование кристаллитов Ag, контактирующих с эмиттером n-типа. Профиль обжига должен быть настроен в зависимости от конкретных типов паст для металлизации и профиля диффузии эмиттера. Например, пиковая температура зажигания может быть низкой, чтобы не образовывать хороший омический контакт на FS, в то время как слишком высокая температура может привести к диффузии Ag через переход и шунтированию pn перехода. Изображение полного мультикристаллического солнечного элемента из Al-BSF показано на рисунке 20.
Рисунок 18. (a) Пример печи для обжига металлических контактов и (b) иллюстративный температурный профиль печи для обжига. Источник: centrotherm GmbH.
Рисунок 19. Иллюстрация процесса обжига. (a) выгорание органических связующих, (b) плавление стеклянной фритты, которая травит SiNx: H, и (c) образование кристаллитов Ag на границе раздела эмиттера.
Рисунок 20. (a) FS полного солнечного элемента и (b) RS полного солнечного элемента.
6.3 Металлизация лицевой стороны на основе металлизации
Стоимость различных факторов при обработке солнечных элементов с годами снизилась, в то время как вклад фронтального Ag по-прежнему остается наиболее значительным [42]. Был проделан значительный объем работы по замене Ag альтернативным металлом, таким как медь (Cu), который имеет значение проводимости, очень близкое к таковому у Ag, а также дает потенциально значительное экономическое преимущество [43,44]. Cu имеет высокий коэффициент диффузии и растворимость в Si, и, следовательно, барьерный слой, подобный никелю (Ni), осаждается на Si перед нанесением покрытия Cu [42]. Светоиндуцированное покрытие (LIP), которое получается из обычного покрытия, использует фотоэлектрический эффект света для покрытия желаемого металла и имеет много преимуществ по сравнению с обычным покрытием [43,44].
Лицевая металлизация на основе Ni-Cu требует дополнительного этапа формирования дугообразного рисунка на передней стороне, в отличие от металлизации на основе пасты Ag, и в большинстве случаев также дополнительного этапа спекания Ni для снижения контактного сопротивления и обеспечения хорошей адгезии металлического пакета [42 ]. Коммерческие солнечные элементы из MC-Si, вырезанные методом DWS, на основе пакета с покрытием Ni-Cu-Ag продемонстрировали ширину пальца 22 мкм, соотношение сторон, близкое к 0,5, и аналогичную эффективность, как у эталонных солнечных элементов на основе Ag с трафаретной печатью [45 ].
Непрерывное совершенствование паст Ag FS наряду с простотой, надежностью и высокой производительностью процесса трафаретной печати затрудняет конкуренцию металлизации на основе Ni-Cu с металлизацией на основе Ag. Однако концепции с высокой эффективностью солнечных элементов, такие как солнечные элементы с двусторонним гетеропереходом, где Cu может наноситься непосредственно на прозрачный проводящий оксид, процесс нанесения покрытия упрощается и требует только одного инструмента [39]. Точно так же концепции высокой эффективности, требующие меньшего количества металла, могут быть достигнуты с использованием металлизации на основе гальванических покрытий [42,46].
6.4 Испытание IV и определение характеристик солнечных элементов
Заключительным этапом является IV-тестирование полных солнечных элементов в соответствии со стандартными условиями тестирования (STC), то есть AM 1.5G, 1000 Вт / м2 с имитатором солнечной энергии класса AAA. Пример FS-зондирования солнечного элемента показан на рисунке 21. Типичные параметры, полученные с помощью IV-тестера, показаны в таблице 3. IV-тестеры имеют множество параметров характеристики, которые могут быть полезны для диагностики дефектов солнечных элементов. Типичное изображение электролюминесценции (EL) и тепловое ИК-изображение солнечного элемента с некоторыми дефектами показано на рисунках 22 (a) - (c). Электролюминесцентное изображение хорошего солнечного элемента с равномерной интенсивностью показано на рисунке 22 (a), в то время как для солнечного элемента, в котором пальцы FS отпечатаны неравномерно, более темный контраст можно увидеть на рисунке 22 (b). ) показывает тепловое ИК-изображение солнечного элемента с локализованным шунтом, который образовался во время одного из этапов обработки. В конце солнечные элементы сортируются по ячейкам разной эффективности на основе выбранной классификации.
Рисунок 21. IV измерение FS, зондирование для определения характеристик солнечных элементов.
Параметр
Комментарии
Vок(V) | Хорошие солнечные элементы mc-Si Al-BSF имеют значение> 0,635 В |
Isc(A) | Хорошие солнечные элементы mc-Si Al-BSF имеют значение> 9,0 A |
FF (%) | Хорошие солнечные элементы mc-Si Al-BSF имеют значение> 80%. |
Эффективность (%) | Хорошие солнечные элементы mc-Si Al-BSF имеют значение> 18,6%. |
Vmpp(V) | Соответствующее напряжение в точке максимальной мощности |
Impp(A) | Соответствующий ток в точке максимальной мощности |
Rs(Ω) | Хорошие солнечные элементы mc-Si Al-BSF имеют значение [ГГ] lt; 1,5 мОм. |
Rш(Ω) | Хорошие солнечные элементы mc-Si Al-BSF имеют значение> 100 Ом. |
Irev(A) | Обратный ток при напряжении -12 В должен быть [ГГ] lt; 0,5 А для хороших солнечных элементов. |
Сопротивление FS BB-BB (Ом) | Сопротивление, измеренное между BB на FS |
Сопротивление RS BB-BB (Ом) | Сопротивление измеряется между BB на RS |
Таблица 3. Параметры для характеристики солнечного элемента, полученные на основе измерения ВАХ.
