Kilde: www.intechopen.com/books/solar-cells/industrial-silicon-solar-cells
Av Mehul C. Raval og Sukumar Madugula Reddy
Sendt inn: 4. oktober 2018 Vurdert: 29. januar 2019 Publisert: 15. mai 2019
DOI: 10.5772 / intechopen.84817
Abstrakt
Kapittelet vil introdusere industrielle silisiumproduksjonsteknologier med sin nåværende status. Kommersielle p-type og høyeffektive n-type solcellestrukturer vil bli diskutert og sammenlignet slik at leseren kan få et forsprang i industrielle solceller. En kort oversikt over forskjellige prosesstrinn fra teksturering til skjermtrykt metallisering presenteres. Tekstureringsprosesser for monokrystallinske og flerkrystallinske silisiumplater har blitt gjennomgått med de nyeste prosessene. En oversikt over de termiske prosessene for diffusjon og antireflekterende beleggdeponering er presentert. Den veletablerte silketrykkprosessen for solcellemetallisering introduseres med hurtigfyringstrinnet for sintring av kontaktene. IV-testing av solceller med forskjellige parametere for karakterisering av solceller er introdusert. Den siste utviklingen innen ulike prosesser og utstyrsproduksjon blir også diskutert sammen med forventede fremtidige trender.
Nøkkelord
silisium
solceller
produksjon
flerkrystallinsk
monokrystallinsk
teksturering
1. Introduksjon
Solceller er en viktig fornybar energikilde som har vokst raskt fra 8GW i 2007 til 400GW i 2017 [1]. Sammen med den økende etterspørselen har kostnadene for solcelleanlegg også sunket betydelig fra 35,7 $ / Wpin 1980 til 0,34 $ / Wpin 2017, noe som akselererer adopsjonen [2]. Silisium (Si), som er et viktig materiale i mikroelektronikkindustrien, har også vært det mest brukte bulkmaterialet fra solceller siden 1950-tallet med en markedsandel på> 90% [2]. Kapittelet vil introdusere de typiske trinnene for produksjon av kommersielle silisiumsolceller. En kort historie med solceller og oversikt over typen silisiumsubstrater sammen med den forskjellige solcellearkitekturen vil bli introdusert i avsnitt 2 og 3. Deretter vil trinnene for våtkjemi og høy temperatur som brukes i fabrikasjon bli beskrevet i avsnitt 4 og 5. Avsnitt 6 vil diskutere metalliseringsprosessen sammen med typiske karakteriseringsparametere for kommersielle solceller. Til slutt vil fremtidig veikart og forventede trender bli diskutert i den avsluttende delen.
2. Utvikling av solceller
Den 'fotovoltaiske effekten' betyr bokstavelig talt generering av en spenning ved eksponering for lys. Fenomenet ble først observert av den franske fysikeren Edmund Becquerel på en elektrokjemisk celle i 1839, mens det ble observert av britiske forskere WGAdams og REDay på en solid-state-enhet laget av selen i 1876 [3]. Fra 1950-tallet og fremover var det raske fremskritt i ytelsen til kommersielle solceller fra< 1%="" til=""> 23% [2] og silisium har vært 'arbeidshesten' i solcellerindustrien siden deretter. Utviklingen av silisiumsolceller er vist i figur 1.
Figur 1. Utvikling av silisium solceller. (a) 1941: Solcelle rapportert med dyrket kryss, (b) 1954: Solcelle pn kryss dannet med dopantdiffusjon, (c) 1970: Fiolett celle med baksideoverflatefelt av aluminium, (d) 1974: Svart celle med kjemisk strukturert overflate [3].
De første silisiumsolcellene demonstrert av Russell Ohl fra Bell Laboratories i løpet av 1940-tallet, var basert på naturlige kryss dannet av urenhetssegregering under omkrystalliseringsprosessen [3]. Cellene hadde en effektivitet på< 1%="" på="" grunn="" av="" manglende="" kontroll="" over="" kryssplasseringen="" og="" kvaliteten="" på="" silisiummaterialet.="" nomenklaturen="" for="" å="" navngi="" regionene="" (p-type:="" side="" som="" er="" belysning="" og="" n-type:="" annen="" side)="" gitt="" av="" ohl="" blir="" siden="" den="" gang="" brukt="" til="" solcellens="">
I løpet av 1950-tallet var det rask utvikling i diffusjonsprosessen ved høytemperatur for dopemidler i silisium. Person, Fuller og Chaplin of Bell Laboratories demonstrerte en 4,5% effektiv solcelle med litiumbasert doping, som forbedret seg til 6% med bordiffusjon. Solcellen hadde en "wrap-up" rundt strukturen (Figur 1 (b)) med begge kontaktene på baksiden for å unngå skyggetap, men førte til høyere motstandstap på grunn av viklingsstrukturen. I 1960 utviklet cellestrukturen seg til som vist iFigur 1 (c). Siden applikasjonen var for romforskning, ble substrat med høy resistivitet på 10Ω cm brukt til å ha maksimal strålingsmotstand. Vakuumfordampede kontakter ble brukt på begge sider, mens et silisiummonoksydbelegg ble brukt som et antireflekterende belegg (ARC) på forsiden (FS) [3].
Tidlig på 1970-tallet ble det funnet at å ha sintret aluminium på baksiden forbedret celleytelsen ved å danne et sterkt dopet grensesnitt kjent som 'bakoverflatefeltet (Al-BSF)' og gettering av urenhetene [3]. Al-BSF reduserer rekombinasjon av bærerne på baksiden og forbedrer dermed spenningen og spektralresponsen med lang bølgelengde. Implementering av finere og tett plasserte fingre reduserte kravet til kryssdoping og eliminerte det døde laget. En ARC av titandioksid (TiOx) ble brukt og tykkelsen ble valgt for å redusere refleksjonen for kortere bølgelengder og ga solcellene et fiolett utseende. Ytterligere forbedring ble gjort ved å strukturere vaflene ved bruk av anisotrop etsning av (100) vafler for å eksponere (111) overflatene. Strukturen førte til forbedret lysfangst og ga cellene et mørkt fløyelsutseende. Den forbedrede cellearkitekturen er vist iFigur 1 (d). I 1976 demonstrerte Rittner og Arndt terrestriske solceller med effektivitet som nærmet seg 17% [3].
