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1、高效太阳能电池新工艺研究成果介紹,夏洋 中国科学院微电子研究所2012.12.08,内容,一、背景二、黑硅发现三、黑硅制作新技术四、各种黑硅技术比较五、黑硅太阳能电池六、等离子体掺杂制备PN结七、原子层沉积钝化技术八、进一步提高效率的方法,成本+空间的占用,提高转换效率,有待技术突破,市场：销售额372亿，装机容量7.3GW分布：欧洲 70%；美国 9%；中国 2%；日本等其他19%,一、背景,光伏电池产业分布,物理法有可能提高质量、降低成本和能耗,资料来源：EPIA,晶硅一直占主导地位,中国硅晶体占97%！,厚度的限制：200m 120m,多晶硅技术发展,大晶粒晶界优化,起源：1999年，哈
2、佛大学教授 Eric Mazur和他的研究生 C.Wu 在一次实验中意外发现了一种后来称之为黑硅的结构材料。随及在美军方资助下秘密研究了近10年。2008年成立SiOnyx公司，生产黑硅光电探测器。,短脉冲激光器,二、黑硅的发现,韩国成均馆大学利用RIE制备了柱状组织的黑硅，反射率6%，单晶电池转换效率可以达到15.1%；,美国NREL利用金诱导催化化学腐蚀制备孔状黑硅，单晶黑硅太阳电池效率达到了16.8%；2012年项目目标为单晶17.8%，多晶15.8%,复旦大学采用电化学腐蚀法制备了折射率呈梯度变化的多层多孔黑硅，其反射率在大波段范围内已达到5%以下；半导体所利用飞秒激光研究黑硅。,黑硅
3、材料及太阳能电池研究,三、黑硅制备新技术：利用等离子体浸没离子注入制备黑硅：高效、易控、低成本、低反射率、低损伤。,单晶常规制绒,单晶PIII黑硅,多晶常规制绒,多晶PIII黑硅,等离子体注入（PIII）技术介绍,硅片浸没在等离子体中，在脉冲偏压下产生离子鞘层，形成整片离子掺杂。,高能离子注入,等离子体浸没注入,热扩散,Plasma immersion ion implantation，PIII,B，or P,PIII形成黑硅机理,采用等离子体浸没离子注入技术制备黑硅材料，与传统的硼、磷或砷注入不同，反应气体离子在负偏压的作用下被注入进入硅片晶格内，与硅片发生反应，生成孔状或针状组织，通过调节
4、工艺参数，可以实现黑硅材料的可控制备，具有成本低、效率高等优点。,PIII制备黑硅材料(本课题原创技术，已申请8项国际、17项国内发明专利）,平板式批量黑硅生产原型装备,整个原型装备由工作腔室、等离子体源、偏压控制、真空系统和测试系统几个部分组成，系统框图如图所示。,PIII可控制备多种结构,孔状,针状,复合结构,树状,蜂窝状,山包状,NaOH制绒,四、黑硅制备技术比较与总结,激光扫描,等离子注入,形状吸光载流子分离电流收集原位掺杂成本损伤,金子塔，适合单晶一般，方向敏感一般一般不能低低,针尖，单、多晶有利，方向不敏感有利不利不能高高,多孔，单、多晶有利，方向不敏感有利有利能低中,多孔黑硅，载
5、流子可以绕过孔传输。,针尖黑硅，载流子无法在针尖跳跃传输,多孔黑硅有利载流子传输,多角度吸光，增加全天时效率,单晶硅制绒是化学法腐蚀出金字塔结构，斜角入射反射率高,多孔黑硅，可增加全天时效率,上午 中午 下午,五、黑硅太阳能电池,多晶黑硅反射率随波长变化（在红外波段有明显优势）,多晶黑硅量子效率明显优于酸制绒,16.3%,16%,预计18%,SEM 俯视图,SEM 斜视图,多孔状多晶黑硅电池,多晶黑硅电池的效率比同批次常规电池效率提高0.8%！,束线离子注入：离子可筛选，高能注入，但设备昂贵,等离子体浸没注入（PIII）：低能高剂量，浅结注入，成本低。,六、注入掺杂制备PN结,等离子浸没离子注
