Технологии производства элементов

Технологий производства элементов существует несколько. Начнем с производства по методу трафаретной печати.

Основные стадии производства солнечных элементов по методу трафаретной печати.

1. Начальная подложка. Подложки, с котрых начинается изготовление солнечного элемента, примерно 0.5 мм в толщину и имеет площадь 10 на 10 см2. Обычно это подложка p-типа немного легированная бором (1е16 атомов/см3).
2. Гравировка повреждений, оставшихся после пиления. Поверхность подложки после пиления обычно имеет неровности и покрыта смазочно-охлаждающией жидкостью.
3. Сильный щелочной травитель очищает поверхность подложки и удаляет поврежденный слой кремния.
4. Создание p-n перехода с помощью легирования. Нагревание подложки в специальной печи до 800-1000 0С в атмосфере фосфора приводит к тому, что небольшое количество фосфора внедряется в наружние слои кремния.
5. Обрезание краев. Элементы укладывают один над другим для удаления p-n переходов с краев.
6. Края травятся очень активным плазменным газом.
7. После плазменного травления верхний контакт больше не контактирует с нижним.
8. Трафаретная печать заднего контакта. К задней поверхности подводят трафарет и металлическую пасту. Серебрянные контакты наиболее доступные по цене, но они не создают необходимого электрического поля. Использование аллюминиевой пасты увеличивает эффективность солнечного элемента за счет создания электрического поля, но для ее использования необходим еще один слой серебра для того, чтобы контакты можно было соединить.
9. Специальный скребок проходит вдоль трафарета, продавливая металличсекую пасту через пустоты в маске.
10. Трафарет удаляетс, оставляя после себя толстый слой влажной металлической пасты.
11. Далее паста высушивается в печи для удаления органических растворителей и связывающих веществ.
12. Прожигание заднего контакта. Элемент помещает в печь с гораздо более высокой температурой, чтобы создать контакт между металлом и кремнием.
13. Прожигание уничтожает задний n-слой, поэтому металл создает конакт с основной подложкой p-типа.
14. Элемент переворачивается, чтобы продолжить печать на лицевой стороне. 15. Печать лицевого контакта. Лицевой контакт печается так же, как и задний контакт.
16. Контакты на поверхности представляют собой тонкие металлические линии для уменьшения потерь из-за затенения.
17. Прожигание контактов Печь нагревают до высокой температуры, чтобы вжечь металлическую пасту в кремний
18. Солнечный элемент готов к помещению в модуль.

У этого процесса есть множество различных вариаций и дополнений, делающих солнечный элемент более эффективным и более дешевым. Некоторые из них уже внедрены в коммерческое производство, некоторые — находятся на стадии переноса из лаборатории на конвеер.

Диффузия фосфора

Обычно при производстве солнечных элементов по технологии трафаретной печати для изготовления эмиттера используется простая однородная диффузия, в результате чего уровень легирования под металлическими контактами получается таким же, как и между ними. Чтобы уменьшить контактное сопротивление, нужно обеспечить высокую концентрацию фосфора около поверхности под контактами. Однако, высокая концентрация фосфора на поверхности создает «мертвый слой», уменьшающий чувствительность элемента в синей области спектра. Более современная технология производства солнечных элементов позволяет создавать контакты на очень неглубоких эмиттерах, увеличивая «синюю» чувствительность. Также были предложены селективные эмиттеры, в которых зоны с повышенной концентрацией расположены только под металлическими контактами (Horzel, Ruby), но до стадии коммерческого производства они еще не добрались.

Текстурирование поверхности для уменьшения отражения

Подложки, нарезанные из слитков монокристаллического кремния, можно легко текстурировать для уменьшения отражения травлением в химических растворах, в результате чего на поверхности образуются пирамиды. Такой способ текстурирования идеален для монокристаллических подложек выращенных по метода Чохральского, однако, он практически совершенно бесполезен в случае произвольно ориентированных зерен мультикристаллического кремния. Были предложены различные способы текстурирования мультикристаллических подложек. Среди них:

Механическое текстурирование поверхности подложки с помощью режущих инструментов или лазеров (Narayanan, Willeke, Hezel ).
Изотропное химическое травление, основанное не на ориентации кристалла, а на дефектах в нем (Einhaus).
Изотропное химическое травление в сочетании с фотолитографичекой маской (Stock, Zhao).
Плазменное травление (Fukui).

Не смотря на то, что многие из методов текстурирования мультикристаллической поверхности являются довольно перспективными, ни один из них до сих пор не был внедрен в полномасштабный производственный процесс.