Den passiverte emitter solcellen (PESC) oppnådde en milepæl på 20% effektivitet i 1984–1986. Metall / silisium-kontaktområdet var bare 0,3% i PESC-celler, mens et dobbeltlags ARC av ZnS / MgF2ble brukt i begge cellestrukturer. I 1994 ble det demonstrert passivert emitter bak lokalt diffust (PERL) celle med en effektivitet på 24% [3]. Sammenlignet med PESC-cellen, hadde PERL-cellen inverterte pyramider på FS for bedre lysfangst og oksidbasert passivering på begge sider. Oksydpassiveringslag på baksiden forbedret også den interne reflektansen til den lange bølgelengden og dermed spektrumresponsen.
I tillegg til solcellearkitekturene under utvikling, har det også vært kontinuerlig utvikling innen produksjonsområdet når det gjelder økt gjennomstrømning, forbedrede prosess-trinn og reduserte kostnader. En kort oversikt over produksjonen av Si-substrater og forskjellige typer solceller er gitt i neste avsnitt.
3. Kommersielle silisium solcelle teknologier
Si er det nest mest utbredte materialet på jorden etter oksygen og har blitt mye brukt i halvlederindustrien. Metallurgisk silisium (Mg-Si) med 98% renhet oppnås ved oppvarming av kvarts (SiO2) med karbon ved høye temperaturer på 1.500-2.000 [4]. Mg-Si blir ytterligere renset for å oppnå silisiumbiter av solkvalitet med en renhet på 99,99%. De raffinerte Si-biter av solkvalitet behandles deretter videre for å oppnå monokrystallinske og flerkrystallinske former av Si-blokker, som er en stor silisiummasse. I monokrystallinsk Si er atomene arrangert i samme krystallorientering i hele materialet. For solceller foretrekkes (100) orientering da den lett kan struktureres for å redusere overflaterefleksjonen [5]. Multikrystallinsk Si, som navnet antyder, har flere korn av Si-materiale med forskjellige retninger, i motsetning til de monokrystallinske substratene. Monokrystallinsk materiale har høyere levetid for minoritetsbærere sammenlignet med flerkrystallinsk Si og dermed høyere solcelleeffektivitet for en gitt solcelle-teknologi.
Czochralski (Cz) -metoden for å lage monokrystallinske Si-blokker er illustrert i figur 2 (a). Høyt renhet smeltet silisium med dopemiddel holdes over smeltepunktet, og deretter trekkes en frøkrystall med en veldig langsom hastighet for å oppnå en barre så stor som 300 mm i diameter og 2 m i lengde [6]. Det smeltede silisiumet kan dopes med enten p-type eller n-type dopemidler for å oppnå den spesifikke typen monokrystallinsk Si-ingot på opptil 200 kg [2]. Vafler som er saget fra stengene, har sirkulære kanter, og formen kalles derfor en 'psuedo-firkant'. Flerkrystallinske silisiumblokker fremstilles ved å smelte Si med høy renhet og krystallisere dem i en stor digel ved retningsstivningsprosess [7] som vist i figur 2 (b). Prosessen har ikke en referanse-krystallorientering som Cz-prosessen og danner dermed silisiummateriale med forskjellige retninger. For tiden veier de flerkrystallinske Si-ingots> 800 kg [2] som deretter blir kuttet i murstein og wafere blir saget videre.
Nåværende størrelse på monokrystallinske og flerkrystallinske vafler for produksjon av solceller er 6 tommer × 6 tommer. Arealet til de monokrystallinske waferne vil være litt mindre på grunn av den pseudo-firkantede formen. Det mest brukte basismaterialet for å lage solceller er bor-dopet p-type Si-substrater. N-type Si-substrater brukes også til å lage solceller med høy effektivitet, men har ytterligere tekniske utfordringer som å oppnå ensartet doping langs barren sammenlignet med p-type substrater.
Figur 2. Illustrasjon av (a) Cz-prosess for monokrystallinske ingots og (b) retningsbestemt prosess for multikrystallinske ingots.
En bred klassifisering av forskjellige typer solceller sammen med effektivitetsområder er vist i figur 3. Standard bak-overflatefeltteknologi (Al-BSF) er en av de vanligste solcelle-teknologiene gitt sin relativt enkle produksjonsprosess. Den er basert på full avsetning på baksiden (RS) ved skjermutskriftsprosess og dannelse av en + BSF som hjelper å avvise elektronene fra baksiden av p-type substrat og forbedre celleytelsen. Produksjonsflyten for Al-BSF-solceller er vist i figur 4. Standardutformingen for kommersielle solceller er med FS-rutenettmønster og RS-kontakter med full areal.
Figur 3. Bred klassifisering av forskjellige typer solceller.
Figur 4. Produksjonsflyt av Al-BSF solceller.
Den passiverte emitter-bakkontakten (PERC) solcelle forbedrer Al-BSF-arkitekturen ved å tilsette passiviseringslag på baksiden for å forbedre passivering av baksiden og intern refleksjon. Aluminiumoksid er et egnet materiale for RS-passivering med gjennomsnittlig solcelleeffektivitet nær 21% oppnådd i produksjonen [8]. En eksisterende Al-BSF solcellelinje kan oppgraderes til PERC-prosess med to ekstra verktøy (RS-passivasjonslagdeponering og laser for lokal kontaktåpning på RS).
