Източник: www.intechopen.com/books/solar-cells/industrial-silicon-solar-cells
От Mehul C. Raval и Sukumar Madugula Reddy
Изпратено: 4 октомври 2018 г. Преглед: 29 януари 2019 г. Публикувано: 15 май 2019 г.
DOI: 10.5772 / intechopen.84817
Резюме
Главата ще представи индустриални силициеви технологии за производство на слънчеви клетки с текущото им състояние. Ще бъдат обсъдени и сравнени търговските p-тип и високоефективни n-тип структури от слънчеви клетки, така че читателят да може да даде предимство в индустриалните слънчеви клетки. Представен е кратък преглед на различни стъпки на процеса от текстуриране до ситопечат на метализация. Процесите на текстуриране на монокристални и многокристални силициеви пластини са прегледани с най-новите процеси. Представен е преглед на термичните процеси на дифузионно и антирефлексно нанасяне на покритие. Добре установеният процес на ситопечат за метализиране на слънчеви клетки е въведен със стъпката за бързо изпичане за синтероване на контактите. Въвежда се IV тестване на слънчеви клетки с различни параметри за характеризиране на слънчевите клетки. Обсъждат се и най-новите разработки в различни процеси и производство на оборудване, заедно с очакваните бъдещи тенденции.
Ключови думи
силиций
слънчеви клетки
производство
многокристален
монокристален
текстуриране
1. Въведение
Фотоволтаиците са важен възобновяем енергиен източник, който бързо нарасна от 8GW през 2007 г. на 400GW през 2017 г. [1]. Заедно с нарастващото търсене, разходите за фотоволтаична система също са спаднали значително от 35,7 $ / Wpin 1980 до 0,34 $ / Wpin 2017, ускорявайки приемането му [2]. Силиций (Si), който е важен материал за микроелектронната индустрия, също е широко използван насипен материал от слънчеви клетки от 50-те години на миналия век с пазарен дял от> 90% [2]. Главата ще представи типичните стъпки за производство на търговски силициеви слънчеви клетки. Кратка история на слънчевите клетки и преглед на типа силициеви субстрати заедно с различната архитектура на слънчевите клетки ще бъдат представени в раздели 2 и 3. Впоследствие стъпките на мократа химия и висока температура, използвани при производството, ще бъдат описани в раздели 4 и 5. Раздел 6 ще обсъди процеса на метализация заедно с типичните параметри за характеризиране на търговските слънчеви клетки. И накрая, бъдещата пътна карта и очакваните тенденции ще бъдат обсъдени в заключителния раздел.
2. Еволюция на слънчевите клетки
„Фотоволтаичният ефект“ буквално означава генериране на напрежение при излагане на светлина. Феноменът е наблюдаван за пръв път от френския физик Едмънд Бекерел върху електрохимична клетка през 1839 г., докато е наблюдаван от британски учени WGAdams и REDay върху устройство в твърдо състояние, направено от селен през 1876 г. [3]. От 50-те години нататък има бърз напредък в представянето на търговските слънчеви клетки от< 1%="" до=""> 23% [2], а силицият е „работен кон“ на фотоволтаичната индустрия оттогава тогава. Еволюцията на силициевите слънчеви клетки е показана на фигура 1.
Фигура 1. Еволюция на силициеви слънчеви клетки. (а) 1941: Слънчева клетка, съобщена с вградено кръстовище, (б) 1954: Слънчева клетка pn връзка, образувана с дифузия на добавка, (в) 1970: Виолетова клетка с алуминиево поле на задната повърхност, (г) 1974: Черна клетка с повърхност с химическа текстура [3].
Първите силициеви слънчеви клетки, демонстрирани от Ръсел Ол от Bell Laboratories през 1940 г., се основават на естествени връзки, образувани от сегрегация на примеси по време на процеса на прекристализация [3]. Клетките имаха ефективност от< 1%="" поради="" липса="" на="" контрол="" върху="" мястото="" на="" кръстовището="" и="" качеството="" на="" силициевия="" материал.="" оттогава="" номенклатурата="" за="" именуване="" на="" регионите="" (p-type:="" страна,="" която="" е="" осветена="" и="" n-type:="" друга="" страна),="" дадена="" от="" ohl,="" оттогава="" се="" използва="" за="" конвенциите="" за="" именуване="" на="" слънчевите="">
През 50-те години се наблюдава бързо развитие на високотемпературния дифузионен процес за добавки в силиций. Person, Fuller и Chaplin от Bell Laboratories демонстрираха 4,5% ефективна слънчева клетка с допинг на основата на литий, която се подобри до 6% с дифузия на бор. Слънчевата клетка имаше "обвивка" около структурата (Фигура 1 (б)) и с двата контакта на задната страна, за да се избегнат загубите на засенчване, но доведоха до по-високи резистивни загуби поради обвиващата структура. Към 1960 г. клетъчната структура еволюира до, както е показано вФигура 1 (в). Тъй като приложението е било за космически изследвания, е използван субстрат с високо съпротивление от 10Ω cm, за да има максимална радиационна устойчивост. Вакуумно изпарените контакти бяха използвани от двете страни, докато силициев моноксид покритие беше използвано като антирефлексно покритие (ARC) от предната страна (FS) [3].
В началото на 70-те години беше установено, че синтерираният алуминий от задната страна подобрява работата на клетката чрез образуване на силно легиран интерфейс, известен като „поле на задната повърхност (Al-BSF)“ и получаване на примесите [3]. Al-BSF намалява рекомбинацията на носителите от задната страна и следователно подобрява напрежението и спектралния отговор на дългите вълни. Прилагането на по-фини и близко разположени пръсти намали изискването за легиране на кръстовището и премахна мъртвия слой. ARC на титанов диоксид (TiOx) и се използва дебелината му, за да се намали отражението за по-къси дължини на вълната и даде виолетов вид на слънчевите клетки. По-нататъшно подобрение беше направено чрез текстуриране на вафлите, използвайки анизотропно офорт на (100) вафли, за да се изложат повърхностите (111). Текстурирането доведе до подобрено улавяне на светлината и придаде на клетките тъмен кадифен вид. Подобрената клетъчна архитектура е показана вФигура 1 (г). През 1976 г. Rittner и Arndt демонстрират наземни слънчеви клетки с ефективност, близка до 17% [3].
