Kilde: www.intechopen.com/books/solar-cells/industrial-silicon-solar-cells
Af Mehul C. Raval og Sukumar Madugula Reddy
Indsendt: 4. oktober 2018 Bedømt: 29. januar 2019 Offentliggjort: 15. maj 2019
DOI: 10.5772 / intechopen.84817
Abstrakt
Kapitlet vil introducere industrielle silicium-solcelleproduktionsteknologier med dets nuværende status. Kommerciel p-type og højeffektiv solcellestrukturer af n-type vil blive diskuteret og sammenlignet, så læseren kan få et forspring i industrielle solceller. En kort oversigt over forskellige procestrin fra strukturering til skærmtrykt metallisering præsenteres. Tekstureringsprocesser for monokrystallinske og multikrystallinske siliciumskiver er blevet gennemgået med de nyeste processer. En oversigt over de termiske processer ved diffusion og antireflekterende belægningsaflejring er blevet præsenteret. Den veletablerede skærmprintningsproces til solcellemetallisering introduceres med det hurtige fyringstrin til sintring af kontakterne. IV-test af solceller med forskellige parametre til solcellekarakterisering introduceres. Seneste udvikling inden for forskellige processer og udstyrsproduktion diskuteres også sammen med de forventede fremtidige tendenser.
Nøgleord
silicium
solceller
fremstilling
multikrystallinsk
monokrystallinsk
teksturering
1. Introduktion
Solceller er en vigtig vedvarende energikilde, som er vokset hurtigt fra 8 GW i 2007 til 400 GW i 2017 [1]. Sammen med den stigende efterspørgsel er omkostningerne til solcelleanlæg også faldet betydeligt fra 35,7 $ / Wpin 1980 til 0,34 $ / Wpin 2017, hvilket fremskynder vedtagelsen [2]. Silicium (Si), som er et vigtigt materiale i mikroelektronikindustrien, har også været det udbredte bulkmateriale fra solceller siden 1950'erne med en markedsandel på> 90% [2]. Kapitlet introducerer de typiske trin til fremstilling af kommercielle silicium-solceller. En kort historie med solceller og overblik over typen af siliciumsubstrater sammen med de forskellige solcellearkitekturer vil blive introduceret i afsnit 2 og 3. Derefter vil de vådkemiske trin og højtemperaturtrin, der anvendes til fremstilling, blive beskrevet i afsnit 4 og 5. Afsnit 6 vil diskutere metalliseringsprocessen sammen med typiske karakteriseringsparametre for kommercielle solceller. Endelig vil fremtidig køreplan og forventede tendenser blive diskuteret i det afsluttende afsnit.
2. Udvikling af solceller
Den 'fotovoltaiske effekt' betyder bogstaveligt generering af en spænding ved eksponering for lys. Fænomenet blev først observeret af den franske fysiker Edmund Becquerel på en elektrokemisk celle i 1839, mens det blev observeret af britiske forskere WGAdams og REDay på en solid state-enhed fremstillet af selen i 1876 [3]. Fra 1950'erne og fremover var der hurtige fremskridt med hensyn til ydeevnen af kommercielle solceller fra< 1%="" til=""> 23% [2] og silicium har været 'arbejdshesten' i solcellerindustrien siden derefter. Udviklingen af silicium solceller er vist i figur 1.
Figur 1. Udvikling af silicium solceller. (a) 1941: Solcelle rapporteret med dyrket krydsning, (b) 1954: Solcelle-pn-krydsning dannet med dopantdiffusion, (c) 1970: Violet celle med aluminium-bagoverfladefelt, (d) 1974: Sort celle med overflade med kemisk struktur [3].
De første silicium-solceller, der blev demonstreret af Russell Ohl fra Bell Laboratories i 1940'erne, var baseret på naturlige kryds dannet af urenhedssegregering under omkrystallisationsprocessen [3]. Cellerne havde en effektivitet på< 1%="" på="" grund="" af="" manglende="" kontrol="" over="" forbindelsesstedet="" og="" kvaliteten="" af="" siliciummaterialet.="" nomenklaturen="" til="" navngivning="" af="" regionerne="" (p-type:="" side,="" der="" er="" belysning="" og="" n-type:="" anden="" side)="" givet="" af="" ohl,="" er="" siden="" da="" brugt="" til="" solcelle="">
I løbet af 1950'erne var der hurtig udvikling i diffusionsprocessen ved høj temperatur for dopemidler i silicium. Person, Fuller og Chaplin of Bell Laboratories demonstrerede en 4,5% effektiv solcelle med lithiumbaseret doping, som forbedredes til 6% med bordiffusion. Solcellen havde en 'wrap-up' omkring strukturen (Figur 1 (b)) med begge kontakter på bagsiden for at undgå skyggetab, men førte til højere modstandstab på grund af omviklingsstrukturen. I 1960 udviklede cellestrukturen sig til som vist iFigur 1 (c). Da applikationen var til udforskning af rummet, blev substrat med høj resistivitet på 10Ω cm brugt til at have maksimal strålingsmodstand. Vakuumfordampede kontakter blev anvendt på begge sider, mens en siliciummonoxidcoating blev anvendt som en antireflekterende belægning (ARC) på forsiden (FS) [3].
I begyndelsen af 1970'erne blev det fundet, at at have sintret aluminium på bagsiden forbedret cellepræstationen ved at danne en stærkt doteret grænseflade kendt som 'back-surface field (Al-BSF)' og gettering af urenhederne [3]. Al-BSF reducerer rekombination af bærerne på bagsiden og forbedrer dermed spændingen og spektralresponsen med lang bølgelængde. Implementering af finere og tæt placerede fingre reducerede kravet til krydset doping og eliminerede det døde lag. En ARC af titandioxid (TiOx) blev brugt, og dens tykkelse blev valgt for at reducere refleksionen for kortere bølgelængder og gav solcellerne et violet udseende. Yderligere forbedring blev foretaget ved at strukturere vaflerne ved anvendelse af anisotrop ætsning af (100) vafler for at eksponere overfladerne (111). Strukturen førte til forbedret lysfangst og gav cellerne et mørkt fløjlsudseende. Den forbedrede cellearkitektur er vist iFigur 1 (d). I 1976 demonstrerede Rittner og Arndt terrestriske solceller med en effektivitet på 17% [3].