De resterende tre cellearkitekturene er hovedsakelig teknologier med høyere effektivitet basert på Si-substrater av n-type. A-Si heterojunction solcelle har a-Si lag på FS og RS av n-type Si substrat for å danne 'heterojunctions' i motsetning til det konvensjonelle høytemperatur diffusjonsbaserte pn-krysset. Slik teknologi tillater behandling ved lavere temperaturer, men er veldig følsom for kvaliteten på overflategrensesnittene. a-Si-basert heterojunction solcelle ble kommersielt produsert av Sanyo Electric, som nå blir overtatt av Panasonic [9]. I interdigitated back contact (IBC) solcelledesign er begge kontaktene til stede på baksiden, noe som eliminerer FS-kontaktskygge tap. Vanligvis for IBC-solceller vil krysset også være plassert på baksiden. En av de tidlige produsentene av IBC-solcelle med høy effektivitet av n-typen er SunPower Corporation [10]. Bifaciale celler, som navnet antyder, kan fange lys fra begge sider av solcellene. Dette innebærer at baksiden også har rutenettkontakter for å muliggjøre lysoppsamling. Et eksempel på bifacial teknologi er BiSON solcellen utviklet og kommersialisert av ISC, Konstanz [11]. Det skal bemerkes at den indikerte klassifiseringen ikke er en uttømmende liste over forskjellige andre typer solcellearkitekturer som er i R& D-fase, nær kommersialisering eller allerede produsert. De påfølgende delene vil gi en oversikt over prosessstrinnene for produksjon av Al-BSF solceller.
4. Våtkjemiprosesser for produksjon av solceller
Våtkjemibasert behandling er et viktig trinn i solcellebearbeiding for fjerning av sagskader (SDR) for asfaltplater, strukturering av overflaten for å øke absorpsjonen av innkommende solstråling og kantisolasjon etter diffusjonsprosessen. Som diskutert i forrige avsnitt, er det hovedsakelig monokrystallinske og flerkrystallinske silisiumplater som brukes til fabrikasjon av solceller. Den våtkjemibaserte behandlingen for de respektive typer wafere vil bli diskutert fremover.
4.1 Teksturering av monokrystallinske silisiumplater
Som angitt i avsnitt 2 startet utviklingen av solceller primært med monokrystallinske vafler og benyttet seg av veletablerte metoder fra mikroelektronikkområdet. Alkalisk anisotrop etsning basert på KOH / NaOH brukes til pyramidestrukturering av monokrystallinske vafler. En skåret monokrystallinsk wafer har en vektet gjennomsnittsreflektans på> 30% (over bølgelengden 300–1 200 nm) som reduseres til 11–12% etter tekstureringsprosessen. Typisk morfologi av en alkalisk strukturert overflate er vist i figur 5. Den anisotrope etsingsløsningen etser (100) overflaten til wafers for å eksponere (111) ansiktene som har en høyere tetthet av silisiumatomer og dermed en lavere etshastighet sammenlignet med ( 100) ansikter. Dette resulterer i dannelse av tilfeldige pyramidestrukturer som danner en vinkel på 54,7 ° i forhold til waferoverflaten.
Figur 5. typisk overflatemorfologi av en alkalisk strukturert monokrystallinsk wafer.
Typiske parametere for den alkaliske struktureringsprosessen er vist i tabell 1. Det skal bemerkes at verdiene til forskjellige parametere er veiledende og ikke skal tas som absolutte, da det finnes en rekke produsenter av additiver i markedet. Isopropylalkohol (IPA) ble opprinnelig brukt som tilsetningsstoff i tekstureringsløsningen, som ikke er involvert i etsningsreaksjonen, men fungerer som et fuktemiddel for å forbedre homogeniteten i tekstureringsprosessen ved å forhindre at H2-boblene (generert under reaksjonen) overholder silisiumoverflaten [12]. Imidlertid ble IPA gradvis erstattet med alternative tilsetningsstoffer på grunn av ulemper som ustabil konsentrasjon, siden badetemperaturen er nær kokepunktet til IPA (82,4 ° C), høye kostnader, høyt forbruk, helsefare og eksplosivitet [12]. Mange grupper har publisert utviklingsarbeid for å erstatte IPA med alternative tilsetningsstoffer for å overvinne ulempene med IPA, øke prosessvinduet og redusere overflatereflektansen [12,13,14,15,16]. Tilsetningsstoffer reduserer også behandlingstiden til< 10="" minutter="" og="" øker="" badets="" levetid="" til=""> 100 runder.
Prosess
KOH / IPA
KOH / tilsetningsstoff
KOH (%) | 3 | & lt; 3 |
IPA (%) | 6 | — |
Tilsetningsstoff (%) | — | & lt; 2 |
Prosestemperatur [° C] | & gt; 80 | 70–100 |
Pyramidestørrelse [μm] | 5–12 | 2–7 |
Prosesstid [min] | 30–40 | 5–10 |
Organisk innhold [vekt%] | 4–10 | & lt; 1.0 |
Kokepunkt [° C] | 83 | & gt; 100 |
Badets levetid | & lt; 15 | & gt; 100 |
Tabell 1.Prosessparametere for IPA-basert og additivbasert alkalisk strukturering av monokrystallinske vafler.
Tekstureringsprosessen til de monokrystallinske skivene utføres vanligvis i en 'batch' som innebærer at skivene er lastet i en bærer med spor for å holde skivene (100 spor i en bærer) og deretter blir batchen behandlet sekvensielt i bad for teksturering, rengjøring, behandlingstrinn for å fjerne organiske rester og metallforurensning og tørke de bearbeidede waferne. Bærerne er vanligvis belagt med PVDF som har meget god motstand mot forskjellige kjemikalier, slitasje og mekanisk slitasje. Typisk bærer for monokrystallinsk wafershåndtering er vist i figur 6. Batchtekstureringsverktøyet har dedikerte bad for hvert trinn med doseringstanker for kjemikalier som brukes i badet. Verktøyet behandler mange bærere samtidig og kan nå en gjennomstrømning på> 6000 wafers / t med behandling av fire bærere samtidig.
Figur 6. Bærere for lasting av oblater i batchverktøyet. Kilde: RCT solutions GmbH.