Слънчевата клетка с пасивиран емитер (PESC) постигна крайъгълен камък от 20% ефективност през 1984–1986 г. Площта на контакт метал / силиций е само 0,3% в PESC клетките, докато двуслойният ARC от ZnS / MgF2се използва и в двете клетъчни структури. През 1994 г. бяха показани пасивирани емитерни задни локално дифузирани (PERL) клетки с ефективност 24%3]. В сравнение с клетката PESC, клетката PERL има обърнати пирамиди на FS за по-добро улавяне на светлина и пасивиране на базата на оксид от двете страни. Оксидният пасивиращ слой от задната страна също подобрява вътрешната отражателна способност на дългата дължина на вълната и следователно спектърът.
В допълнение към развиващите се архитектури на слънчеви клетки, също се наблюдава непрекъснато развитие в областта на производството по отношение на увеличена производителност, подобрени стъпки на процеса и намалени разходи. Кратък преглед на производството на Si субстрати и различни видове слънчеви клетки е даден в следващия раздел.
3. Търговски силициеви технологии за слънчеви клетки
Si е вторият най-разпространен материал на земята след кислорода и е широко използван в полупроводниковата индустрия. Металургичен силиций (Mg-Si) с 98% чистота се получава чрез нагряване на кварц (SiO2) с въглерод при високи температури от 1500 до 2000 [4]. Mg-Si се пречиства допълнително, за да се получат слънчеви силициеви парчета с чистота 99,99%. След това рафинираните парчета Si от слънчева степен се обработват допълнително, за да се получат монокристални и многокристални форми на Si слитъци, които представляват голяма маса силиций. В монокристалния Si атомите са разположени в една и съща кристална ориентация в целия материал. За слънчевите клетки се предпочита ориентацията (100), тъй като може лесно да се текстурира, за да се намали отражението на повърхността [5]. Многокристалният Si, както подсказва името, има множество зърна от Si материал с различна ориентация, за разлика от монокристалните субстрати. Монокристалният материал има по-висок живот на малцинствения носител в сравнение с многокристалния Si и следователно по-висока ефективност на слънчевите клетки за дадена технология на слънчевите клетки.
Методът на Czochralski (Cz) за получаване на монокристални Si слитъци е илюстриран на фигура 2 (а). Разтопен силиций с добавка с висока чистота се поддържа над точката на топене и след това се извлича семен кристал с много бавна скорост, за да се получи слитък с размер до 300 mm в диаметър и 2 m дължина [6]. Разтопеният силиций може да бъде легиран с добавки p-type или n-type, за да се получи специфичният тип монокристален Si слитък до 200 kg [2]. Нарязаните на слитъци вафли имат кръгли ръбове и поради това формата се нарича „квадрат psuedo“. Многокристалните силициеви слитъци се получават чрез топене на Si с висока чистота и кристализирането им в голям тигел чрез процес на насочено втвърдяване [7], както е показано на фигура 2 (b). Процесът няма еталонна кристална ориентация като процеса Cz и следователно образува силициев материал с различна ориентация. В момента многокристалните Si блокове тежат> 800 kg [2], които след това се нарязват на тухли и вафли се пилят допълнително.
Настоящият размер на монокристалните и многокристалните пластини за производство на слънчеви клетки е 6 инча × 6 инча. Площта на монокристалните вафли ще бъде малко по-малка поради псевдо-квадратната форма. Най-широко използваният основен материал за направата на слънчеви клетки са легираните с бор p-тип Si субстрати. N-тип Si субстрати за също използвани за производство на високоефективни слънчеви клетки, но имат допълнителни технически предизвикателства като получаване на равномерно легиране по слитъка в сравнение с субстрати от тип p.
Фигура 2. Илюстрация на (a) Cz процес за монокристални блокове и (b) процес на насочено втвърдяване за многокристални блокове.
Широка класификация на различните видове слънчеви клетки, заедно с диапазоните на ефективност е показана на Фигура 3. Стандартната технология на алуминиевата задна повърхност (Al-BSF) е една от най-често срещаните технологии на слънчевите клетки, имайки предвид относително простия производствен процес. Той се основава на пълно отлагане на Al от задната страна (RS) чрез процес на ситопечат и образуване на ap + BSF, което помага да отблъсне електроните от задната страна на субстрата от р-тип и да подобри работата на клетката. Производственият поток за соларни клетки Al-BSF е показан на Фигура 4. Стандартният дизайн на търговските слънчеви клетки е с мрежов модел FS и RS контакти с пълна площ.
Фигура 3. Широка класификация на различни видове слънчеви клетки.
Фигура 4. Производствен поток на соларни клетки Al-BSF.
Слънчевата клетка на пасивирания емитер със заден контакт (PERC) подобрява архитектурата Al-BSF чрез добавяне на пасивиращ слой от задната страна за подобряване на пасивацията отзад и вътрешното отражение. Алуминиевият оксид е подходящ материал за RS пасивация със средна ефективност на слънчевите клетки близо 21%, получена в производството [8]. Съществуваща линия на соларни клетки Al-BSF може да бъде надстроена до PERC процес чрез два допълнителни инструмента (RS отлагане на пасивиращ слой и лазер за локално отваряне на контакт на RS).