Антиотражающие покрытия и прожиг контактов

Антиотражающие покрытия особенно важны для мультикристаллических материалов, которые не просто текстурировать. Двумя повсеместно используемыми антиотражающими покрытиями являются оксид титана и нитрид кремния. Покрытия наносятся с помощью простых методов, таких как распыление или химическое осаждение из газовой фазы. Кроме улучшения оптических свойств, диэлектрические покрытия могут также улучшить электрические свойства, пассивируя поверхность. В процессе трафаретной печати металлические контакты прорезаются через антиотражающее покрытие и достигают кремния за счет добавления в пасту режущих веществ. Вся процедура является довольно простой. Ее дополнительное преимущество заключается в возможности создания контактов для более мелкого эмиттера (Szlufcik).

Отделение краев

Существует множество разных способов обрезки краев, таких как плазменное травление, лазерная обрезка, или экранирование кроев во время диффузии.

Задний контакт

Сплошной аллюминиевый слой отпечатанный назадней поверхности элемента с последующим созданием сплава с кремнием с помощью вжигания создает электрическое поле и улучшает p-область элемента за счет геттерирования. Тем не мение аллюминий достаточно дорог, а чтобы соединить его с верхними контактами нужно создавать дополнительный слой серебра. В большинстве производственных процессов задний контакт делают просто печатая контактную сетку из аллюминия и сереба одновременно.

Подложки

Метод трафаретной печати использовался на разных подложках. Простота метода трафаретной печати делает его идеальным как длы Чохральского, так и для мультикристаллического кремния более низкого качества. Общая тенденция заключается в переходе на более широкие и тонкие подложки площадью 15 на 15 см2 и толщиной 200 мкм.

Увеличенное изображение лицевых контактов солнечного элемента, выполненного по технологии трафаретной печати. В процессе печати металлическая паста продавливается через полости в маске. Минимальная ширина пальцевых контактов определяется размером полостей. Обычно пальцевые контакты имеет ширину от 100 до 200 мкм.

Увеличенное изображение готового солнечного элемента. Расстоянием между пальцевыми контактами составляет примерно 3 мм. При упаковке в модуль к шине припаивается дополнительный контакт, чтобы уменьшить последовательное сопротивление солнечного элемента.

Законченный солнечный элемент. Вид спереди. Из-за того, что этот солнечный элемент был сделан на мультикристаллической подложке, можно отчетливо видеть различну ориентацию ее зерен. Квадратная форма мультикристаллических подложек упрощает их упаковку в модули.

Законченный солнечный элемент. Вид сзади. Он может иметь либо сетку, созданную одним отпечатком Al/Ag пасты, которая не создает электрического поля, либо сплошной аллюминиевый контакт, создающий поле, но требущий дополнительной печати для соединения контактов. Нажмите на изображение, чтобы перейти к другому виду контактов.

Солнечные элементы с утопленными контактами

Технология производства солнечных элементов с утопленными контактами основывается на создании покрывающего металлического контакта внутри проделаной лазером канавки. С ее помощью производятся коммерческие солнечные элементы с высокой эффективностью. Она позволяет преодолеть многие недостатки, связанные с трафаретной печатью контактов, что увеличивает КПД таких солнечных элементов на 25% по сравнению с коммерческими трафаретными солнечными элементами. Схематическое изображение солнечного элемента с утопленными контактами показано ниже.

Поперечное сечение лазерной канавки в солнечном элементе с утопленными контактами.

Гланой особенностью, определяющей эффективность таких солнечных элементов, является погружение металлического контакта в канавку, прожигаемую лазером, внутри кремниевого солнечного элемента. Это позволяет значительно увеличить отношение высоты контакта к его ширине, а значит и объем металла, создающего пальцевой контакт. В то же время площадь, занимаемая металлом на поверхности, остается неизменной. В результате можно создать большое количество близко расположенных пальцевых контактов не ухудшая прозрачность поверхности солнечного элемента. Например, в трафаретном солнечном элементе потери, связанные с затенением могут составлять от 10 до 15%, в то время, как, если контакты утоплены, потери будут в районе 2-3%. Низкие потери вследствие затенения уменьшают отражение, увеличивая таким образом ток короткого замыкания.

Поперечное сечение частично заполенной лазерной канавки.