4.2 Teksturering av flerkrystallinske silisiumplater
Multikrystallinske vafler gir en kostnadsfordel sammenlignet med de monokrystallinske vafler og har derfor blitt mer adoptert. Imidlertid fungerer den alkaliske kjemien som brukes til å strukturere monokrystallinske vafler ikke bra for flerkrystallinske vafler på grunn av tilstedeværelsen av forskjellige kornorienteringer. En alternativ sur kjemi basert på HF og HNO3 ble utviklet for å fjerne sagskaden og strukturere de multikrystallinske waferne samtidig [17,18]. Den sure løsningsbaserte strukturen fungerer ved temperaturer under romtemperatur og fører dermed til redusert reaksjonsgassutslipp, lite varmeutvikling, høyere stabilitet i etsingsløsningen og bedre kontroll av etsehastigheten [18]. En sammenligning av alkalisk strukturering og sur strukturering for flerkrystallinske vafler er vist i figur 7.
Figur 7. Sammenligning av alkalisk og sur strukturering for flerkrystallinske vafler. Refleksjonskurver etter avsetning av SiNx: H er også vist for sammenligning [17].
Den sure tekstureringsprosessen til multikrystallinsk wafer kan gjøres på betydelig redusert tid sammenlignet med den alkaliske struktureringsprosessen, og kan derfor implementeres i en 'inline' konfigurasjon der waferne føres gjennom ruller nedsenket i etsebadet. Et representativt bilde av en integrert prosess sammen med den typiske sure tekstureringsprosessen er vist i figur 8. For en femfeltskonfigurasjon kan det innebygde verktøyet ha en gjennomstrømning på opptil 4000 wafers / t. Det er viktig å merke seg at waferoverflaten som vender ned i etsingsløsningen, er bedre strukturert enn oversiden og er "solsiden" for videre behandling. Den sure tekstureringsprosessen fører til dannelse av porøst silisium på den strukturerte overflaten som absorberer lys og øker også overflatekombinationen [18]. Derfor fjernes det porøse silisiumet ved å bruke en fortynnet alkalisk løsning. Deretter utføres en sur rengjøring (HF + HCl) for å fjerne oksider og metallforurensning fra waferflatene.
Figur 8. (a) Representativ integrert prosess med fem baner og (b) sur strukturering prosessflyt for flerkrystallinske vafler.
Det er viktig å merke seg at den sure tekstureringsprosessen som er diskutert ovenfor, er egnet for oppslemmede (SWS) flerkrystallinske vafler. I løpet av de siste årene har diamant-wire saging (DWS) prosessen erstattet oppslemmingen-basert skjæring på grunn av prosess og økonomiske fordeler [19]. Sagskadene til SWS flerkrystallinske vafler er mer enn DWS vafler, som har dype rette spor og en mye jevnere overflate enn oppslemmede wafere [19]. Sagskadene for SWS-wafers spiller en viktig rolle for å starte tekstureringsprosessen, noe som ikke oppstår for DWS-wafers.
Forskjellige metoder er blitt foreslått for å strukturere DWS flerkrystallinske vafler og er oppsummert i tabell 2 [20]. Ved å stille inn de forskjellige metodene kan reflektans på nær 0% oppnås, og begrepet "svart silisium" har derfor blitt brukt for tekstureringsprosessen til DWS flerkrystallinske vafler. RIE var den første metoden for å lage svart silisium og bruker svovelheksaflourid (SF6) for å reagere med Si og gasser som Cl2 og O2 for passivering og begrensning av reaksjonen [20]. Nylig har kommersielle multi PERC solceller med gjennomsnittlig effektivitet på 21,3% blitt demonstrert med RIE-basert teksturprosess [21]. Imidlertid, siden RIE er en vakuumbasert prosess, er gjennomstrømningen lav sammenlignet med en typisk inline-prosess, og det kreves også ytterligere forbehandling og etterbehandling for å fjerne sagskaden og skaden på grunn av henholdsvis ionebombardement. En variant av RIE-metoden som ikke krever vakuum eller plasma, er implementert i et kommersielt verktøy [22].
Metode
Reagenser
Maske
Katalysator
Minimum refleksjon (%)
Reaktiv ionetsing (RIE) | SF6/O2, SF6/ Cl2/O2, SF6/O2/ CH4 | Ingen | Ingen | 4.0 |
Implantasjon av nedsenking av plasma (PIII) | SF6/O2 | Ingen | Ingen | 1.8 |
Laserstråling | CCl4, C2Cl3F3, SF6, Cl2, N2, luft | Ingen | Ingen | 2.5 |
Plasmaetsing | SF6 | Ag nano partikler | Ingen | 4.2 |
Metallassistert kjemisk etsning (MACE) | AgNO3/ HF / HNO3 | Ingen | Ag, Au | 0.3 |
Elektrokjemisk etsning | HF, EtOH, H2O | Ingen | Ingen | & lt; 5,0 |
Tabell 2. Ulike metoder for strukturering av diamanttrådsagede flerkrystallinske wafere [20].
En av tilnærmingene for å strukturere DWS flerkrystallinske vafler er å oppgradere den eksisterende sure tekstureringsbaserte kjemien med tilsetningsstoffer [23,24,25]. En slik tilnærming kan potensielt ha en lavere CoO sammenlignet med den MACE-baserte tilnærmingen [23]. Refleksjon av en slik additivbasert tilnærming har vist seg å være lik den konvensjonelle isotekstureringsløsningen med solcelleeffektivitet på 18,7% for den Al-BSF-baserte strukturen [24].
MACE-basert strukturering er lik den konvensjonelle sure etsemetoden med et ekstra trinn med katalytisk metallavsetning. Prosessflyten består av SDR, katalysatormetallavsetning, kjemisk etsning og etterbehandling. Effektiviteter på 19,2% er oppnådd for kommersielle multi-Al-BSF-celler ved bruk av batch-type MACE-struktureringsprosess [26]. Inline-type MACE-basert kommersielt verktøy er demonstrert med muligheten til å innstille reflektansen i området 12-23% og oppnå gjennomsnittlig effektivitet for Al-BSF og PERC-struktur på henholdsvis 18,8 og 20,2% [27]. Representative bilder av strukturert overflate basert på MACE-prosessen er vist i figur 9. Eierskapskostnadene (CoO) for den innebygde MACE-prosessen er potensielt lavere sammenlignet med den batchbaserte MACE-prosessen med mulighet til å redusere den ytterligere ved å resirkulere Ag fra teksturbadet [27].