Останалите три клетъчни архитектури са предимно технологии с по-висока ефективност, базирани на Si субстрати от n-тип. Слънчевата клетка a-Si с хетеропреход има слоеве a-Si върху FS и RS на Si-субстрат от n-тип, за да образува „хетеросъединения“, за разлика от конвенционалния pn преход на базата на дифузия при висока температура. Подобна технология позволява обработка при по-ниски температури, но е много чувствителна към качеството на повърхностните интерфейси. Слънчевата клетка на базата на a-Si хетеропреход е произведена в търговската мрежа от Sanyo Electric, която сега е поета от Panasonic [9]. В конструкцията на соларни клетки с интердигиран обратен контакт (IBC) и двата контакта присъстват от задната страна, елиминирайки загубите на засенчване на контакта FS. Типично за IBC слънчеви клетки, кръстовището ще бъде разположено и от задната страна. Един от ранните производители на високоефективни n-тип IBC слънчеви клетки е SunPower Corporation [10]. Двуфазните клетки, както подсказва името, могат да улавят светлина от двете страни на слънчевите клетки. Това води до това, че задната страна също има мрежови контакти, за да се даде възможност за събиране на светлина. Пример за бифациалната технология е слънчевата клетка BiSON, разработена и комерсиализирана от ISC, Konstanz [11]. Трябва да се отбележи, че посочената класификация не е изчерпателен списък на различни други видове архитектури на слънчеви клетки, които са във фаза R&D, близо до комерсиализация или вече се произвеждат. Следващите раздели ще дадат преглед на стъпките на процеса за производство на соларни клетки Al-BSF.
4. Мокрохимични процеси за производство на слънчеви клетки
Третирането, базирано на мокра химия, е важна стъпка в обработката на слънчеви клетки за отстраняване на повреди от триона (SDR) за нарязаните пластини, текстуриране на повърхността за увеличаване на абсорбцията на входящата слънчева радиация и изолация на ръбовете след процеса на дифузия. Както беше обсъдено в предишния раздел, има главно монокристални и многокристални силициеви пластини, използвани за производството на слънчеви клетки. Преработката, базирана на мокра химия за съответните видове вафли, ще бъде обсъдена предварително.
4.1 Текстуриране на монокристални силициеви пластини
Както е посочено в раздел 2, разработването на слънчеви клетки започва предимно с монокристални пластини и следователно използва добре утвърдени методи от областта на микроелектрониката. Алкалното анизотропно офорт на базата на KOH / NaOH се използва за пирамидално текстуриране на монокристални пластини. Изрязаната монокристална вафла има средно претеглена отражателна способност от> 30% (с дължина на вълната 300–1,200 nm), която намалява до 11–12% след процеса на текстуриране. Типичната морфология на алкално текстурирана повърхност е показана на Фигура 5. Анизотропният разтвор за офорт гравира (100) повърхността на пластините, за да изложи (111) повърхностите, които имат по-висока плътност на силициевите атоми и следователно по-бавна скорост на ецване в сравнение с ( 100) лица. Това води до образуване на произволни пирамидални структури, които образуват ъгъл от 54,7 ° спрямо повърхността на пластината.
Фигура 5. Типична морфология на повърхността на монокристална вафла с алкална текстура.
Типичните параметри за процеса на алкално текстуриране са показани в Таблица 1. Трябва да се отбележи, че стойностите на различни параметри са ориентировъчни и не трябва да се приемат като абсолютни, тъй като на пазара има различни производители на добавки. Изопропилов алкохол (IPA) първоначално се използва като добавка в разтвора за текстуриране, който не участва в реакцията на ецване, но действа като омокрящ агент за подобряване на хомогенността на процеса на текстуриране, като предотвратява прилепването на H2 мехурчета (генерирани по време на реакцията) силициевата повърхност [12]. Въпреки това до 2010 г. IPA постепенно е заменен с алтернативни добавки поради недостатъци като нестабилна концентрация, тъй като температурата на банята е близка до точката на кипене на IPA (82,4 ° C), високи разходи, висока консумация, опасности за здравето и експлозивност [12]. Много групи са публикували разработки за замяна на IPA с алтернативни добавки за преодоляване на недостатъците на IPA, увеличаване на прозореца на процеса и намаляване на отражателната способност на повърхността [12,13,14,15,16]. Добавките също намаляват времето за обработка до< 10="" минути="" и="" увеличават="" живота="" на="" банята="" до=""> 100 пробега.
Процес
KOH / IPA
KOH / добавка
KOH (%) | 3 | & lt; 3 |
IPA (%) | 6 | — |
Добавка (%) | — | & lt; 2 |
Температура на процеса [° C] | & gt; 80 | 70–100 |
Размер на пирамидата [μm] | 5–12 | 2–7 |
Време на процес [мин] | 30–40 | 5–10 |
Органично съдържание [тегл.%] | 4–10 | & lt; 1.0 |
Точка на кипене [° C] | 83 | & gt; 100 |
Живот на ваната | & lt; 15 | & gt; 100 |
Таблица 1. Параметри на процеса за базирана на IPA и добавка алкална текстура на монокристални вафли.
Процесът на текстуриране на монокристалните вафли обикновено се извършва в „партида“, което означава, че вафлите се зареждат в носител със слотове за задържане на вафлите (100 слота в носител) и след това партидата се обработва последователно във вани за стъпки за текстуриране, почистване, обработка за отстраняване на органичните остатъци и замърсяване с метали и изсушаване на обработените вафли. Носителите обикновено са покрити с PVDF, който има много добра устойчивост на различни химикали, абразия и механично износване. Типичен носител за работа с монокристални вафли е показан на Фигура 6. Инструментът за текстуриране на партиди има специални вани за всяка стъпка с дозиращи резервоари за химикали, използвани във ваната. Инструментът обработва много превозвачи едновременно и може да достигне производителност от> 6000 вафли / час с обработка на четири носителя едновременно.
Фигура 6. Носачи за зареждане на вафли в партидния инструмент. Източник: RCT solutions GmbH.
4.2 Текстуриране на многокристални силициеви пластини
Многокристалните вафли предлагат икономическо предимство в сравнение с монокристалните вафли и следователно са по-широко възприети. Въпреки това, алкалната химия, използвана за текстуриране на монокристални вафли, не работи добре за многокристални вафли поради наличието на различни ориентации на зърната. Разработена е алтернативна киселинна химия, базирана на HF и HNO3, за да се отстранят едновременно повредените триони и да се текстурират многокристалните пластини [17,18]. Текстурирането на основата на киселинен разтвор работи при температури под стайната температура и следователно води до намалено отделяне на реакционен газ, малко генериране на топлина, по-висока стабилност на разтвора и по-добър контрол на скоростта на ецване [18] Сравнение на алкално текстуриране и процес на кисело текстуриране за многокристални вафли е показано на фигура 7.