Кроме преимуществ, связанных с хорошим отражением, технология утопленных контактов позволяет также получить низкие паразитные сопротивления благодаря увеличению отношению высоты к ширине пальцевых контактов и уменьшению расстояния между ними. Как показано на странице «Сопротилвение эмиттера», в солнечных элементах с утопленными контактами сопротивление эмиттера уменьшается, так как уменьшение расстояние между пальцевыми контактами значительно уменьшает резистивные потери в эмиттере. Сопротивление контактной сетки также можно уменьшить, так как сопротивление пальцевого контакта уменьшается за счет большого объема металла в канавке и использования меди, которая имеет более низкое удельное сопротивление, чем паста в трафаретных солнечных элементах. Кроме того утопленные контакты имеют более низкое контактное сопротивление, обусловленное созданием слоя силицида никеля на границе металла и полупроводника и большой площадью контакта. Все это уменьшает резистивные потери, позволяя создать солнечные элементы с большой площадью и высокими коэффициентами заполнения.

Если сравнивать с трафаретными солнечными элементами, способ создания контактов в солнечных элементах с утопленными контактами также улучшает эмиттер солнечного элемента. Для минимизации резистивных потерь эмиттер трафаретных солнечных элементов очень сильно легируется, что приводит к образованию «мертвого» слоя на поверхности солнечного элемента. Так как в солнечных элементах с утопленными контактами потери в эмиттере не велики, его уровень легирования оптимизируется для получения высоких напряжений холостого хода и токов короткого замыкания. Более того, конструкция с утопленными контактами включает само-выравнивающийся, селективный эмиттер, который благодаря этому уменьшает рекомбинацию на контактах и вносит вклад в высокое напряжение холостого хода.

Увеличение КПД солнечных элементов с утопленными контактами дает существенную выгоду в стоимости и производительности. Его соимость, выраженная в $/Вт, аналогична стоимости трафаретного солнечного элемента (Jordan, Nagle). Но за счет уменьшения стоимости компонентов, зависящих от площади солнечной батареи, и фиксированной стоимости инвертора и др. компонентов, солнечные элементы с более высокой эффективностью приводят к более низкой стоимостью электроэнергии. Еще одним преимуществом данной технологии является возможность ее использования в концентрирующих системах (Wohlgemuth, Narayanan).

Последовательность шагов при производстве солнечных элементов с утопленными контактами:

1. Гравировка повреждений, оставшихся после пиления. Поверхность подложки после пиления обычно имеет неровности и покрыта смазочно-охлаждающей жидкостью.

2. Сильный щелочной травитель очищает поверхность подложки и удаляет поврежденный слой кремния.
3. Текстурирование. Кремниевая подложка имеет высокую отражательную способность, которую можно уменьшить с помощью текстурирования.
4. Второй химический травитель очень хорошо травит вдоль направлений кристаллических плоскостей. Прекрасное текстурирование можно легко получить на монокристаллических подложек, тогда как текстурировать мультикристаллическую подложку гораздо сложнее. Микроскопические пирамиды, образовавшиеся на поверхности элемента.
5. Формирование p-n перехода с помощью легирования. Нагревание подложки в специальной печи до 800-1000 0С в атмосфере фосфора приводит к тому, что небольшое количество фосфора внедряется во внешние слои кремния.
6. Выращивание маскирующего оксида. Нагревание подложки до высокой температуры в присутствии водяного пара приводит к оксидации ее внешних слоев и формированию на поверхности оксида кремния (кварца).
7. Прорезание канавок. С помощью лазера или механической пилы на поверхности вырезаются бороздки примерно 30 мкм шириной и 80 мкм глубиной. Их вырезают или по очереди или одновременно все вместе.
8. Диффузия в канавки Область в канавках, более не защищенная оксидом, сильно легируется фосфором.
9. Создание электрического поля на задней поверхности с помощью алюминия. На заднюю часть элемента наносится слой алюминия с помощью напыления или трафаретной печати.
10. Спекание Подложку выдерживают при высокой температуре в течение долгого времени для того, чтобы вплавить алюминий в кремний и активировать дальнейшую диффузию фосфора.
11. Покрытие канавок медью Канавки покрывают в начале тонким заградительным слоем никеля, а за тем слоем меди, помещая подложку в ванну с солями этих металлов. Медь полностью заполняет канавки. Тонкий слой меди полностью покрывает заднюю поверхность элемента.
12. Удаление краев Чтобы изолировать верхний и нижний переходы, боковые поверхности элемента обрезаются.
13. Теперь солнечный элемент готов к помещению в модуль.