Figur 9.MACE strukturert DWS multi wafers, (a) overflate med Ravg=12% og (b) overflate med Ravg=22% [27].
4.3 Våtkjemibasert kantisolering
Emitterområdet i en solcelle er produsert av en diffusjonsprosess ved høy temperatur (som skal diskuteres i avsnittene foran). Under diffusjonsprosessen avsettes fosforsilikatglass (PSG) på skiven som skal fjernes før avsetning av ARC-laget. Som avbildet i figur 10, etter diffusjonstrinnet, er n-type regionen også til stede på kantene og baksiden av waferen. N-type laget på kantene og baksiden vil kortslutte emitteren med basissubstratet, og det er derfor viktig å etse disse områdene og isolere emitteren på FS fra basesubstratet som vist i figur 10 (c).
Figur 10. Behandling av silisiumskive etter diffusjon og kantisolering (a) Strukturert silisiumskive, (b) Diffusert silisiumskive, (c) Diffusert silisiumskive etter kantisolering.
Kantisolasjonsprosessen kan utføres på en linje som ligner på tekstureringsprosessen diskutert i forrige avsnitt. Unntaket i dette tilfellet er at kjemikaliet bare skal etse baksiden og kantene uten å samhandle med FS. Et representativt bilde av kantisolasjonsprosessen er vist i figur 11. Det er viktig å merke seg at rullene bare er til stede på undersiden for å unngå kontakt mellom etseløsningen og forsiden. De påfølgende trinnene etter RS-etsingen er lik de i den innebygde teksturmaskinen.
Figur 11. Representativt bilde av solceller i et innebygd kantisolasjonsbad.
5. Termiske prosesser for produksjon av solceller
Prosesser ved høy temperatur utgjør en viktig del av fabrikasjonen av solceller. Eksempler på slike prosesser er å danne pn-krysset ved diffusjon, avfyring av silketrykkede kontakter, aktivering av overflatepassiveringslag eller annealing prosessinduserte defekter. Avsnittet skimter den grunnleggende fysikken i emitterdiffusjonsprosessen og plasmaforbedret kjemisk dampavsetning (PECVD).
5.1 Emitterdiffusjon
Emitterdiffusjon er et av de viktigste termiske trinnene i den industrielle solcelleproduksjonen. N-typen emitter av de krystallinske p-typen silisium solceller er dannet av fosfor (P) diffusjon. I diffusjonsprosessen blir Si-waferne sendt i en ovn og eksponert ved 800–900 ° C for fosforylklorid (POCl3) og O2 som resulterer i PSG-avsetning på Si wafer-overflatene. Dette trinnet kalles som pre-avsetning, hvor PSG [28] fungerer som en kilde for fosfor (P) dopanter for å diffundere inn i Si-waferen. Neste trinn er innkjøring, der tilførselen av dopingsgasser kobles fra og P fra PSG-laget diffunderer videre inn i Si-skiven. Hannes etal. [29] illustrerer for optimal prosessmulighet for solcelleanvendelser, tre forskjellige effekter må vurderes. For det første, in-diffusjonen av P fra PSG og dens tilstedeværelse i elektrisk aktive og inaktive tilstander i Si wafer, noe som øker Shockley-Read-Hall (SRH) rekombinasjon. For det andre, gettering av urenheter i Si laget mot PSG laget. Til slutt trekker metallkontaktformasjonen med P-dopet Si-emitter ut den genererte kraften.
Diffusjonsprosessen kvantifiseres av arkmotstand som avhenger av dybden på pn-krysset og P-konsentrasjonsprofilen. Arkmotstanden har enheter på Ω / cm (vanligvis målt som Ω / □) og måles ved hjelp av et firepunkts sondesystem. Definisjonen av arkmotstand er illustrert i lik. (1).
hvorR=motstand av et rektangulært snitt (Ω); ρ=motstand (Ω cm); l=lengde på det rektangulære snittet (cm); A=arealet av det rektangulære snittet (cm2); W=bredden på det rektangulære snittet (cm ); D=dybde på det rektangulære snittet (cm) ogρark=motstand for gitt dybde (D) når l=W (Ω / □).
De tidligere verdiene for motstandsdyktighet mot emitterark var 30–60Ω / □ med pn-kryssdyp på> 400 nm og høy P-overflatekonsentrasjon. Med forbedringer i kontaktpastaen på forsiden av sølv (Ag), ligger motstanden mot emitterarket nå i området 90–110Ω / □ med kryssdybde på rundt 300 nm og lavere P-overflatekonsentrasjon. Skifting til større arkmotstand gjør det mulig å fange mer lys i UV- og blåspekteret, samtidig som overflatekombinasjonen reduseres for å forbedre Voc. Det skal bemerkes at diffusjonsprosessen skjer på FS (direkte utsatt for gassene) og også på kantene og RS. Hvis kantisolasjonsprosessen ikke utføres (som diskutert i avsnitt 4.3), vil emitteren kortsluttes med underlaget.
Figur 12 viser POCl3-diffusjonsprosessen i et lukket kvartsrørsystem. POCl3 er en væskekilde som tilføres prosessrøret ved å boble den med en bærergass N2. Ved å blande
Figur 12. (a) Skjematisk representasjon av batch-type diffusjonsprosessen og (b) representativt bilde av et batch-type diffusjonsutstyr. Kilde: centrotherm GmbH.
På Si-overflaten,
Klor som er et biprodukt under forutfellingen, renser vafler og kvartsrør ved å danne komplekser med metaller. PSG brukes som kilde for kjøring i P-atomene inn i Si-overflaten. Under innkjøringsprosessen ble POCl3 slått av, og bare O2 ble tilsatt for å bygge opp et tynt oksydlag under PSG for å forbedre diffusjonen av P-atomer i Si-overflaten.
Inne i diffusjonsrøret er det fem varmesoner som illustrert i Figur 13. Sonene er:
Lastesone (LZ) - område hvor vaflene blir lagt inn i røret.
Center loading zone (CLZ) - område mellom lastesonen og sentrumssonen.
Center zone (CZ) — sentrumsområde av røret.