Фигура 7. Сравнение на алкална и кисела текстура за многокристални вафли. Кривите на отражение след отлагане на SiNx: H също са показани за сравнение [17].
Процесът на киселинно текстуриране на многокристалната вафла може да бъде извършен за значително по-кратко време в сравнение с алкалния процес на текстуриране и следователно може да бъде реализиран в „вградена“ конфигурация, където вафлите се прекарват през валяци, потопени в офортната вана. Представителен образ на вграден процес заедно с типичния процес на кисела текстура е показан на Фигура 8. За конфигурация с пет ленти, вграденият инструмент може да има производителност до 4000 вафли / час. Важно е да се отбележи, че вафлената повърхност, обърната надолу в ецващия разтвор, е текстурирана по-добре от горната страна и е „слънчевата страна“ за по-нататъшна обработка. Процесът на кисело текстуриране води до образуване на порест силиций върху текстурираната повърхност, който абсорбира светлината и също така увеличава рекомбинацията на повърхността [18]. Следователно порестият силиций се отстранява с помощта на разреден алкален разтвор. Впоследствие се извършва киселинно почистване (HF + HCl) за отстраняване на оксиди и метални замърсявания от повърхностите на пластините.
Фигура 8. (а) Представителен вграден процес с пет ленти и (б) процес на киселинно текстуриране за многокристални вафли.
Важно е да се отбележи, че процесът на киселинно текстуриране, разгледан по-горе, е подходящ за многокристални вафли с нарязан тел (SWS). През последните няколко години процесът на рязане с диамантена тел (DWS) замени рязането на основата на суспензионна тел поради технологични и икономически предимства [19]. Повредите от триона на многокристалните вафли SWS са повече от вафлите DWS, които имат дълбоки прави жлебове и много по-гладка повърхност от нарязаните вафли с тел от каша [19]. Повредите от триона на SWS вафлите играят важна роля за започване на процеса на текстуриране, което не се случва при DWS вафлите.
Предложени са различни методи за текстуриране на DWS многокристални вафли и са обобщени в Таблица 2 [20]. Чрез настройка на различните методи може да се получи отразяване от близо 0% и следователно терминът „черен силиций“ е използван за процеса на текстуриране на многокристални пластини DWS. RIE е първият метод за получаване на черен силиций и използва серен хексафлуорид (SF6) за реакция с Si и газове като Cl2 и O2 за пасивиране и ограничаване на реакцията [20]. Наскоро търговски мулти PERC слънчеви клетки със средна ефективност от 21,3% са демонстрирани с RIE-базиран процес на текстуриране [21]. Тъй като обаче RIE е вакуум-базиран процес, производителността е ниска в сравнение с типичен вграден процес, а също така е необходима допълнителна предварителна обработка и последваща обработка, за да се отстранят съответно повредите и щетите, причинени от йонно бомбардиране. Вариант на метода RIE, който не изисква вакуум или плазма, е приложен в търговски инструмент [22].
Метод
Реактиви
Маска
Катализатор
Минимално отражение (%)
Реактивно йонно офортване (RIE) | SF6/O2, SF6/ Cl2/O2, SF6/O2/ СН4 | Нито един | Нито един | 4.0 |
Плазмена потапяща йонна имплантация (PIII) | SF6/O2 | Нито един | Нито един | 1.8 |
Лазерно облъчване | CCl4, C2Cl3F3, SF6, Cl2, N2, въздух | Нито един | Нито един | 2.5 |
Плазмен офорт | SF6 | Ag нано частици | Нито един | 4.2 |
Химическо офорт с метално подпомагане (MACE) | AgNO3/ HF / HNO3 | Нито един | Ag, Au | 0.3 |
Електрохимично офорт | HF, EtOH, H2O | Нито един | Нито един | & lt; 5.0 |
Таблица 2. Различни методи за текстуриране на многокристални вафли с диамантена тел [20].
Един от подходите за текстуриране на DWS мултикристални вафли е да се надгради съществуващата химия, базирана на кисела текстура, с добавки [23,24,25]. Такъв подход потенциално може да има по-нисък CoO в сравнение с подхода, базиран на MACE [23]. Доказано е, че отразяването на такъв подход, базиран на добавки, е подобно на конвенционалното решение за изотекстуриране с ефективност на слънчевите клетки от 18,7% за структурата, базирана на Al-BSF [24].
Текстурирането на базата на MACE е подобно на конвенционалния метод на киселинно ецване с допълнителен етап на каталитично отлагане на метал. Процесът се състои от SDR, отлагане на катализатор, химическо офорт и последваща обработка. Постигната е ефективност от 19,2% за търговски мулти-Al-BSF клетки, използващи процес на MACE текстуриране от партиден тип [26]. Вътрешен тип базиран на MACE търговски инструмент е демонстриран с възможност за настройка на отражателната способност в диапазона 12–23% и получаване на средна ефективност за Al-BSF и PERC структура съответно от 18,8 и 20,2% [27]. Представителни изображения на текстурирана повърхност, базирана на MACE процес, са показани на Фигура 9. Цената на притежание (CoO) на вградения MACE процес е потенциално по-ниска в сравнение с базирания на партиди MACE процес с възможност за допълнително намаляване чрез рециклиране на Ag от текстуриращата баня [27].
Фигура 9. MACE текстурирани DWS многопластови пластини, (a) повърхност с Ravg=12% и (b) повърхност с Ravg=22% [27].