6、入机,晶圆直径：200mm注入能量：100eV10KeV掺杂类型：P型、N型靶注入方式：单圆片注入能量精度：2注入剂量均匀性：5注入剂量重复性：5注入结深：5nm（100eV，1019atoms/cm3）,准单晶注入，方阻均值65.6，非均匀性小于3%,多晶硅注入，方阻均值24.5，非均匀性小于3%,PIII注入掺杂制备PN结,PIII注入掺杂SIMS曲线，退火后，结深推进；总剂量相比于扩散和离子注入低；,PIII注入SIMS曲线,准单晶,多晶硅,多晶黑硅,14.1%,13.6%,14.84%,PIII注入掺杂方阻4060ohm/sq，获得最高效率。,高于目前报道的PIII注入电池结果,PII
7、I注入掺杂制备电池结果,2008年，德国弗朗霍夫太阳能研究所的Benick等人在n型Si衬底的p型发射极表面沉积Al2O3薄膜，制得了效率高达23.2%的电池。,七、原子层沉积氧化铝钝化技术,n型电池,p型电池,2010年，德国ISFH的Schmidt等人在p型Si衬底的背表面沉积Al2O3薄膜，得到了最高21.4%的电池效率。,原子层沉积氧化铝的反应机理,Thermal-ALD：(A)AlOH*+Al(CH3)3 AlOAl(CH3)2*+CH4(B)AlCH3*+H2O AlOH*+CH4,PE-ALD：(A)AlOH*+Al(CH3)3 AlOAl(CH3)2*+CH4(B)AlCH3*
8、+4O AlOH*+CO2+H2O,薄膜均匀性,连续模式脉冲模式吹扫时间加长关闭载气表面粗糙度0.9-1.2nm,最好钝化少子寿命,沉积态,退火后,n型片,p型片,50片PEALD设备,28,50pcs等离子体原子层沉积系统,29,400片TALD设备,主要技术指标：1、设备功率15KW2、产能400片3、沉积片间非均匀性：1%4、批次间非均匀性：1.5%5、10nm氧化铝工艺时间1h,内容,一、背景二、黑硅发现三、黑硅制作新技术四、各种黑硅技术比较五、黑硅太阳能电池六、等离子体掺杂制备PN结七、原子层沉积钝化技术八、进一步提高效率的方法,黑硅的掺杂：表面积增大（孔隙率），方阻减小,P,目前由
9、于银浆颗粒较大，银不能流入硅孔，栅线和硅的接触电阻较大,通过回流工艺，使银流入硅孔，形成准埋栅结构,银栅,准埋栅结构，减少接触电阻,由于多孔结构，黑硅的钝化有很大差别,研究反应自钝化工艺，实现表面、体内同时钝化,SiNx,黑硅的钝化,PECVD,ALD,SiNx减反层，背铝,SiNx,AL,各种工艺,折射率,等离子体注入制备黑硅太阳能电池,清洗,注入F+制备黑硅掺杂P 形成结吸附O-钝化,印刷电极,等离子体注入,收集栅的制作,探索全新栅线制作技术，减少栅电阻3倍，栅线20微米，提高效率2%，降低成本。,内容,一、背景二、黑硅发现三、黑硅制作新技术四、各种黑硅技术比较五、黑硅太阳能电池六、进一步
10、提高效率的方法七、发展计划,黑硅整线制造装备,设备特点：整线生产能力1500片/小时，和电池生产线匹配；多种衬底适用，包括单晶硅、多晶硅、带硅等；非常适合植入自动化生产线；单面处理，避免背面损伤；制备黑硅反射率可控，1%15%；碎片率极低，0.1%；电池效率提高0.8%1%,吸光：多孔陷光，SiNx减反层，背铝产生电子空穴:上、下转换，杂散能级，量子点，叠层电子空穴分离：浅结、耗散区、弯曲电场传输:少子寿命，表面完整性，表面和体内钝化收集:密栅、局部掺杂、新型微细栅,效率进一步提高：18%-20%,40,珍惜每一缕阳光感谢各位！,极精微 集广成,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,