Center gas zone (CGZ) - område mellom sentrumssonen og gassonen.
Gassone (GZ) - område der gassene beveger seg ut gjennom eksosen.
Figur 13. Varmesoner inne i diffusjonsrøret.
Vanligvis blir temperaturene i hver oppvarmingssone justert for å oppnå lik motstand mot emitterark for alle vafler over båten.
Diffusjonsprosessens miljø bør være veldig rent, og derfor brukes kvartsmateriale til rørene. Renslighet av rørene og vedlikehold av lasterom påvirker også prosessresultatene. Siden det i gassfasediffusjon ikke er rester i røret, resulterer det i en renere prosess. Ved halv stigning under lavtrykksforhold (LP) [31] kan gjennomstrømningen økes. Vanligvis lastes 1000 wafere i et enkelt rør og med fem diffusjonsrør i et batch-diffusjonssystem, kan en gjennomstrømning på opptil 3800 wafers / t oppnås for produksjon av solceller.
Et inline diffusjonssystem der vaflene transporteres på et belte med fosforsyre som kilde til P-dopemidler, ble også brukt i kommersiell produksjon [32]. Imidlertid, i forhold til den innebygde prosessen, er batchprosessen mer ren, effektiv og effektiv. For n-type solceller eller avanserte solcellekonsepter som PERT, er p-typen batchdiffusjon basert på bor (B) dopantkilder som bortribromid (BBr3) [33,34].
5.2 Antireflekterende belegg (ARC)
En bar Si-overflate reflekterer> 30% av lysinnfallet. Som diskutert i seksjon 4 forbedrer tekstureringsprosessen lysfangsten. Det er ønskelig å redusere reflektansen ytterligere som oppnås ved å avsette et ARC-lag. TiOx var et av de tidligste materialene som ble brukt som et ARC-lag for solceller, men siden det ikke kunne gi tilstrekkelig overflatepassivering, ble det til slutt erstattet av SiNx: H [37]. Termisk dyrket silisiumoksyd (SiO2) ble også benyttet som det passiverende materialet i den rekordbrytende passiverte emitteren bak lokalt diffuserte (PERL) celler [37]. Høyt termisk budsjett og lang prosesstid gjorde SiO2-basert passivering uegnet for masseproduksjon av solceller [37]. En omfattende gjennomgang av ulike ARC og passiverende materiale for solcelleanvendelser er diskutert i [37].
Plasmaforbedret kjemisk dampdeponering (PECVD) -prosessen er egnet for å deponere et ARC-lag av SiNx: H som ikke bare reduserer refleksjonen, men også passiverer front-n-emitteren og bulk og forbedrer dermed solcelleeffektiviteten [36, 37]. En skjematisk oversikt over et batch-PECVD-system er vist i figur 14. Waferne er lastet i en grafittbåt med forsiden mot hverandre. Et RF-plasma basert på prosessgasser ammoniakk (NH3) og silan (SiH4) som arbeider ved en temperatur på 400-450 ° C, avgir det hydrogenerte SiNx: H-laget som perEq. (4) [35]. Hydrogenet som er innlemmet i SiNx: H-filmen diffunderer inn i bulk under avfyringstrinnet (diskutert i neste avsnitt) og passiverer de dinglende bindingene for å forbedre solcelleytelsen [36,37].
Figur 14. (a) Skjematisk diagram av batch-type PECVD-prosess for SiNx: H-avsetning og (b) grafittbåt for lasting av Si-wafere i PECVD-ovnen.
Brytningsindeksen (RI) til SiNx: H-filmen styres av forholdet SiH4 / NH3gas, mens tykkelsen avhenger av avsetningens varighet. SiNx: H-basert ARC kan minimere refleksjonen for en enkelt bølgelengde og bølgelengdetykkelsen er gitt av [38],
hvor=tykkelse på SiNx: H ARC-laget, λ0=bølgelengde for innkommende lys og n1=brytningsindeks for SiNx: H-laget.
Basert på forholdet kalles ARC også som en "kvart bølgelengde ARC". For solceller velges RI og tykkelse for å minimere refleksjonen ved en bølgelengde på 600 nm, da det er toppen av solspekteret. Tykkelsen og RI av ARC er valgt for å være det geometriske gjennomsnittet av materialer på hver side, dvs. glass / luft og Si. Den typiske tykkelsen på SiNx: H ARC er 80–85 nm med RI på 2,0–2,1 som gir solcellen en farge blå til fiolett blå. Et representativt bilde av strukturert flerkrystallinsk solcelle avsatt med SiNx: H er vist i figur 15 (a), mens variasjonen av SiNx: H-farge basert på dens tykkelse er vist i figur 15 (b). Det er viktig å merke seg at det er en avhengighet av overflatestrukturen og ARC-fargen for gitte avsetningsparametere. Det finnes en rekke solcellemoduler der fargen på solcellene er mørkere i motsetning til den typiske blå fargen. Et typisk ARC-avsetningsstadium i en solcelleproduksjonslinje består av to PECVD-systemer, hvert med fire rør og en gjennomstrømning på opptil 3500 wafers / t.
Figur 15. (a) Representativt bilde av SiNx: H-belagt flerkrystallinsk solcelle, (b) variasjon av SiNx: H-lag basert på tykkelsen.
SiNx: H er ikke egnet for passivering av p-type Si og derav dielektrikum som Al2O3 brukes til RS-passivering for cellearkitektur som PERC-celler [8] eller for p-type emittere i n-type solceller. For PERC-solceller er Al2O3-passiveringslaget avkortet av en SiNx: H for å beskytte den mot Al-pastaen under avfyringsprosessen og fungerer også som en intern reflektor for lyset med lang bølgelengde. Kommersielle PECVD- og ALD-baserte systemer er tilgjengelig for deponering av Al2O3 med gjennomstrømning på opptil 4800 wafers / t [39].