4.3 Изолация на ръба, базирана на мокра химия
Емитерната област в слънчева клетка се произвежда чрез високотемпературен дифузионен процес (който ще бъде обсъден в следващите раздели). По време на процеса на дифузия върху пластината се отлага фосфорно силикатно стъкло (PSG), което трябва да се отстрани преди отлагането на ARC слоя. Както е показано на фигура 10, след стъпката на дифузия, n-тип регионът също присъства по краищата и задната страна на пластината. Слоят от тип n по краищата и от задната страна ще късо съединителя на излъчвателя с основния субстрат и следователно е важно да се гравират тези области и да се изолира излъчвателят на FS от основния субстрат, както е показано на фигура 10 (c).
Фигура 10. Обработка на силициева пластина след дифузия и изолиране на ръбове (а) Текстурирана силиконова пластина, (б) дифузна силиконова пластина, (в) дифузна силиконова пластина след изолиране на ръбове.
Процесът на изолиране на ръбовете може да се извърши по вграден начин, подобно на процеса на текстуриране, обсъден в предишния раздел. Изключението в този случай е, че химикалът трябва да ецва само задната страна и ръбовете, без да взаимодейства с FS. Представително изображение на процеса на изолиране на ръбовете е показано на фигура 11. Важно е да се отбележи, че ролките се намират само от долната страна, за да се избегне контакт на ецващия разтвор с предната страна. Следващите стъпки след гравирането на RS са подобни на тези в вградената машина за текстуриране.
Фигура 11. Представително изображение на слънчева клетка във вградена вана за изолиране на ръба.
5. Термични процеси за производство на слънчеви клетки
Високотемпературните процеси формират жизненоважна част от производството на слънчеви клетки. Примери за такива процеси са образуването на pn преход чрез дифузия, изпичане на ситопечатни контакти, активиране на повърхностни пасивиращи слоеве или дефекти, предизвикани от процеса на отгряване. В раздела се вижда основната физика на процеса на дифузия на емитер и засилено плазмено химическо отлагане на пари (PECVD).
5.1 Дифузия на емитер
Дифузията на емитер е една от решаващите топлинни стъпки в производството на индустриални слънчеви клетки. N-тип емитер на кристалните p-тип силициеви слънчеви клетки се образува чрез дифузия на фосфор (P). В процеса на дифузия Si пластините се изпращат в пещ и се излагат при 800–900 ° C на фосфорил хлорид (POCl3) и O2, което води до отлагане на PSG върху повърхностите на пластините Si. Тази стъпка се нарича предварително отлагане, при което PSG [28] действа като източник на фосфорни (P) легиращи добавки за дифузия във Si пластината. Следващата стъпка е задвижването, при което подаването на добавящи газове се прекъсва и Р от слоя PSG се дифузира допълнително в пластината Si. Ханес етал. [29] илюстрира за оптималната осъществимост на процеса за фотоволтаични приложения, трябва да се имат предвид три различни ефекта. Първо, дифузията на P от PSG и присъствието му в електрически активни и неактивни състояния в пластината Si, което увеличава рекомбинацията на Shockley-Read-Hall (SRH). На второ място, проникването на примеси в Si слоя към PSG слоя. И накрая, металната контактна форма с легиран с P излъчвател Si извлича генерираната мощност.
Процесът на дифузия се определя количествено от съпротивлението на листа, което зависи от дълбочината на pn кръстовището и профила на концентрация на P. Съпротивлението на листа има единици Ω / cm (обикновено се измерва като Ω / □) и се измерва с помощта на четириточкова сонда. Определението за съпротивление на листа е илюстрирано вЕкв. (1).
където R=съпротивление на правоъгълно сечение (Ω); ρ=съпротивление (Ω cm); l=дължина на правоъгълното сечение (cm); A=площ на правоъгълното сечение (cm2); W=ширина на правоъгълното сечение (cm ); D=дълбочина на правоъгълния участък (cm) иρsheet=съпротивление за дадена дълбочина (D), когато l=W (Ω / □).
По-ранните стойности на съпротивлението на емитерния лист бяха 30–60Ω / □ с pn дълбочина на свързване от> 400nm и висока Р повърхностна концентрация. С подобренията в средната за свързване паста от сребро (Ag), съпротивлението на излъчващия лист сега е в диапазона 90–110Ω / □ с дълбочина на свързване около 300 nm и по-ниска концентрация на P повърхност. Преминаването към по-голяма устойчивост на листа позволява да се улавя повече светлина в UV и синия спектър, като същевременно се намалява рекомбинацията на повърхността, за да се подобри Voc. Трябва да се отбележи, че процесът на дифузия се осъществява върху FS (директно изложен на газовете), а също и по ръбовете и RS. Ако процесът на изолиране на ръба не се извърши (както е обсъдено в раздел 4.3), излъчвателят ще бъде късо съединен със субстрата.
Фигура 12 показва процеса на дифузия на POCI3 в затворена кварцова тръбна система. Чрез смесване
Фигура 12. (а) Схематично представяне на процеса на дифузия от партиден тип и (б) представително изображение на дифузионно оборудване от партиден тип. Източник: centrotherm GmbH.
На повърхността на Si,
Хлорът, който е страничен продукт по време на предварителното отлагане, почиства вафлите и кварцовата тръба, като образува комплекси с метали. PSG се използва като източник за задвижване на атомите P в повърхността на Si. По време на процеса на задвижване POCl3 се изключва и се добавя само O2, за да се изгради тънък оксиден слой под PSG, за да се подобри дифузията на атоми P в повърхността на Si.
Вътре в дифузионната тръба има пет нагревателни зони, както е показано на фигура 13. Зоните са:
Зона за зареждане (LZ) - площ от мястото, където вафлите се зареждат в тръбата.
Централна товарна зона (CLZ) - зона между зоната за товарене и централната зона.
Централна зона (CZ) - централна площ на тръбата.
Централна газова зона (CGZ) - площ между централната зона и газовата зона.
Газова зона (GZ) - площ, от която газовете се извеждат през отработените газове.
Фигура 13. Зони за отопление в дифузионната тръба.
Обикновено температурите на всяка отоплителна зона се регулират, за да се получи еднакво съпротивление на емитерния лист за всички вафли в лодката.