Den passiverede emitter solcelle (PESC) opnåede en milepæl på 20% effektivitet i 1984-1986. Metal / silicium-kontaktarealet var kun 0,3% i PESC-celler, mens et dobbeltlags ARC af ZnS / MgF2blev anvendt i begge cellestrukturer. I 1994 blev passiveret emitter bageste lokalt diffunderet (PERL) celle påvist med en effektivitet på 24% [3]. Sammenlignet med PESC-cellen havde PERL-cellen inverterede pyramider på FS for bedre lysfangst og oxidbaseret passivering på begge sider. Oxidpassiveringslag på bagsiden forbedrede også den interne reflektans af den lange bølgelængde og dermed spektrumresponsen.
Ud over de udviklende solcellearkitekturer har der også været kontinuerlig udvikling inden for produktionsområdet med hensyn til øget kapacitet, forbedrede procestrin og reducerede omkostninger. En kort oversigt over fremstillingen af Si-substrater og forskellige typer solceller gives i det næste afsnit.
3. Kommercielle silicium solcelle-teknologier
Si er det næstmest forekommende materiale på jorden efter ilt og har været meget udbredt i halvlederindustrien. Metallurgisk silicium (Mg-Si) med 98% renhed opnås ved opvarmning af kvarts (SiO2) med kulstof ved høje temperaturer på 1.500-2.000 [4]. Mg-Si renses yderligere for at opnå siliciumbiter af solkvalitet med en renhed på 99,99%. De raffinerede Si-klumper af solkvalitet behandles derefter yderligere for at opnå monokrystallinske og multikrystallinske former af Si-ingots, som er en stor masse silicium. I monokrystallinsk Si er atomerne arrangeret i den samme krystalorientering i hele materialet. For solceller foretrækkes (100) orientering, da den let kan struktureres for at reducere overfladereflektion [5]. Multikrystallinsk Si har, som navnet antyder, flere korn af Si-materiale med forskellige retninger, i modsætning til de monokrystallinske substrater. Monokrystallinsk materiale har en højere minoritetsbærerlevetid sammenlignet med multikrystallinsk Si og dermed højere solcelleeffektiviteter for en given solcelle-teknologi.
Czochralski (Cz) -metoden til fremstilling af monokrystallinske Si-ingots er illustreret i figur 2 (a). Smeltet silicium med doping med høj renhed opretholdes over smeltepunktet, og derefter trækkes en podekrystal med en meget langsom hastighed for at opnå en ingot på så stor som 300 mm i diameter og 2 m i længden [6]. Det smeltede silicium kan doteres med enten p-type eller doping af n-typen for at opnå den specifikke type monokrystallinsk Si-ingot på op til 200 kg [2]. Vafler, der er savet fra stængerne, har cirkulære kanter, og formen kaldes derfor en 'psuedo-firkant'. Multikrystallinske siliciumstænger fremstilles ved at smelte Si med høj renhed og krystallisere dem i en stor digel ved retningsbestøringsproces [7] som vist i figur 2 (b). Processen har ikke en referencekrystalorientering som Cz-processen og danner derfor siliciummateriale med forskellige retninger. I øjeblikket vejer de multikrystallinske Si-ingots> 800 kg [2], som derefter skæres i mursten og wafere saves yderligere.
Den nuværende størrelse af monokrystallinske og multikrystallinske skiver til solcellefremstilling er 6 tommer × 6 tommer. Arealet af de monokrystallinske vafler vil være lidt mindre på grund af den pseudo-firkantede form. Det mest anvendte basismateriale til fremstilling af solceller er bor-doteret Si-substrater af p-type. N-type Si-substrater til også brugt til fremstilling af solceller med høj effektivitet, men har yderligere tekniske udfordringer som at opnå ensartet doping langs barren sammenlignet med p-type substrater.
Figur 2. Illustration af (a) Cz-proces til monokrystallinske ingots og (b) retningsbestøringsproces for multikrystallinske ingots.
En bred klassificering af forskellige typer solceller sammen med effektivitetsområder er vist i figur 3. Standard-aluminium-bakoverfladefeltteknologien (Al-BSF) er en af de mest almindelige solcelle-teknologier i betragtning af dens relativt enkle fremstillingsproces. Det er baseret på fuld bagudside (RS) Al-aflejring ved hjælp af skærmudskrivningsproces og dannelse af en + BSF, som hjælper med at afvise elektronerne fra bagsiden af p-type substrat og forbedre celleydelsen. Produktionsflowet for Al-BSF solceller er vist i figur 4. Standarddesignet for kommercielle solceller er med FS-gittermønster og RS-kontakter med fuldt areal.
Figur 3. Bred klassificering af forskellige typer solceller.
Figur 4. Fremstilling af strøm af Al-BSF solceller.
Den passiverede emitter-bagkontakt (PERC) solcelle forbedrer Al-BSF-arkitekturen ved at tilføje et passiveringslag på bagsiden for at forbedre passivering af bagsiden og intern refleksion. Aluminiumoxid er et egnet materiale til RS-passivering med gennemsnitlig solcelleeffektivitet, der nærmer sig 21% opnået i produktionen [8]. En eksisterende Al-BSF solcellelinje kan opgraderes til PERC-processen ved hjælp af to ekstra værktøjer (RS-passivationslagaflejring og laser til lokal kontaktåbning på RS).