6. Metallisering og solcellekarakterisering
6.1 Silketrykkbasert metallisering
Det siste prosesseringstrinnet for solcelleproduksjon er FS og RS-metallisering for å trekke ut kraften med minimale resistive tap. Ag er et godt kontaktmateriale for n-typen emitter, mens Al gir en veldig god kontakt med p-typen substrat. En kombinasjon av Ag / Al-lim brukes til å skrive ut elektroder på RS for å lette sammenkobling av solceller i en modul. Silketrykk er en enkel, rask og kontinuerlig prosess for metallisering av solceller.
En skjematisk fremstilling av silketrykkprosessen er vist i figur 16. Skjermene har et emulsjonsbelagt rustfritt stålnett med åpninger i henhold til ønsket metalliseringsmønster som illustrert i figur 17 (a). Metallpastaen spres over skjermen via flommen og nalbevegelsen som avgir pastaen på solcellen basert på skjermmønsteret. Snap-off er avstanden skjermen og solcellen. Gummitrykket og avstengningsavstanden er de kritiske parametrene som bestemmer limet og geometrien til Ag FS-fingrene.
Figur 16. Illustrasjon av silketrykkprosessen for solcellemetallisering.
Figur 17. (a) Mesh-emulsjonsskjerm med fingeråpning for FS Ag-utskrift [40] og (b) representativt FS-metalliseringsmønster.
Typisk lim for Ag / Al RS-pads, RS Al og FS Ag er henholdsvis 35–45 mg, 1,1–1,4 g og 100–120 mg for en 6-tommers Al-BSF-multikrystallinsk solcelle. Et illustrerende Ag FS-metalliseringsmønster er vist i figur 17 (b). Ag-fingeråpningen har blitt redusert til under 30 μm, mens bruk av 5 bus-bar blir stadig mer vedtatt nå. Med en slik skjermparameter og god liming, bør konsistent FF på> 80% oppnås for Al-BSF solceller med et optisk skyggetap på<>
6.2 Tørking og rask avfyring av metalliserende pastaer
Metalliseringspastaene består av metallpulver, løsningsmidler og organiske bindemidler. I tilfelle av FS Ag-pasta, inneholder pastaen også glassfritte mens etser SiNx: H-laget og tar kontakt med n-typen emitter [41]. Metallpastaene tørkes etter utskrift, og til slutt sendes de gjennom en hurtigfyringsovn for sintring og danner RS Al-BSF- og FS Ag-kontakten. Et eksempel på en slik hurtigfyringsovn med temperaturprofilen er vist i Figur 18. FS Ag-fingersintringsprosessen er illustrert i Figur 19. Når solcellen passerer gjennom hurtigfyringsovnen, blir de organiske bindemidlene brent, etterfulgt av smelting av glassfriten og til slutt dannelse av Ag-krystallitter som kommer i kontakt med emitteren av n-typen. Avfyringsprofilen må innstilles basert på de spesifikke typene metalliseringspastaer og emitterdiffusjonsprofiler. Som et eksempel kan avfyringstopptemperaturen være lav for ikke å danne en god ohmsk kontakt på FS, mens en for høy temperatur kan føre til diffusjon av Ag gjennom krysset og shunting av pn-krysset. Bildet av en komplett flerkrystallinsk Al-BSF solcelle er vist i figur 20.
Figur 18. (a) Eksempel på en fyringsovn for sintring av metallkontakter og (b) illustrativ temperaturprofil for en fyringsovn. Kilde: centrotherm GmbH.
Figur 19. Illustrasjon av avfyringsprosessen. (a) Utbrenning av de organiske bindemidlene, (b) smelting av glassfritte som etser SiNx: H og (c) Ag-krystallittformasjon ved emittergrensesnittet.
Figur 20. (a) FS av en komplett solcelle og (b) RS av en komplett solcelle.
6.3 Pletteringsbasert metallisering på forsiden
Kostnadene for ulike faktorer i solcellebehandlingen har gått ned gjennom årene, mens bidraget fra front Ag fremdeles er det viktigste [42]. Det er utført betydelig arbeid for å erstatte Ag med alternativt metall som kobber (Cu) som har en ledningsevneverdi som er veldig nær den for Ag, og som også gir en potensiell betydelig kostnadsfordel [43,44]. Cu har høy diffusivitet og oppløselighet i Si, og derfor avsettes et sperresjikt som nikkel (Ni) på Si før Cu-plettering [42]. Lysindusert plating (LIP) som er avledet fra konvensjonell plating, bruker den fotovoltaiske effekten av lys for å plate ønsket metall og har mange fordeler sammenlignet med konvensjonell plating [43,44].
Ni-Cu-basert metallside på forsiden krever et ekstra ARC-mønsterstrinn på forsiden i motsetning til Ag-limbasert metallisering og i de fleste tilfeller også et ekstra Ni-sintringstrinn for å redusere kontaktmotstanden og ha god vedheft av metallstakken [42 ]. Kommersielle DWS-kutte mc-Si-solceller basert på Ni-Cu-Ag-belagt stabel er demonstrert med fingerbredde på 22 μm, sideforhold på nær 0,5 og lignende effektivitet som for referanseskjermtrykte Ag-baserte solceller [45 ].
Kontinuerlig forbedring av Ag FS-pastaene sammen med enkelhet, pålitelighet og høy gjennomstrømning av silketrykkprosessen har gjort det vanskelig for Ni-Cu-basert metallisering å konkurrere med Ag-basert FS-metallisering. Imidlertid er konsepter med høy solcelleeffektivitet som bifaciale heterojunksjon solceller, hvor Cu kan legges direkte på det gjennomsiktige ledende oksidet, plateringsprosessen forenklet og krever bare et enkelt verktøy [39]. Tilsvarende kan konsept med høy effektivitet som krever redusert mengde metall oppnå det samme ved bruk av metallbasert metallisering [42,46].