Рис. 22. (a) EL-изображение хорошего солнечного элемента, (b) EL-изображение солнечного элемента с неоднородностью отпечатков пальцев Ag и (c) тепловое ИК-изображение солнечного элемента, указывающее на наличие локализованных шунтов.
7. Будущие тенденции
DWS стал стандартом для монокристаллических пластин, в то время как ожидается, что к 2022 году его рыночная доля составит> 80% для мультикристаллических пластин [2]. Ожидается, что к тому времени применение SWS для мультикристаллических пластин будет прекращено. При использовании DWS потери на пропиле к 2022 году также станут< 80="" мкм,="" что,="" в="" свою="" очередь,="" снизит="" расход="" поли-si="" на="" пластину="" ниже="" 15="" г.="" ожидается,="" что="" к="" 2020="" году="" будет="" выведен="" из="" эксплуатации="" дизайн="" 3bb="" для="" фронтальных="" контактов,="" при="" этом="" 50%="" доля="" будет="" составлять="" 5bb.="" по="" прогнозам,="" благодаря="" постоянному="" совершенствованию="" ag="" паст="" и="" грохотов="" ширина="" пальца="" fs="" сократится="" до="" 30="" мкм="" к="" 2022="" году.="" пропускная="" способность="" инструментов="" для="" влажной="" химической="" обработки="" превысила="" 8000="" вафель="" в="" час="" в="" 2018="" году="" и="" достигнет="" 9000="" вафель="" в="" час="" к="" 2020="" году.="" достигли="" пропускной="" способности="" 5000="" вафель="" час="" в="" 2018="" году="" и,="" как="" ожидается,="" к="" 2020="" году="" превысят="" 7000="" вафель="" час.="" ожидается,="" что="" к="" 2022="" году="" секция="" металлизации="" и="" iv-тестирования="" сортировки="" будет="" иметь="" пропускную="" способность>="" 7000="" вафель="">
Технология элементов на основе Al-BSF, рыночная доля которой составляет> 60% в 2018 году, как ожидается, сократится до< 20%="" к="" 2025="" году.="" с="" уделением="" особого="" внимания="" концепциям="" высокоэффективных="" солнечных="" элементов="" доля="" perc="" технологии="" ожидается="" на="" уровне=""> 50% к 2022 году. Ожидается, что эффективность производства Mono PERC составит> 22% к 2022 году, в то время как для multi PERC она должна достичь 21% к тому же времени. Важным аспектом, связанным с multi-PERC, является смягчение проблемы, связанной с LeTID, чтобы минимизировать потерю эффективности после установки модулей в полевых условиях. Элементы Si HJ с эффективностью> 22% в 2018 году после ожидаемого достижения стабильной эффективности 23% к 2020 году с долей рынка около 10% к 2022 году. Высокоэффективные двусторонние элементы с дополнительным преимуществом использования солнечной энергии. Ожидается, что к 2022 году доля излучения с тыльной стороны составит 20%. Ожидается, что к 2020 году КПД солнечных элементов с тыловым контактом N-типа превысит 24%.
8. Выводы
Солнечные элементы из кремния стали важной частью возобновляемой энергетики за последние десятилетия благодаря развитым производственным технологиям. Мультикристаллические пластины P-типа стали основой производства солнечных элементов. Однако с более высокой эффективностью и снижением производственных затрат монокристаллические солнечные элементы также получили значительную долю и, как ожидается, в ближайшем будущем будут тесно конкурировать с мультикристаллическими пластинами. Для стандартной технологии Al-BSF 19 и 20% стали эталоном для мультикристаллических и монокристаллических солнечных элементов соответственно. Ячейки Mono-PERC и multi-PERC достигли стабильной эффективности 21,5 и 20% соответственно. Кроме того, PERC также обеспечивает более простой подход к двусторонним солнечным элементам, имея сетку на RS вместо полной площади контакта. Доля рынка высокоэффективных солнечных элементов n-типа и двусторонних солнечных батарей составляет< 10%,="" и="" ожидается,="" что="" в="" будущем="" она="" будет="" увеличиваться.="" технологии="" производства="" значительно="" усовершенствовались="" за="" последние="" несколько="" лет="" с="" дальнейшими="" улучшениями="" для="" увеличения="">
Благодарности
Авторы хотели бы поблагодарить коллег из RCT Solutions GmbH, у которых было заимствовано часть содержания этой главы. Мехул Раваль благодарит коллегу Джима Чжоу за обсуждение текстурирования черного кремния.