De resterende tre cellearkitekturer er hovedsageligt teknologier med højere effektivitet baseret på n-type Si-substrater. A-Si heterojunction solcelle har a-Si lag på FS og RS af n-type Si substrat for at danne 'heterojunktioner' i modsætning til det konventionelle højtemperatur diffusionsbaserede pn-kryds. En sådan teknologi tillader behandling ved lavere temperaturer, men er meget følsom over for overfladenes grænseflades kvalitet. a-Si-baseret heterojunction solcelle blev kommercielt fremstillet af Sanyo Electric, som nu overtages af Panasonic [9]. I det interdigiterede rygkontakt (IBC) solcelle-design er begge kontakter til stede på bagsiden, hvilket eliminerer FS-skygge tab. Typisk for IBC-solceller vil krydset også være placeret på bagsiden. En af de tidlige producenter af IBC-solcelle med høj effektivitet af n-typen er SunPower Corporation [10]. Bifaciale celler kan, som navnet antyder, fange lys fra begge sider af solcellerne. Dette indebærer, at bagsiden også har gittermønsterkontakter for at muliggøre lysopsamling. Et eksempel på bifacial teknologi er BiSON solcellen udviklet og kommercialiseret af ISC, Konstanz [11]. Det skal bemærkes, at den angivne klassificering ikke er en udtømmende liste over forskellige andre typer solcellearkitekturer, der er i R&-D-fase, tæt på kommercialisering eller allerede fremstillet. De efterfølgende afsnit giver en oversigt over procestrinene til fremstilling af Al-BSF solceller.
4. Vådkemiske processer til solcellefremstilling
Vådkemibaseret behandling er et vigtigt skridt i solcellebearbejdning til fjernelse af savskader (SDR) til as-cut wafers, strukturering af overfladen for at øge absorptionen af indgående solstråling og kantisolering efter diffusionsprocessen. Som diskuteret i det foregående afsnit er der hovedsageligt monokrystallinske og multikrystallinske siliciumskiver, der anvendes til fremstilling af solceller. Den vådkemibaserede behandling for de respektive typer vafler vil blive diskuteret i forvejen.
4.1 Teksturering af monokrystallinske siliciumskiver
Som angivet i afsnit 2 startede udviklingen af solceller primært med monokrystallinske wafere og anvendte derfor veletablerede metoder fra mikroelektronikområdet. Alkalisk anisotrop ætsning baseret på KOH / NaOH anvendes til pyramidestrukturering af monokrystallinske vafler. En skåret monokrystallinsk skive har en vægtet gennemsnitlig reflektans på> 30% (over bølgelængde på 300-1.200 nm), hvilket reduceres til 11-12% efter teksturering. Typisk morfologi af en alkalisk struktureret overflade er vist i figur 5. Den anisotrope ætsningsopløsning ætser overfladen (100) af waferne for at eksponere (111) ansigter, som har en højere tæthed af siliciumatomer og dermed en langsommere ætsningshastighed sammenlignet med ( 100) ansigter. Dette resulterer i dannelse af tilfældige pyramidestrukturer, der danner en vinkel på 54,7 ° i forhold til waferoverfladen.
Figur 5. Typisk overflademorfologi af en alkalisk struktureret monokrystallinsk wafer.
Typiske parametre for den alkaliske struktureringsproces er vist i tabel 1. Det skal bemærkes, at værdierne for forskellige parametre er vejledende og ikke skal betragtes som absolutte, da der findes en række producenter af additiver på markedet. Isopropylalkohol (IPA) blev oprindeligt brugt som tilsætningsstof i tekstureringsopløsningen, som ikke er involveret i ætsningsreaktionen, men fungerer som et befugtningsmiddel for at forbedre homogeniteten af struktureringsprocessen ved at forhindre H2-boblerne (genereret under reaktionen), siliciumoverfladen [12]. Imidlertid blev IPA gradvist erstattet af alternative tilsætningsstoffer i 2010 på grund af ulemper som ustabil koncentration, da badetemperaturen er tæt på IPA's kogepunkt (82,4 ° C), høje omkostninger, højt forbrug, sundhedsfarer og eksplosivitet [12]. Mange grupper har offentliggjort udviklingsarbejde for at erstatte IPA med alternative tilsætningsstoffer for at overvinde ulemperne ved IPA, øge procesvinduet og reducere overfladereflektansen [12,13,14,15,16]. Additiver reducerer også behandlingstiden til< 10="" minutter="" og="" øger="" badets="" levetid="" til=""> 100 kørsler.
Behandle
KOH / IPA
KOH / additiv
KOH (%) | 3 | & lt; 3 |
IPA (%) | 6 | — |
Tilsætningsstof (%) | — | & lt; 2 |
Process temperatur [° C] | & gt; 80 | 70–100 |
Pyramidestørrelse [μm] | 5–12 | 2–7 |
Behandlingstid [min] | 30–40 | 5–10 |
Organisk indhold [wt%] | 4–10 | & lt; 1.0 |
Kogepunkt [° C] | 83 | & gt; 100 |
Bad levetid | & lt; 15 | & gt; 100 |
Tabel 1. Processparametre for IPA-baseret og additivbaseret basisk strukturering af monokrystallinske wafere.
Tekstureringsprocessen for de monokrystallinske wafere udføres typisk i en 'batch', hvilket indebærer, at waferne er fyldt i en bærer med slidser til at holde skiverne (100 slots i en bærer), og derefter bearbejdes batchen sekventielt i bade til strukturering, rengøring, behandlingstrin til fjernelse af den organiske rest og metalforurening og tørring af de behandlede vafler. Bærerne er typisk overtrukket med PVDF, som har meget god modstandsdygtighed over for forskellige kemikalier, slid og mekanisk slitage. Typisk bærer til monokrystallinsk håndtering af vafler er vist i figur 6. Batchtekstureringsværktøjet har dedikerede bade til hvert trin med doseringstanke til kemikalier, der anvendes i badet. Værktøjet behandler mange bærere samtidigt og kan nå en gennemstrømning på> 6.000 skiver / h med behandling af fire bærere på samme tid.
Figur 6. Bærere til ilægning af wafere i batchværktøjet. Kilde: RCT solutions GmbH.