6.4 IV-testing og karakterisering av solceller
Det siste trinnet er IV-testing av komplette solceller i henhold til standard testbetingelser (STC), dvs. AM 1.5G, 1000W / m2 med en klasse AAA solsimulator. Et eksempel på FS-sondering av solceller er vist i figur 21. De typiske parametrene som er oppnådd fra IV-testeren er angitt i tabell 3. IV-testere har mange karakteriseringsparametere som kan være nyttige for diagnostisering av solcellefeil. Representativ elektroluminescens (EL) og termisk IR-bilde av en solcelle med noen defekter er vist i figur 22 (a) - (c). Et EL-bilde av en god solcelle med jevn intensitet er vist i figur 22 (a), mens for en solcelle der FS-fingrene ikke er trykt jevnt, kan en mørkere kontrast sees i figur 22 (b). Figur 22 (c ) viser et termisk IR-bilde av en solcelle med en lokal shunt som er blitt dannet under ett av prosesseringstrinnene. Til slutt blir solcellene sortert i forskjellige effektivitetsbeholdere basert på den valgte klassifiseringen.
Figur 21.IV måling FS sondering for solcelle karakterisering.
Parameter
Kommentarer
Voc(V) | Gode mc-Si Al-BSF solceller har en verdi på> 0,635V |
Isc(A) | Gode mc-Si Al-BSF solceller har en verdi på> 9,0 A |
FF (%) | Gode mc-Si Al-BSF solceller har en verdi på> 80% |
Effektivitet (%) | Gode mc-Si Al-BSF solceller har en verdi på> 18,6% |
Vmpp(V) | Tilsvarende spenning ved maksimalt effektpunkt |
Impp(A) | Tilsvarende strøm ved maksimalt effektpunkt |
Rs(Ω) | Gode mc-Si Al-BSF solceller har en verdi på< 1,5=""> |
Rsh(Ω) | Gode mc-Si Al-BSF solceller har en verdi på> 100Ω |
Irev(A) | Motstrøm ved en spenning på -12V bør være< 0,5="" a="" for="" gode=""> |
FS BB-BB motstand (Ω) | Motstand målt mellom BB på FS |
RS BB-BB motstand (Ω) | Motstand målt mellom BB på RS |
Tabell 3. Parametere for karakterisering av en solcelle hentet fra IV-måling.
Figur 22. (a) EL-bilde av en god solcelle, (b) EL-bilde av en solcelle med ikke-ensartethet i Ag-fingeravtrykk og (c) termisk IR-bilde av en solcelle som indikerer tilstedeværelse av lokaliserte shunter.
7. Fremtidige trender
DWS har blitt standarden for monokrystallinske vafler, mens det forventes å ha en markedsandel på> 80% innen 2022 for flerkrystallinske vafler [2]. SWS for flerkrystallinske vafler forventes å fase ut innen den tiden. Med DWS ville kerf-tapet også bli< 80μm="" innen="" 2022,="" noe="" som="" igjen="" ville="" redusere="" poly-si-forbruket="" per="" wafer="" under="" 15g.="" 3bb-design="" for="" frontkontakter="" forventes="" å="" avvikles="" innen="" 2020="" med="" 50%="" andel="" for="" 5bb-design.="" med="" kontinuerlige="" forbedringer="" i="" ag-pastaer="" og="" skjermer,="" forventes="" fs-fingerbredden="" å="" reduseres="" til="" 30μm="" innen="" 2022.="" våtkjemiske="" prosesseringsverktøy="" har="" krysset="" gjennomstrømningen="" på="" 8000="" wafers="" t="" i="" 2018="" og="" ville="" berøre="" 9="" 000="" wafers="" t="" innen="" 2020.="" utstyr="" for="" termisk="" prosess="" har="" nådd="" gjennomstrømning="" på="" 5000="" wafers="" t="" i="" 2018="" og="" forventet="" å="" krysse="" 7="" 000="" wafers="" t="" innen="" 2020.="" metalliserings-="" og="" iv-test="" sorteringsseksjonen="" forventes="" å="" ha="" en="" gjennomstrømning="" på=""> 7 000 wafers / h innen 2022.
Al-BSF-basert celleteknologi som har en markedsandel på> 60% i 2018 forventes å redusere til< 20%="" innen="" 2025.="" med="" mer="" vekt="" på="" konsentrasjoner="" med="" høy="" effektivitet="" solceller,="" andel="" av="" perc="" teknologien="" forventes="" å="" være=""> 50% innen 2022. Produksjonseffektiviteten til Mono PERC forventes å være> 22% innen 2022, mens for multi PERC bør den berøre 21% på samme tid. Et viktig aspekt relatert til multi-PERC er avbøting av LeTID-basert problem for å minimere tap av effektivitet etter installasjoner av modulene i felt. Si HJ-celler med effektivitet på> 22% i 2018 etter forventet å nå stabil effektivitet på 23% innen 2020, med en markedsandel på rundt 10% innen 2022. Bifaciale celler med høy effektivitet med en ekstra fordel ved å tappe solenergi stråling fra baksiden forventes å ha en markedsandel på 20% innen 2022. N-type ryggkontakt solceller forventes å krysse 24% effektivitet innen 2020.
8. Konklusjoner
Si solceller har blitt en viktig del av fornybar energidomenet de siste tiårene med modnet produksjonsteknologi. P-type flerkrystallinske vafler har blitt hovedoppholdet for produksjon av solceller. Imidlertid, med høyere effektivitet og synkende produksjonskostnader, har monokrystallinske solceller også fått en betydelig andel og forventes å konkurrere tett med flerkrystallinske vafler i nær fremtid. For standard Al-BSF-teknologi har 19 og 20% blitt målestokken for henholdsvis flerkrystallinske og monokrystallinske solceller. Mono-PERC og multi-PERC celler har nådd stabilisert effektivitet på henholdsvis 21,5 og 20%. I tillegg gir PERC også en enklere tilnærming for bifaciale solceller ved å ha et rutenettmønster på RS i stedet for full arealkontakt. Høyeffektiv n-type og bifaciale solceller har en markedsandel på< 10%="" som="" forventes="" å="" øke="" i="" fremtiden.="" produksjonsteknologiene="" har="" modnet="" betydelig="" de="" siste="" årene="" med="" ytterligere="" forbedringer="" for="" å="" øke="">
Anerkjennelser
Forfatterne vil takke kollegene fra RCT Solutions GmbH som noe av innholdet til kapittelet er hentet fra. Mehul C.Raval vil takke kollega Jim Zhou for diskusjonene om svart silisium teksturering.