Средата на дифузионния процес трябва да бъде много чиста и следователно за тръбите се използва кварцов материал. Чистотата на тръбите и поддръжката на товарната зона също влияят върху резултатите от процеса. Тъй като при дифузия на газова фаза няма остатъци в тръбата, това води до по-чист процес. Чрез натоварване с половин стъпка в условия на ниско налягане (LP) [31], производителността може да се увеличи. Обикновено 1000 вафли се зареждат в една тръба и с пет дифузионни тръби в дифузионна система от партиден тип може да се постигне производителност до 3 800 вафли / час за производство на слънчеви клетки.
В търговска продукция се използва и вградена дифузионна система, при която вафлите се транспортират на колан с фосфорна киселина като източник на добавки P [32]. Въпреки това, в сравнение с вградения процес, партидният процес е по-изчистен, ефективен и ефикасен. За n-тип слънчеви клетки или усъвършенствани концепции за слънчеви клетки като PERT, партидната дифузия от p-тип се основава на източници на добавки на бор (B) като бор трибромид (BBr3) [33,34].
5.2 Отлагане на антирефлексно покритие (ARC)
Гола Si повърхност отразява> 30% от падащата светлина. Както е обсъдено в раздел 4, процесът на текстуриране подобрява улавянето на светлината. Желателно е да се намали допълнително отражението, което се получава чрез нанасяне на ARC слой. TiOx беше един от най-ранните материали, който се използва като ARC слой за слънчеви клетки, но тъй като не може да осигури адекватна пасивация на повърхността, в крайна сметка беше заменен от SiNx: H [37]. Термично отгледан силициев оксид (SiO2) също е използван като пасивиращ материал в рекордните пасивирани емитерни задни локално дифузирани (PERL) клетки [37]. Големият топлинен бюджет и дългото време на процеса правят пасивацията на базата на SiO2 неподходяща за масово производство на слънчеви клетки [37]. Изчерпателен преглед на различни ARC и пасивиращи материали за приложения на слънчеви клетки е обсъден в [37].
Процесът на плазмено засилено химическо отлагане на пари (PECVD) е подходящ за отлагане на ARC слой от SiNx: H, който не само намалява отражението, но и пасивира предната страна на n-тип емитер и по-голямата част, като по този начин подобрява ефективността на слънчевите клетки [36, 37]. Схемата на PECVD система от партиден тип е показана на Фигура 14. Вафлите се зареждат в графитна лодка с лицевите страни една към друга. РЧ плазма на основата на технологични газове амоняк (NH3) и силан (SiH4), работещи при температура 400–450 ° C, депозира хидрогенирания слой SiNx: H, според еквивалента. (4) [35]. Включеният във филма SiNx: H водород се дифузира в по-голямата част по време на етапа на изпичане (обсъден в следващия раздел) и пасивира висящите връзки, за да подобри работата на слънчевите клетки [36,37].
Фигура 14. (а) Схематична диаграма на партиден тип PECVD процес за SiNx: H отлагане и (b) графитна лодка за зареждане на вафли Si в пещта PECVD.
Индексът на пречупване (RI) на филма SiNx: H се контролира от съотношението SiH4 / NH3gas, докато дебелината зависи от продължителността на отлагане. ARC на базата на SiNx: H може да сведе до минимум отражението за една дължина на вълната, а дебелината на дължината на вълната е дадена от [38],
където=дебелината на слоя SiNx: H ARC, λ0=дължината на вълната на входящата светлина и n1=показателят на пречупване на слоя SiNx: H.
Въз основа на връзката ARC се нарича още „ARC с дължина на четвърт вълна“. За слънчевите клетки RI и дебелината са избрани, за да минимизират отражението при дължина на вълната 600 nm, тъй като това е пикът на слънчевия спектър. Дебелината и RI на ARC е избрана да бъде средната геометрична стойност на материалите от двете страни, т.е. стъкло / въздух и Si. Типичната дебелина на SiNx: H ARC е 80–85 nm с RI 2,0–2,1, което придава на слънчевата клетка цвят от синьо до виолетово синьо. Представителен образ на текстурирана многокристална слънчева клетка, отложена със SiNx: H, е показан на фигура 15 (а), докато вариацията на цвета на SiNx: H въз основа на дебелината му е показана на фигура 15 (b). Важно е да се отбележи, че съществува зависимост от повърхностната текстура и ARC цвета за дадени параметри на отлагане. Има разнообразие от слънчеви модули, при които цветът на слънчевите клетки е по-тъмен за разлика от типичния син цвят. Типичният етап на отлагане на ARC в производствената линия на слънчеви клетки се състои от две системи PECVD, всяка с четири тръби и производителност до 3 500 вафли / час.
Фигура 15. (а) Представителен образ на SiNx: H покрита многокристална слънчева клетка, (b) вариация на SiNx: H слой въз основа на дебелината му.
SiNx: H не е подходящ за пасивиране на p-тип Si и следователно диелектрици като Al2O3 се използват за RS пасивиране за клетъчна архитектура като PERC клетки [8] или за p-тип излъчватели в n-тип слънчеви клетки. За слънчевите клетки PERC, пасивиращият слой Al2O3 е покрит със SiNx: H, за да го предпази от Al-пастата по време на процеса на изгаряне и също така служи като вътрешен рефлектор за светлината с дълга вълна. Предлагат се търговски системи, базирани на PECVD и атомно отлагане (ALD), за отлагане на Al2O3 с производителност до 4800 вафли / час [39].
6. Метализация и характеризиране на слънчевите клетки
6.1 Метализация на основата на ситопечат
Последната стъпка на обработка за производството на слънчеви клетки е FS и RS метализацията за източване на мощността с минимални съпротивителни загуби. Ag е добър контактен материал за n-тип излъчвател, докато Al осъществява много добър контакт с p-тип субстрат. Комбинация от паста Ag / Al се използва за отпечатване на подложки върху RS, за да се улесни взаимното свързване на слънчеви клетки в модул. Ситопечата е прост, бърз и непрекъснато развиващ се процес за метализация на слънчеви клетки.