Солнечные элементы с большим КПД

Сделать солнечный элемент с высокой эффективностью гораздо дороже, чем обычный солнечный элемент. Их обычно используют на солнечных автомобилях или в космосе.

Honda Dream . Автомобиль, победивший в мировом солнечном первенстве в 1996г. Для нее были созданы эксклюзивные солнечные элементы с эффективностью превышающей 20%.

Ниже перечислены некоторые из технологий, используемые в лабораториях при производстве солнечных элементов, призванных максимально повысить КПД:

* Эмиттер легируется не сильно, чтобы уменьшить рекомбинационные потери и избежать создания оптически «мертвого» слоя на поверхности элемента.
* Металлические контакты на поверхности делают как можно ближе друг к другу для минимизации поперечных резистивных потерь и в то же время очень тонкими, обычно меньше 20 мкм, чтобы уменьшить затеняемую площадь поверхности.
* Лицевая поверхность полируется или шлифуется, чтобы контакты можно было наносить с помощью литографии.
* Площадь солнечного элемента уменьшают и используют металлы с хорошей проводимостью для снижения резистивных потерь.
* Стремятся уменьшить контактную поверхность и увеличить уровень легирования кремния вокруг нее для снижения рекомбинации.
* Контакты изготовляют по сложным схемам и используют для этого различные сочетания металлов, например титан/палладий/серебро, что делает возможным очень низкое контактное сопротивление.
* Хорошая пассивация задней поверхности уменьшает рекомбинацию.
* Использование антиотражающих покрытий, способных снизить отражение от поверхности с 30 до 10%.

Существуют несколько солнечных элементов, использующие эти лабораторные технологии. Среди них солнечные элементы PERL, созданные в университете New South Wales, и солнечные элементы с тыльными контактами, разработанные в Стэнфорде и выпускаемые компанией SunPower для нишевых рынков.

Солнечные элементы PERL

PERL (ПЭЛЗ) — это аббревиатура от слов пассивированный эмиттер с локальным легирование задней поверхности. При их производстве используются технологии из микроэлектронной промышленности, что позволяет достичь КПД порядка 25% при стандартном спектре АМ1.5. Пассивация эмиттера означает нанесение на лицевую поверхность слоя оксида высокого качества, который существенно снижает рекомбинацию носителей около поверхности. Задняя поверхность легируется только возле металлического контакта для уменьшения рекомбинации на задней поверхности при сохранении хорошего электрического контакта.

Схематическое изображение лабораторного солнечного элемента с высоким КПД.

Изображение, полученное в электронном микроскопе, показывающее лицевую поверхность солнечного элемента PERL со отломанным пальцевым контактом. Ширина пальца составляетс 20 мкм, в то время, как ширина контакта — 3 мкм.

Солнечные элементы с высоким КПД реальны, но дороги в производстве. Параметры солнечных элементов, используемых для солнечных автомобилей приведены ниже.:

Площадь: 22см2
КПД: 23.5%
Voc: 703 мВ
Isc: 914мA
Jsc: 41.3мA
Vmp: 600мВ
FF: 0.81
Imp: 868 мA

Вольт-амперная характеристика солнечного элемента.

Солнечные элементы с контактами на задней поверхности

Солнечные элементы с обоими контактами, расположенными на задней поверхности, должны потенциально увеличить эффективность за счет перенесения всех передних контактов в тыльную часть солнечного элемента. Это становится возможным благодаря уменьшению затенения поверхности, что особенно важно в концентрирующих солнечных элементах, дающих высокий ток короткого замыкания. Существуют несколько конфигураций таких солнечных элементов.

Солнечные элементы с задними встречнополосными контактами (IBC)

Солнечные элементы с задними контактами устраняют все потери, связанные с затенением, благодаря перемещению лицевых контактов на тыльную поверхность. При использовании тонких солнечных элементов, сделанных из высокого качества материалов, электронно-дырочные пары, созданные светом, поглощенным на передней поверхности, по-прежнему могут быть собраны на тыльной поверхности солнечного элемента (Verlinden). Такие солнечные элементы особенно важны при концентрации излучения, при которой увеличивается влияние последовательного сопротивления

Дополнительным преимуществом таких солнечных элементов является то, что контакты, расположенные сзади, проще соединить. Кроме того элементы можно располагать ближе друг к другу, так как теперь между ними не нужно оставлять дополнительного места.

Солнечный элемент с задними контактами, каким его производят на коммерческих предприятиях.

PVCDROM Christiana Honsberg и Stuart Bowden

Пример производственной линии→

← Технологии обработки