4.2 Teksturering af multikrystallinske siliciumskiver
Multikrystallinske vafler giver en omkostningsfordel sammenlignet med de monokrystallinske vafler og er derfor blevet bredere anvendt. Imidlertid fungerer den alkaliske kemi, der anvendes til strukturering af monokrystallinske vafler, ikke godt for multikrystallinske vafler på grund af tilstedeværelsen af forskellige kornorienteringer. En alternativ sur kemi baseret på HF og HNO3 blev udviklet for at fjerne savskaden og strukturere de multikrystallinske wafere samtidigt [17,18]. Den sure opløsningsbaserede strukturering fungerer ved temperaturer under stuetemperatur og fører dermed til reduceret reaktionsgasemission, lille varmeudvikling, højere stabilitet af ætsningsopløsningen og bedre kontrol af ætsningshastigheden [18]. En sammenligning af alkalisk strukturering og sur struktureringsproces for multikrystallinske wafere er vist i figur 7.
Figur 7. Sammenligning af alkalisk og sur strukturering til multikrystallinske wafere. Reflektionskurver efter aflejring af SiNx: H er også vist til sammenligning [17].
Den sure struktureringsproces af multikrystallinsk wafer kan udføres i betydeligt reduceret tid sammenlignet med den alkaliske struktureringsproces og kan derfor implementeres i en 'inline' konfiguration, hvor waferne føres gennem ruller nedsænket i ætsebadet. Et repræsentativt billede af en inline-proces sammen med den typiske sure struktureringsproces er vist i figur 8. For en konfiguration med fem baner kan det integrerede værktøj have en kapacitet på op til 4.000 wafers / h. Det er vigtigt at bemærke, at waferoverfladen vendt nedad i ætsningsopløsningen er struktureret bedre end oversiden og er den 'solrige side' til yderligere behandling. Den sure struktureringsproces fører til dannelse af porøst silicium på den teksturerede overflade, som absorberer lys og øger også overfladerekombinationen [18]. Derfor fjernes det porøse silicium under anvendelse af en fortyndet alkalisk opløsning. Derefter udføres en sur rengøring (HF + HCI) for at fjerne oxider og metalforurening fra waferoverfladerne.
Figur 8. (a) Repræsentativ integreret proces med fem baner og (b) sur struktureringsprocesflow for multikrystallinske wafere.
Det er vigtigt at bemærke, at den sure tekstureringsproces, der er diskuteret ovenfor, er velegnet til de flaskekrydsede wafere af gylle-wire. I løbet af de sidste par år har processen med diamanttrådsavning (DWS) erstattet gylle-trådbaseret skæring på grund af proces- og økonomiske fordele [19]. Savskaderne på SWS-multikrystallinske vafler er mere end DWS-vaflerne, som har dybe lige riller og en meget mere glattere overflade end de savede wafere til gylle [19]. Savskaderne for SWS-waferne spiller en vigtig rolle for at indlede tekstureringsprocessen, som ikke forekommer for DWS-waferne.
Forskellige metoder er blevet foreslået til strukturering af DWS-multikrystallinske vafler og er opsummeret i tabel 2 [20]. Ved at indstille de forskellige metoder kan der opnås reflektans på tæt på 0%, og derfor er udtrykket 'sort silicium' blevet brugt til teksturering af DWS multikrystallinske wafere. RIE var den første metode til fremstilling af sort silicium og bruger svovlhexaflourid (SF6) til at reagere med Si og gasser som Cl2 og O2 til passivering og begrænsning af reaktionen [20]. For nylig er kommercielle multi-PERC-solceller med en gennemsnitlig effektivitet på 21,3% blevet demonstreret med RIE-baseret tekstureringsproces [21]. Da RIE er en vakuumbaseret proces, er kapaciteten dog lav sammenlignet med en typisk inline-proces, og der kræves også yderligere forbehandling og efterbehandling for at fjerne savskaderne og skaderne på henholdsvis ionbombardement. En variant af RIE-metoden, som ikke kræver vakuum eller plasma, er blevet implementeret i et kommercielt værktøj [22].
Metode
Reagenser
Maske
Katalysator
Minimum reflektans (%)
Reaktiv ionætsning (RIE) | SF6/O2, SF6/ Cl2/O2, SF6/O2/ CH4 | Ingen | Ingen | 4.0 |
Implantation med nedsænkning af plasma (PIII) | SF6/O2 | Ingen | Ingen | 1.8 |
Laserbestråling | CCl4, C2Cl3F3, SF6Cl2, N2, luft | Ingen | Ingen | 2.5 |
Plasmaetsning | SF6 | Ag nano partikler | Ingen | 4.2 |
Metalassisteret kemisk ætsning (MACE) | AgNO3/ HF / HNO3 | Ingen | Ag, Au | 0.3 |
Elektrokemisk ætsning | HF, EtOH, H2O | Ingen | Ingen | & lt; 5.0 |
Tabel 2. Forskellige metoder til strukturering af diamanttrådsavede multikrystallinske wafere [20].
En af fremgangsmåderne til strukturering af DWS-multikrystallinske wafere er at opgradere den eksisterende sure tekstureringsbaserede kemi med additiver [23,24,25]. En sådan tilgang kan potentielt have en lavere CoO sammenlignet med den MACE-baserede tilgang [23]. Reflektion af en sådan additivbaseret tilgang har vist sig at ligne den konventionelle isotekstureringsopløsning med solcelleeffektivitet på 18,7% for den Al-BSF-baserede struktur [24].
MACE-baseret strukturering svarer til den konventionelle sure ætsningsmetode med et yderligere trin med katalytisk metalaflejring. Processstrømmen består af SDR, katalysatormetaldeponering, kemisk ætsning og efterbehandling. Effektiviteter på 19,2% er opnået for kommercielle multi-Al-BSF-celler ved hjælp af batch-type MACE-struktureringsproces [26]. Inline-type MACE-baseret kommercielt værktøj er blevet demonstreret med muligheden for at indstille reflektansen i intervallet 12-23% og opnå gennemsnitlig effektivitet for Al-BSF- og PERC-struktur på henholdsvis 18,8 og 20,2% [27]. Repræsentative billeder af struktureret overflade baseret på MACE-processen er vist i figur 9. Omkostningerne ved ejerskab (CoO) af den inline MACE-proces er potentielt lavere sammenlignet med den batchbaserede MACE-proces med mulighed for at reducere dem yderligere ved at genbruge Ag fra teksturbad [27].
Figur 9.MACE struktureret DWS multi wafers, (a) overflade med Ravg=12% og (b) overflade med Ravg=22% [27].