Схематично представяне на процеса на ситопечат е показано на фигура 16. Екраните имат мрежа от неръждаема стомана с покритие от емулсия с отвори съгласно желания модел на метализация, както е показано на фигура 17 (а). Металната паста се разпространява върху екрана чрез наводнението и движението на чистачката, което отлага пастата върху слънчевата клетка въз основа на екрана. Snap-off е разстоянието между екрана и слънчевата клетка. Налягането на чистачката и разстоянието на откъсване са критичните параметри, които определят поставянето на пастата и геометрията на пръстите на Ag FS.
Фигура 16. Илюстрация на процеса на ситопечат за метализация на слънчеви клетки.
Фигура 17. (а) Мрежово-емулсионен екран с отвор за пръсти за FS Ag печат [40] и (b) представителен модел на метализация на FS.
Типична паста за Ag / Al RS подложки, RS Al и FS Ag са 35–45 mg, 1,1–1,4 g и 100–120 mg, съответно за 6-инчова Al-BSF мултикристална слънчева клетка. Илюстративен модел на метализация на Ag FS е показан на фигура 17 (б). Отварянето на пръстите на Ag е намалено до под 30 μm, докато приложението на 5 шини все повече се възприема сега. С такъв параметър на екрана и добра паста, се постига постоянен FF от> 80% трябва да се получат за соларните клетки Al-BSF с оптична загуба на засенчване от<>
6.2 Сушене и бързо изпичане на метални пасти
Пастите за метализация се състоят от метален прах, разтворители и органични свързващи вещества. В случай на паста FS Ag, пастата съдържа също стъклена фритта, докато гравира SiNx: H слоя и осъществява контакт с n-тип излъчвател [41]. Металните пасти се изсушават след отпечатване и накрая се изпращат през бърза пещ за синтероване и образуват RS Al-BSF и FS Ag контакт. Пример за такава пещ с бързо изгаряне с температурния профил е показан на фигура 18. Процесът на синтероване на пръстите на FS Ag е илюстриран на фигура 19. Когато слънчевата клетка премине през пещта с бързо изгаряне, органичните свързващи вещества се изгарят, последвано от топене на стъклената фрита и накрая образуването на кристали Ag, контактуващи с емитер от тип n. Профилът на изпичане трябва да бъде настроен въз основа на специфичните видове метални пасти и дифузионния профил на емитер. Като пример, пиковата температура на изпичане може да бъде ниска, за да не образува добър омичен контакт на FS, докато твърде високата температура може да доведе до дифузия на Ag през кръстовището и шунтиране на pn кръстовището. Изображение на пълна многокристална соларна клетка Al-BSF е показано на фигура 20.
Фигура 18. (а) Пример за пещ за изпичане за синтероване на метални контакти и (б) илюстративен температурен профил на пещ за изпичане. Източник: centrotherm GmbH.
Фигура 19. Илюстрация на процеса на стрелба. (а) Изгаряне на органичните свързващи вещества, (б) топене на стъклена фритта, която ецва SiNx: H и (в) Образуване на кристален кристал на границата на емитер.
Фигура 20. (а) FS на пълна слънчева клетка и (b) RS на пълна слънчева клетка.
6.3 Метализация на лицевата страна на основата на покритие
Разходите за различни фактори при обработката на слънчеви клетки намаляват през годините, докато приносът на фронт Ag все още е най-значим [42]. Извършен е значителен обем работа за замяна на Ag с алтернативен метал като мед (Cu), който има стойност на проводимост много близка до тази на Ag и предлага също потенциално значително предимство в разходите [43,44]. Cu има висока дифузионност и разтворимост в Si и следователно бариерен слой като никел (Ni) се отлага върху Si преди покритието с Cu [42]. Светлинно индуцирано покритие (LIP), което се получава от конвенционалното покритие, използва фотоволтаичния ефект на светлината, за да покрие желания метал и има много предимства в сравнение с конвенционалното покритие [43,44].
Метализацията на лицевата страна на основата на Ni-Cu изисква допълнителна стъпка на ARC на лицевата страна, за разлика от метализацията на базата на Ag паста и в повечето случаи също допълнителна стъпка на синтероване на Ni, за да се намали контактното съпротивление и да има добра адхезия на металния стек [42 ]. Комерсиалните DWS нарязани mc-Si слънчеви клетки, базирани на Ni-Cu-Ag покритие, са демонстрирани с ширина на пръстите 22μm, съотношение на страните близо до 0,5 и подобна ефективност като тази на референтните ситопечатани Ag-базирани слънчеви клетки [45 ].
Непрекъснатото усъвършенстване на Ag FS пастите заедно с простотата, надеждността и високата производителност на процеса на ситопечат затрудняват метализирането на базата на Ni-Cu да се конкурира с метализацията на базата на Ag. Въпреки това, концепциите за висока ефективност на слънчевите клетки като двуфазните хетеросъединителни слънчеви клетки, където Cu могат да бъдат директно нанесени върху прозрачния проводящ оксид, процесът на покритие е опростен и изисква само един инструмент [39]. По същия начин, концепциите за висока ефективност, които изискват намалено количество метал, могат да постигнат същото, като използват метализиране на базата на покритие [42,46].
6.4 IV тестване и характеризиране на слънчеви клетки
Последната стъпка е IV тестване на пълните слънчеви клетки според стандартните условия за изпитване (STC), т.е. AM 1.5G, 1000W / m2 със соларен симулатор клас AAA. Пример за FS сондиране на слънчева клетка е показан на Фигура 21. Типичните параметри, получени от IV тестера, са посочени в Таблица 3. IV тестерите имат много параметри за характеризиране, които могат да бъдат полезни за диагностика на дефекти на слънчеви клетки. Представителна електролуминесценция (EL) и термично IR изображение на слънчева клетка с някои дефекти са показани на фигури 22 (а) - (в). EL изображение на добра слънчева клетка с равномерна интензивност е показано на фигура 22 (а), докато за слънчева клетка, в която пръстите на FS не са отпечатани еднакво, по-тъмен контраст може да се види на фигура 22 (b). ) показва термично IR изображение на слънчева клетка с локализиран шунт, който се е образувал по време на един от етапите на обработка. В крайна сметка слънчевите клетки се сортират в различни контейнери за ефективност въз основа на избраната класификация.
