晶體硅太陽電池的基本結(jié)構(gòu)和制備工藝流程

文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：小陳婆婆

本文簡單介紹了晶體硅太陽電池基本結(jié)構(gòu)和晶體硅太陽電池晶體硅材料的制備。

太陽能光電轉(zhuǎn)換原理主要依賴于半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)，特別是光生伏特效應(yīng)。通過合理設(shè)計和制造太陽電池，可以有效地將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，為各種應(yīng)用提供可持續(xù)的能源。

晶體硅太陽電池的結(jié)構(gòu)是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的太陽能光電轉(zhuǎn)換器件的關(guān)鍵部分。

1晶體硅太陽電池基本結(jié)構(gòu)

基本結(jié)構(gòu)

晶體硅太陽電池的基本結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體的P-N結(jié)。這意味著在P型硅晶片和N型硅晶片之間形成了一個界面，使得電子和空穴能夠在該界面處分離并產(chǎn)生電流。

P型硅晶片與N型半導(dǎo)體層

P型硅晶片：作為基極，P型硅晶片是通過在硅中摻入三價元素（如硼）而形成的。這種摻雜使得硅晶片中的部分硅原子被替代，形成了帶正電的空穴。

N型半導(dǎo)體層：通過擴散等技術(shù)，在P型硅晶片上形成了一層厚度約為0.20~0.50微米的N型半導(dǎo)體層。這層N型半導(dǎo)體層是通過在硅中摻入五價元素（如磷）而形成的，使得硅晶片中的部分硅原子被替代，形成了帶負(fù)電的電子。

絨面結(jié)構(gòu)與減反射層

絨面結(jié)構(gòu)：在N型硅晶片表面上制備了呈“金字塔”形狀的絨面結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)能夠減少入射太陽光的反射損失，增加電池對太陽光能的吸收。

減反射層：為了進一步減少反射，通常在絨面結(jié)構(gòu)上沉積了一層薄膜作為減反射層。這層薄膜一般可均勻沉積60~100納米左右的SiO2或Si3N4等材料。減反射層能夠使得入射太陽光在薄膜與硅晶片之間發(fā)生多次反射和干涉，從而減少反射損失并提高光能的吸收效率。

金屬電極

上電極：在N型硅晶片表面的絨面結(jié)構(gòu)和減反射層之上，制備了呈“梳齒”形狀的金屬電極。這種電極形狀能夠增加與硅晶片的接觸面積，從而更有效地收集電子。為了減少電子和空穴的復(fù)合損失，上電極通常采用鋁-銀材料制成。

下電極：在P型硅晶片表面上直接制備了布滿下表面的板狀金屬電極作為下電極。為了減少電池內(nèi)部的串聯(lián)電阻，下電極通常采用鎳-錫材料制成。

歐姆接觸

上、下電極分別與N+區(qū)和P區(qū)形成了良好的歐姆接觸。這意味著電極與硅晶片之間的接觸電阻很小，能夠使得電子和空穴在電極與硅晶片之間順暢地流動。

晶體硅太陽電池的結(jié)構(gòu)包括P型硅晶片、N型半導(dǎo)體層、絨面結(jié)構(gòu)與減反射層以及金屬電極等部分。這些部分共同協(xié)作，使得晶體硅太陽電池能夠有效地將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。

2晶體硅太陽電池晶體硅材料的制備

晶體硅太陽電池用的晶體硅材料制備是一個復(fù)雜而精細(xì)的過程，主要可以分為單晶硅和多晶硅兩種材料的制備。以下是關(guān)于這一過程的詳細(xì)分述：

一、晶體硅材料的分類與特性

單晶硅：單晶硅是指整個材料的晶格原子都按照同一間距規(guī)則在空間進行周期性排列的晶體材料。由于其結(jié)構(gòu)高度有序，單晶硅太陽電池通常具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率。單晶硅通常是采用直拉法制備而成，形成的單晶棒呈圓柱形，因此單晶硅太陽電池晶片的形狀通常是四角呈圓弧的“準(zhǔn)方”形。

多晶硅：多晶硅則是由很多個小單晶（晶粒）組成，各個晶粒的方向（晶向）不同。與單晶硅相比，多晶硅的制備工藝相對簡單，成本較低，但光電轉(zhuǎn)換效率可能稍低。

二、晶體硅材料的制備工藝流程

晶體硅太陽電池用的晶體硅材料制備的主要生產(chǎn)工藝流程包括原材料準(zhǔn)備、晶體生長、切割加工、后續(xù)處理等步驟。

原材料準(zhǔn)備

原料選擇：根據(jù)生產(chǎn)需求，選擇適合的原材料。對于單晶硅，通常使用高純多晶硅或者是微電子工業(yè)生產(chǎn)中用剩的單晶硅材料的頭、尾料等。對于多晶硅，多使用半導(dǎo)體級的高純多晶硅，某些情況下也可以使用微電子工業(yè)用單晶硅生產(chǎn)中的剩余原料。

原料處理：對于非免洗硅料，包括回爐料、頭尾料等，需要進行破碎、化學(xué)腐蝕、清洗、烘干等處理，以去除雜質(zhì)和表面污染。

晶體生長

單晶硅生長：采用直拉法（CZ法）或懸浮區(qū)熔法（FZ法）等方法，在合適的溫度和氣氛下，使高純硅原料熔化并結(jié)晶生長成單晶硅棒。

多晶硅生長：采用定向凝固法（DSS法）、澆鑄法（鑄造法）等方法，將熔融的硅原料倒入模具中，通過控制冷卻速度和溫度梯度，使硅原料結(jié)晶生長成多晶硅錠。

切割加工

將生長好的單晶硅棒或多晶硅錠進行切割，得到一定厚度和尺寸的晶片。

對晶片進行邊緣處理、表面拋光等，以提高晶片的質(zhì)量和光電轉(zhuǎn)換效率。

后續(xù)處理

對晶片進行擴散工藝處理，形成P-N結(jié)。

制備絨面結(jié)構(gòu)和減反射層，提高晶片對太陽光的吸收效率。

制備金屬電極，形成歐姆接觸，以便將產(chǎn)生的電流導(dǎo)出。

三、生產(chǎn)環(huán)境與質(zhì)量控制

為了確保晶體硅太陽電池組件的質(zhì)量和高光電轉(zhuǎn)換效率，需要在適合的生產(chǎn)環(huán)境下對關(guān)鍵生產(chǎn)工序進行嚴(yán)格有效的質(zhì)量控制。

生產(chǎn)環(huán)境：為了防止雜質(zhì)污染，應(yīng)在廠房中配置一定面積的潔凈區(qū)。根據(jù)資金使用情況，可以將晶體硅材料制備工序和主要的加工設(shè)備配置在至少為10000級潔凈區(qū)或局部的1000級潔凈區(qū)內(nèi)。

質(zhì)量控制：對鑄造多晶硅的制備工藝、硅晶片的擴散工藝、絨面結(jié)構(gòu)制備工藝、減反射層沉積等關(guān)鍵工序進行嚴(yán)格的質(zhì)量控制。通過化學(xué)分析、物理測試等手段，確保晶體硅材料的質(zhì)量和性能符合要求。

晶體硅太陽電池用的晶體硅材料制備是一個復(fù)雜而精細(xì)的過程，需要嚴(yán)格控制原材料選擇、晶體生長、切割加工和后續(xù)處理等各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量，以確保最終產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。