4.3 Vådkemibaseret kantisolering
Emitterområdet i en solcelle er fremstillet af en diffusionsproces ved høj temperatur (som skal diskuteres i afsnittene foran). Under diffusionsprocessen afsættes fosforsilikatglas (PSG) på skiven, som skal fjernes inden aflejring af ARC-laget. Som vist i figur 10 er regionen af n-typen efter diffusionstrinnet også til stede på kanterne og bagsiden af waferen. N-type laget på kanterne og bagsiden vil kortslutte emitteren med basissubstratet, og derfor er det vigtigt at ætse disse regioner og isolere emitteren på FS fra basissubstratet som vist i figur 10 (c).
Figur 10. Behandling af siliciumskive efter diffusion og kantisolering (a) Tekstureret siliciumskive, (b) Diffuseret siliciumskive, (c) Diffuseret siliciumskive efter kantisolering.
Kanteisoleringsprocessen kan udføres på en inline måde svarende til tekstureringsprocessen, der blev diskuteret i det foregående afsnit. Undtagelsen i dette tilfælde er, at kemikaliet kun skal ætse bagsiden og kanterne uden at interagere med FS. Et repræsentativt billede af kantisoleringsprocessen er vist i figur 11. Det er vigtigt at bemærke, at rullerne kun er til stede på undersiden for at undgå kontakt mellem ætseløsningen og forsiden. De efterfølgende trin efter RS-ætsningen ligner dem i den integrerede teksturmaskine.
Figur 11. repræsentativt billede af solcelle i et indbygget kantisolationsbad.
5. Termiske processer til fremstilling af solceller
Processer ved høje temperaturer udgør en vital del af solcellefremstilling. Eksempler på sådanne processer er dannelse af pn-forbindelsen ved diffusion, affyring af skærmtrykte kontakter, aktivering af overfladepassiveringslag eller annealingprocesinducerede defekter. Afsnittet skimter den grundlæggende fysik i emitterdiffusionsprocessen og plasmaforbedret kemisk dampaflejring (PECVD).
5.1 Emitterdiffusion
Emitterdiffusion er et af de afgørende termiske trin i den industrielle fabrikation af solceller. N-typen emitter af de krystallinske p-type silicium solceller dannes ved fosfor (P) diffusion. I diffusionsprocessen sendes Si-waferne i en ovn og udsættes ved 800-900 ° C for phosphorylchlorid (POCl3) og O2, hvilket resulterer i PSG-aflejring på Si-waferoverfladerne. Dette trin kaldes som forudfældning, hvor PSG [28] fungerer som en kilde til fosfor (P) dopanter for at diffundere ind i Si waferen. Det næste trin er drive-in, hvor tilførslen af dopinggasser frakobles, og P fra PSG-laget diffunderer længere ind i Si-waferen. Hannes etal. [29] illustrerer for den optimale procesmulighed for solcelleanvendelser, tre forskellige effekter skal overvejes. For det første in-diffusion af P fra PSG og dets tilstedeværelse i elektrisk aktive og inaktive tilstande i Si-waferen, hvilket øger Shockley-Read-Hall (SRH) rekombination. For det andet er gettering af urenheder i Si-laget mod PSG-laget. Endelig trækker metalkontaktdannelsen med den P-dopede Si-emitter den genererede effekt.
Diffusionsprocessen kvantificeres ved arkmodstand, som afhænger af dybden af pn-krydset og P-koncentrationsprofilen. Arkmodstanden har enheder på Ω / cm (almindeligvis målt som Ω / □) og måles ved hjælp af et firepunkts-probe-system. Definitionen af arkmodstand er illustreret i ligning. (1).
hvorR=modstand af et rektangulært snit (Ω); ρ=resistivitet (Ω cm); l=længde af det rektangulære snit (cm); A=arealet af det rektangulære afsnit (cm2); W=bredden af det rektangulære snit (cm D; dybde af det rektangulære snit (cm) og ρark=modstand for given dybde (D) når l=W (Ω / □).
De tidligere værdier for emitterarkmodstand var 30-60Ω / □ med pn-forbindelsesdybder på> 400 nm og høj P-overfladekoncentration. Med forbedringer i sølvkontaktpastaen på forsiden (Ag) er emitterarkmodstanden nu i området 90-110Ω / □ med krydsdybde på omkring 300 nm og lavere P-overfladekoncentration. Skift til større arkmodstand gør det muligt at fange mere lys i UV og blå spektrum, samtidig med at overfladen rekombination reduceres for at forbedre Voc. Det skal bemærkes, at diffusionsprocessen sker på FS (direkte udsat for gasserne) og også på kanterne og RS. Hvis kantisoleringsprocessen ikke udføres (som beskrevet i afsnit 4.3), vil emitteren kortsluttes med substratet.
Figur 12 viser POCl3-diffusionsprocessen i et lukket kvartsrørsystem. POCl3 er en flydende kilde, der leveres til procesrøret ved at boble den med en bærergas N2. Ved blanding
Figur 12. (a) Skematisk gengivelse af batch-diffusionsprocessen og (b) repræsentativt billede af et batch-diffusionsudstyr. Kilde: centrotherm GmbH.
På Si-overfladen,
Klor, som er et biprodukt under forudfældningen, renser vaflerne og kvartsrøret ved at danne komplekser med metaller. PSG bruges som kilde til kørsel i P-atomer ind i Si overflade. Under indkøringsprocessen slukkede POCl3is, og kun O2 tilføjedes for at opbygge et tyndt oxidlag under PSG for at forbedre diffusionen af P-atomer i Si-overfladen.
Inde i diffusionsrøret er der fem opvarmningszoner som illustreret i figur 13. Zonerne er:
Fyldningszone (LZ) - område hvorfra vaflerne lægges i røret.
Centerbelastningszone (CLZ) - område mellem lastningszone og centerzone.
Centerzone (CZ) —rørets midterområde.
Centergaszone (CGZ) - område mellem centerzonen og gaszonen.
Gaszone (GZ) - område hvorfra gasserne bevæger sig ud gennem udstødningen.