Фигура 21.IV измерване на FS сондиране за характеризиране на слънчеви клетки.
Параметър
Коментари
Vок(V) | Добрите mc-Si Al-BSF слънчеви клетки имат стойност> 0.635V |
Isc(A) | Добрите mc-Si Al-BSF слънчеви клетки имат стойност> 9,0 A |
FF (%) | Добрите mc-Si Al-BSF слънчеви клетки имат стойност> 80% |
Ефективност (%) | Добрите mc-Si Al-BSF слънчеви клетки имат стойност> 18,6% |
Vmpp(V) | Съответстващо напрежение в точката на максимална мощност |
Impp(A) | Съответстващ ток в точката на максимална мощност |
Rs(Ω) | Добрите mc-Si Al-BSF слънчеви клетки имат стойност< 1,5=""> |
Rш(Ω) | Добрите mc-Si Al-BSF слънчеви клетки имат стойност> 100Ω |
Iрев(A) | Обратният ток при напрежение -12V трябва да бъде< 0,5="" a="" за="" добри="" слънчеви=""> |
FS BB-BB съпротивление (Ω) | Съпротивление, измерено между BB на FS |
RS BB-BB съпротивление (Ω) | Съпротивление, измерено между BB на RS |
Таблица 3. Параметри за характеризиране на слънчева клетка, получена от IV измерване.
Фигура 22. (а) EL изображение на добра слънчева клетка, (b) EL изображение на слънчева клетка с неравномерност в Ag пръстовия отпечатък и (c) термично IR изображение на слънчева клетка, показващо наличие на локализирани шунтове.
7. Бъдещи тенденции
DWS се превърна в стандарт за монокристални вафли, докато се очаква да има пазарен дял от> 80% до 2022 г. за многокристални вафли [2]. SWS за многокристални вафли се очаква да се прекрати до този момент. С DWS, загубата на разрез също ще стане< 80μm="" до="" 2022="" г.,="" което="" от="" своя="" страна="" ще="" намали="" консумацията="" на="" поли-si="" на="" вафла="" под="" 15g.="" 3bb="" дизайнът="" за="" предни="" контакти="" се="" очаква="" да="" се="" прекрати="" до="" 2020="" г.="" с="" 50%="" дял="" за="" 5bb="" дизайн.="" с="" непрекъснатите="" подобрения="" в="" ag="" пастите="" и="" екраните,="" се="" предвижда="" широчината="" на="" пръстите="" на="" fs="" да="" намалее="" до="" 30μm="" до="" 2022="" г.="" инструментите="" за="" преработка="" на="" мокри="" химикали="" са="" преминали="" производителност="" от="" 8="" 000="" вафли="" час="" през="" 2018="" г.="" и="" ще="" докоснат="" 9="" 000="" вафли="" час="" до="" 2020="" г.="" оборудване="" за="" термична="" обработка="" са="" достигнали="" производителност="" от="" 5000="" вафли="" час="" през="" 2018="" г.="" и="" се="" очаква="" да="" преминат="" 7="" 000="" вафли="" час="" до="" 2020="" г.="" очаква="" се="" секцията="" за="" метализация="" и="" iv="" тестване="" сортиране="" да="" има="" производителност="" от=""> 7 000 вафли / час до 2022 г.
Базираната на Al-BSF клетъчна технология, която има пазарен дял от> 60% през 2018 г. се очаква да намалее до< 20%="" до="" 2025="" г.="" с="" повече="" акцент="" върху="" концепциите="" за="" високоефективни="" слънчеви="" клетки,="" дял="" от="" perc="" технологията="" се="" очаква="" да="" бъде=""> 50% до 2022 г. Ефективността на производството на Mono PERC се очаква да бъде> 22% до 2022 г., докато за мулти PERC тя трябва да докосне 21% по същото време. Важен аспект, свързан с мулти-PERC, е смекчаването на проблема, базиран на LeTID, за да се сведе до минимум загубата на ефективност след инсталиране на модулите на място. Si HJ клетки с ефективност от> 22% през 2018 г., след като се очаква да достигнат стабилна ефективност от 23% до 2020 г., с пазарен дял от около 10% до 2022 г. Високоефективни двуфазни клетки с допълнително предимство от подслушването на слънчевата енергия радиацията от задната страна се очаква да има пазарен дял от 20% до 2022 г. Слънчевите клетки с обратен контакт с N-тип се очаква да пресичат 24% ефективност до 2020 г.
8. Заключения
Слънчевите клетки Si се превърнаха във важна част от областта на възобновяемата енергия през последните десетилетия с узрели производствени технологии. Многокристалните вафли тип P се превърнаха в основен престой за производството на слънчеви клетки. Въпреки това, с по-висока ефективност и намаляващи производствени разходи, монокристалните слънчеви клетки също са спечелили значителен дял и се очаква да се конкурират тясно с многокристалните вафли в близко бъдеще. За стандартната технология Al-BSF 19 и 20% се превърнаха в еталон за съответно многокристални и монокристални слънчеви клетки. Моно-PERC и мулти-PERC клетките са достигнали стабилизирана ефективност съответно от 21,5 и 20%. В допълнение, PERC също така осигурява по-опростен подход за двуфазните слънчеви клетки, като има мрежов модел на RS вместо контакта в цялата площ. Високоефективните n-тип и двуфазни слънчеви клетки имат пазарен дял от< 10%,="" който="" се="" очаква="" да="" се="" увеличи="" в="" бъдеще.="" през="" последните="" няколко="" години="" производствените="" технологии="" са="" узрели="" значително="" с="" допълнителни="" подобрения="" за="" увеличаване="" на="">
Благодарности
Авторите биха искали да благодарят на колегите от RCT Solutions GmbH, от които е взето част от съдържанието на главата. Mehul C.Raval би искал да благодари на колегата Джим Джоу за дискусиите относно текстурирането на черен силиций.