Figur 13. Opvarmningszoner inde i diffusionsrøret.
Typisk justeres temperaturerne i hver opvarmningszone for at opnå lige modstand for emitterark for alle vafler på tværs af båden.
Diffusionsprocessens miljø skal være meget rent, og derfor anvendes kvartsmateriale til rørene. Rengøringen af rørene og vedligeholdelse af belastningsområdet påvirker også procesresultaterne. Da der i gasfasediffusion ikke er nogen rester i røret, resulterer det i en renere proces. Ved halv stigning i lavtryk (LP) -forholdene [31] kan kapaciteten øges. Almindeligvis læsses 1.000 wafere i et enkelt rør, og med fem diffusionsrør i et batch-diffusionssystem kan der opnås en gennemstrømning på op til 3.800 wafere / t til solcellefremstilling.
Et inline-diffusionssystem, hvor vaflerne transporteres på et bælte med fosforsyre som kilde til P-dopemidler, blev også brugt i kommerciel produktion [32]. Sammenlignet med den integrerede proces er batchprocessen imidlertid mere ren, effektiv og effektiv. For n-type solceller eller avancerede solcelleconcepter som PERT er p-typen batchdiffusion baseret på bor (B) -dopantkilder som bortribromid (BBr3) [33,34].
5.2 Antireflekterende belægning (ARC)
En bar Si-overflade reflekterer> 30% af den lysindfald. Som diskuteret i afsnit 4 forbedrer tekstureringsprocessen lysfangsten. Det er ønskeligt at reducere refleksionen yderligere, som opnås ved at deponere et ARC-lag. TiOx var et af de tidligste materialer, der blev brugt som et ARC-lag til solceller, men da det ikke kunne give tilstrækkelig overfladepassivering, blev det til sidst erstattet af SiNx: H [37]. Termisk dyrket siliciumoxid (SiO2) blev også anvendt som det passiverende materiale i det rekordstore passiverede emitter bagved lokalt diffunderede (PERL) celler [37]. Højt termisk budget og lang procestid gjorde SiO2-baseret passivering uegnet til masseproduktion af solceller [37]. En omfattende gennemgang af forskellige ARC og passiverende materialer til solcelleanvendelser diskuteres i [37].
Plasma-forbedret kemisk dampaflejringsproces (PECVD) er velegnet til deponering af et ARC-lag af SiNx: H, som ikke kun reducerer refleksionen, men også passiverer den forreste n-type emitter og bulk og forbedrer således solcelleeffektiviteten [36, 37]. En skematisk oversigt over et PECVD-system af batch-type er vist i figur 14. Waferne læsses i en grafitbåd med forsiden vendt mod hinanden. Et RF-plasma baseret på procesgasser ammoniak (NH3) og silan (SiH4), der arbejder ved en temperatur på 400-450 ° C, afsætter det hydrogenerede SiNx: H-lag som pr. Ækv. (4) [35]. Brintet, der er inkorporeret i SiNx: H-filmen, diffunderer ind i bulk under affyringstrinnet (diskuteret i næste afsnit) og passiverer de dinglende bindinger for at forbedre solcelleydelsen [36,37].
Figur 14. (a) Skematisk diagram af batch-type PECVD-proces til SiNx: H-aflejring og (b) grafitbåd til ilægning af Si-wafere i PECVD-ovnen.
Brydningsindekset (RI) for SiNx: H-filmen styres af forholdet mellem SiH4 / NH3gas, mens tykkelsen afhænger af aflejringens varighed. SiNx: H-baseret ARC kan minimere refleksionen for en enkelt bølgelængde, og bølgelængdetykkelsen er givet ved [38],
hvor=tykkelse af SiNx: H ARC-laget, λ0=bølgelængde for indkommende lys og n1=brydningsindeks for SiNx: H-laget.
Baseret på forholdet kaldes ARC også som en 'kvart bølgelængde ARC'. For solceller vælges RI og tykkelse for at minimere reflektionen ved en bølgelængde på 600 nm, da det er toppen af solspektret. Tykkelsen og RI af ARC er valgt til at være det geometriske gennemsnit af materialer på begge sider, dvs. glas / luft og Si. Den typiske tykkelse af SiNx: H ARC er 80–85 nm med RI på 2,0-2,1, hvilket giver solcellen en farve blå til violet blå. Et repræsentativt billede af struktureret multikrystallinsk solcelle deponeret med SiNx: H er vist i figur 15 (a), mens variationen af SiNx: H-farve baseret på dens tykkelse er vist i figur 15 (b). Det er vigtigt at bemærke, at der er en afhængighed af overfladestruktur og ARC-farve for givne aflejringsparametre. Der er en række solcellemoduler, hvor solcellernes farve er mørkere i modsætning til den typiske blå farve. Et typisk ARC-aflejringstrin i en solcellefremstillingslinje består af to PECVD-systemer, hver med fire rør og en kapacitet på op til 3.500 wafere / t.
Figur 15. (a) Repræsentativt billede af SiNx: H-belagt multikrystallinsk solcelle, (b) variation af SiNx: H-lag baseret på dets tykkelse.
SiNx: H er ikke egnet til passivering af p-type Si og derfor anvendes dielektrikum som Al2O3 til RS-passivering til cellearkitektur som PERC-celler [8] eller til p-type emittere i n-type solceller. For PERC-solceller er Al2O3-passiveringslaget lukket med en SiNx: H for at beskytte det mod Al-pastaen under fyringsprocessen og fungerer også som en intern reflektor til lyset med lang bølgelængde. Kommercielle PECVD- og ALD-baserede systemer (atomic layer deposition) er tilgængelige til deponering af Al2O3 med gennemstrømning på op til 4.800 wafers / h [39].
6. Metallisering og solcelle karakterisering
6.1 Screen-print-baseret metallisering
Det sidste behandlingstrin til solcellefremstilling er FS- og RS-metalliseringen for at trække strømmen ud med minimale resistive tab. Ag er et godt kontaktmateriale for emitteren af n-typen, mens Al gør en meget god kontakt med p-typen substrat. En kombination af Ag / Al-pasta bruges til at udskrive puder på RS for at lette sammenkobling af solceller i et modul. Screen-printing er en enkel, hurtig og kontinuerligt udviklende proces til solcellemetallisering.
En skematisk gengivelse af skærmtryksprocessen er vist i figur 16. Skærmene har et emulsionsbelagt rustfrit stålnet med åbninger i henhold til det ønskede metalliseringsmønster som illustreret i figur 17 (a). Metalpastaen spredes over skærmen via oversvømmelsen og gummiskraberbevægelsen, der afsætter pastaen på solcellen baseret på skærmmønsteret. Snap-off er afstanden på skærmen og solcellen. Gummiskrabetrykket og snap-off-afstanden er de kritiske parametre, der bestemmer fastlæggelsen af pastaen og geometrien af Ag FS-fingrene.
Figur 16. Illustration af skærmtrykprocessen til solcellemetallisering.
Figur 17. (a) Mesh-emulsionsskærm med fingeråbning til FS Ag-udskrivning [40] og (b) repræsentativt FS-metalliseringsmønster.
Typisk pasta fastlægges for Ag / Al RS-puder, RS Al og FS Ag er henholdsvis 35–45 mg, 1,1–1,4 g og 100–120 mg for en 6-tommer Al-BSF-multikrystallinsk solcelle. Et illustrerende Ag FS-metalliseringsmønster er vist i figur 17 (b). Ag-fingeråbningen er reduceret til under 30 μm, mens anvendelse af 5 bus-bar bliver stadig mere vedtaget nu. Med en sådan skærmparameter og god pasta fastlægges, skal der opnås konsistent FF på> 80% for Al-BSF solceller med et optisk skyggetab på<>
6.2 Tørring og hurtig fyring af metalliseringspastaer
Metaliseringspastaerne består af metalpulver, opløsningsmidler og organiske bindemidler. I tilfælde af FS Ag-pasta indeholder pastaen også glasfritte, mens den ætser SiNx: H-laget og kommer i kontakt med n-typen emitter [41]. Metalpastaerne tørres efter udskrivning, og til sidst sendes de gennem en hurtigfyrende ovn til sintring og danner RS Al-BSF- og FS Ag-kontakten. Et eksempel på en sådan hurtigfyrende ovn med temperaturprofilen er vist i figur 18. FS Ag-fingersintringsprocessen er illustreret i figur 19. Når solcellen passerer gennem den hurtigfyrende ovn, brændes de organiske bindemidler efterfulgt af smeltning af glasfritten og til sidst dannelse af Ag-krystallitter i kontakt med emitteren af n-typen. Tændingsprofilen skal indstilles baseret på de specifikke typer metalliseringspastaer og emitterdiffusionsprofiler. Som et eksempel kan fyringens spids temperatur være lav for ikke at danne en god ohmsk kontakt på FS, mens en for høj temperatur kan føre til diffusion af Ag gennem krydset og shuntning af pn-krydset. Billedet af en komplet flerkrystallinsk Al-BSF solcelle er vist i figur 20.
Figur 18. (a) Eksempel på en fyringsovn til sintring af metalkontakter og (b) illustrativ temperaturprofil for en fyringsovn. Kilde: centrotherm GmbH.
Figur 19. Illustration af fyringsprocessen. (a) udbrænding af de organiske bindemidler, (b) smeltning af glasfritte, som ætser SiNx: H og (c) Ag-krystallitdannelse ved emittergrænsefladen.
Figur 20. (a) FS for en komplet solcelle og (b) RS for en komplet solcelle.
6.3 Pletteringsbaseret metallisering på forsiden
Omkostningerne ved forskellige faktorer i solcellebearbejdning er faldet gennem årene, mens bidraget fra front Ag stadig er det mest betydningsfulde [42]. Der er gjort en betydelig mængde arbejde for at erstatte Ag med alternativt metal som kobber (Cu), som har en ledningsværdi på meget tæt på Ag og også giver en potentiel betydelig omkostningsfordel [43,44]. Cu har høj diffusivitet og opløselighed i Si, og derfor afsættes et barriere-lag som nikkel (Ni) på Si før Cu-udpladning [42]. Lysinduceret udpladning (LIP), der er afledt af konventionel udpladning, anvender den fotovoltaiske effekt af lys til at plade det ønskede metal og har mange fordele sammenlignet med konventionel udpladning [43,44].
Ni-Cu-baseret metallisering på forsiden kræver et ekstra ARC-mønstring på forsiden i modsætning til Ag-pasta-baseret metallisering og i de fleste tilfælde også et ekstra Ni-sintringstrin for at reducere kontaktmodstanden og have god vedhæftning af metalstakken [42 ]. Kommercielle DWS-skårne mc-Si solceller baseret på Ni-Cu-Ag-belagt stak er blevet demonstreret med en fingerbredde på 22 μm, billedformat på tæt på 0,5 og lignende effektivitet som for referenceskærmtrykte Ag-baserede solceller [45 ].
Kontinuerlig forbedring af Ag FS-pastaer sammen med enkelhed, pålidelighed og høj gennemstrømning af skærmtryksprocessen har gjort det vanskeligt for Ni-Cu-baseret metallisering at konkurrere med Ag-baseret FS-metallisering. Imidlertid er høje solcelleeffektivitetskoncepter som bifacial heterojunction solceller, hvor Cu kan udplades direkte på det transparente ledende oxid, udpladningsprocessen forenkles og kræver kun et enkelt værktøj [39]. Tilsvarende kan koncepter med høj effektivitet, som kræver reduceret mængde metal, opnå det samme ved hjælp af pletteringsbaseret metallisering [42,46].
6.4 IV-test og karakterisering af solceller
Det sidste trin er IV-test af de komplette solceller i henhold til standard testbetingelser (STC), dvs. AM 1.5G, 1000W / m2 med en klasse AAA solsimulator. Et eksempel på FS-sondering af solceller er vist i figur 21. De typiske parametre opnået fra IV-testeren er angivet i tabel 3. IV-testere har mange karakteriseringsparametre, som kan være nyttige til diagnose af solcellefejl. Repræsentativ elektroluminescens (EL) og termisk IR-billede af en solcelle med nogle defekter er vist i figur 22 (a) - (c). Et EL-billede af en god solcelle med ensartet intensitet er vist i figur 22 (a), mens for en solcelle, hvor FS-fingrene ikke er trykt ensartet, kan en mørkere kontrast ses i figur 22 (b). Figur 22 (c ) viser et termisk IR-billede af en solcelle med en lokal shunt, der er dannet under et af behandlingstrinene. Til sidst sorteres solcellerne i forskellige effektivitetsbakker baseret på den valgte klassificering.
Figur 21. FS-måling FS sondering for solcelle karakterisering.
Parameter
Kommentarer
Voc(V) | Gode mc-Si Al-BSF solceller har en værdi på> 0,635V |
Isc(A) | Gode mc-Si Al-BSF solceller har en værdi på> 9,0 A |
FF (%) | Gode mc-Si Al-BSF solceller har en værdi på> 80% |
Effektivitet (%) | Gode mc-Si Al-BSF solceller har en værdi på> 18,6% |
Vmpp(V) | Tilsvarende spænding ved det maksimale effektpunkt |
Impp(A) | Tilsvarende strøm ved det maksimale effektpunkt |
Rs(Ω) | Gode mc-Si Al-BSF solceller har en værdi på< 1,5=""> |
Rsh(Ω) | Gode mc-Si Al-BSF solceller har en værdi på> 100Ω |
Irev(A) | Omvendt strøm ved en spænding på -12V skal være< 0,5="" a="" for="" gode=""> |
FS BB-BB modstand (Ω) | Modstand målt mellem BB'erne på FS |
RS BB-BB modstand (Ω) | Modstand målt mellem BB'erne på RS |
Tabel 3. parametre til karakterisering af en solcelle opnået ved IV-måling.
Figur 22. (a) EL-billede af en god solcelle, (b) EL-billede af en solcelle med ikke-ensartethed i Ag-fingeraftryk og (c) termisk IR-billede af en solcelle, der indikerer tilstedeværelse af lokaliserede shunter.
7. Fremtidige tendenser
DWS er blevet standarden for monokrystallinske vafler, mens det forventes at have en markedsandel på> 80% inden 2022 for multikrystallinske vafler [2]. SWS til flerkrystallinske vafler forventes at udfase på det tidspunkt. Med DWS ville kerf-tabet også blive< 80="" μm="" inden="" 2022,="" hvilket="" igen="" ville="" reducere="" poly-si-forbruget="" pr.="" wafer="" under="" 15="" g.="" 3bb-design="" til="" frontkontakter="" forventes="" at="" udfase="" inden="" 2020="" med="" 50%="" andel="" for="" 5bb-design.="" med="" kontinuerlige="" forbedringer="" af="" ag-pastaer="" og="" -skærme="" forventes="" fs-fingerbredden="" at="" blive="" reduceret="" til="" 30="" μm="" inden="" 2022.="" vådkemiske="" behandlingsværktøjer="" har="" krydset="" kapacitet="" på="" 8.000="" wafere="" t="" i="" 2018="" og="" ville="" berøre="" 9.000="" wafers="" h="" inden="" 2020.="" udstyr="" til="" termisk="" bearbejdning="" har="" nået="" en="" gennemstrømning="" på="" 5000="" wafere="" t="" i="" 2018="" og="" forventes="" at="" krydse="" 7.000="" wafere="" i="" timen="" inden="" 2020.="" afsnittet="" om="" metallisering="" og="" iv-test="" sortering="" forventes="" at="" have="" en="" gennemstrømning="" på=""> 7.000 wafere / t inden 2022.
Al-BSF-baseret celleteknologi, der har en markedsandel på> 60% i 2018 forventes at reducere til< 20%="" inden="" 2025.="" med="" mere="" vægt="" på="" højeffektive="" solcelleconcepter,="" andel="" af="" perc="" teknologi="" forventes="" at="" være=""> 50% inden 2022. Produktionseffektiviteten af Mono PERC forventes at være> 22% inden 2022, mens den for multi PERC skal berøre 21% på samme tid. Et vigtigt aspekt relateret til multi-PERC er afbødning af LeTID-baseret problem for at minimere tabet af effektivitet efter installation af modulerne i marken. Si HJ-celler med effektivitet på> 22% i 2018 efter forventet at nå en stabil effektivitet på 23% inden 2020 med en markedsandel på omkring 10% inden 2022. Højeffektive bifaciale celler med en yderligere fordel ved at tappe solenergi stråling fra bagsiden forventes at have en markedsandel på 20% inden 2022. N-type rygkontakt solceller forventes at krydse 24% effektivitet inden 2020.
8. Konklusioner
Si solceller er blevet en vigtig del af det vedvarende energidomæne i løbet af de sidste årtier med modne produktionsteknologier. P-type multikrystallinske vafler er blevet det vigtigste ophold for solcelleproduktion. Men med højere effektivitet og faldende produktionsomkostninger har monokrystallinske solceller også fået en betydelig andel og forventes at konkurrere tæt med multikrystallinske vafler i den nærmeste fremtid. For standard Al-BSF-teknologi er 19 og 20% blevet benchmark for henholdsvis multikrystallinske og monokrystallinske solceller. Mono-PERC og multi-PERC celler har nået stabiliseret effektivitet på henholdsvis 21,5 og 20%. Derudover giver PERC også en enklere tilgang til bifaciale solceller ved at have et gittermønster på RS i stedet for den fulde områdekontakt. Højeffektiv n-type og bifaciale solceller har en markedsandel på< 10%,="" hvilket="" forventes="" at="" stige="" i="" fremtiden.="" produktionsteknologierne="" er="" modnet="" betydeligt="" i="" de="" sidste="" par="" år="" med="" yderligere="" forbedringer="" for="" at="" øge="">
Anerkendelser
Forfatterne vil gerne takke kollegerne fra RCT Solutions GmbH, hvorfra noget af indholdet til kapitlet er taget. Mehul C.Raval vil gerne takke kollega Jim Zhou for diskussionerne om sort silicium-strukturering.
