晶体硅太阳电池的基本结构和制备工艺流程

文章来源：学习那些事

原文作者：小陈婆婆

本文简单介绍了晶体硅太阳电池基本结构和晶体硅太阳电池晶体硅材料的制备。

太阳能光电转换原理主要依赖于半导体材料的光电效应，特别是光生伏特效应。通过合理设计和制造太阳电池，可以有效地将太阳能转换为电能，为各种应用提供可持续的能源。

晶体硅太阳电池的结构是将太阳能转化为电能的太阳能光电转换器件的关键部分。

1晶体硅太阳电池基本结构

基本结构

晶体硅太阳电池的基本结构是半导体的P-N结。这意味着在P型硅晶片和N型硅晶片之间形成了一个界面，使得电子和空穴能够在该界面处分离并产生电流。

P型硅晶片与N型半导体层

P型硅晶片：作为基极，P型硅晶片是通过在硅中掺入三价元素（如硼）而形成的。这种掺杂使得硅晶片中的部分硅原子被替代，形成了带正电的空穴。

N型半导体层：通过扩散等威廉希尔官方网站 ，在P型硅晶片上形成了一层厚度约为0.20~0.50微米的N型半导体层。这层N型半导体层是通过在硅中掺入五价元素（如磷）而形成的，使得硅晶片中的部分硅原子被替代，形成了带负电的电子。

绒面结构与减反射层

绒面结构：在N型硅晶片表面上制备了呈“金字塔”形状的绒面结构。这种结构能够减少入射太阳光的反射损失，增加电池对太阳光能的吸收。

减反射层：为了进一步减少反射，通常在绒面结构上沉积了一层薄膜作为减反射层。这层薄膜一般可均匀沉积60~100纳米左右的SiO2或Si3N4等材料。减反射层能够使得入射太阳光在薄膜与硅晶片之间发生多次反射和干涉，从而减少反射损失并提高光能的吸收效率。

金属电极

上电极：在N型硅晶片表面的绒面结构和减反射层之上，制备了呈“梳齿”形状的金属电极。这种电极形状能够增加与硅晶片的接触面积，从而更有效地收集电子。为了减少电子和空穴的复合损失，上电极通常采用铝-银材料制成。

下电极：在P型硅晶片表面上直接制备了布满下表面的板状金属电极作为下电极。为了减少电池内部的串联电阻，下电极通常采用镍-锡材料制成。

欧姆接触

上、下电极分别与N+区和P区形成了良好的欧姆接触。这意味着电极与硅晶片之间的接触电阻很小，能够使得电子和空穴在电极与硅晶片之间顺畅地流动。

晶体硅太阳电池的结构包括P型硅晶片、N型半导体层、绒面结构与减反射层以及金属电极等部分。这些部分共同协作，使得晶体硅太阳电池能够有效地将太阳能转化为电能。

2晶体硅太阳电池晶体硅材料的制备

晶体硅太阳电池用的晶体硅材料制备是一个复杂而精细的过程，主要可以分为单晶硅和多晶硅两种材料的制备。以下是关于这一过程的详细分述：

一、晶体硅材料的分类与特性

单晶硅：单晶硅是指整个材料的晶格原子都按照同一间距规则在空间进行周期性排列的晶体材料。由于其结构高度有序，单晶硅太阳电池通常具有较高的光电转换效率。单晶硅通常是采用直拉法制备而成，形成的单晶棒呈圆柱形，因此单晶硅太阳电池晶片的形状通常是四角呈圆弧的“准方”形。

多晶硅：多晶硅则是由很多个小单晶（晶粒）组成，各个晶粒的方向（晶向）不同。与单晶硅相比，多晶硅的制备工艺相对简单，成本较低，但光电转换效率可能稍低。

二、晶体硅材料的制备工艺流程

晶体硅太阳电池用的晶体硅材料制备的主要生产工艺流程包括原材料准备、晶体生长、切割加工、后续处理等步骤。

原材料准备

原料选择：根据生产需求，选择适合的原材料。对于单晶硅，通常使用高纯多晶硅或者是微电子工业生产中用剩的单晶硅材料的头、尾料等。对于多晶硅，多使用半导体级的高纯多晶硅，某些情况下也可以使用微电子工业用单晶硅生产中的剩余原料。

原料处理：对于非免洗硅料，包括回炉料、头尾料等，需要进行破碎、化学腐蚀、清洗、烘干等处理，以去除杂质和表面污染。

晶体生长

单晶硅生长：采用直拉法（CZ法）或悬浮区熔法（FZ法）等方法，在合适的温度和气氛下，使高纯硅原料熔化并结晶生长成单晶硅棒。

多晶硅生长：采用定向凝固法（DSS法）、浇铸法（铸造法）等方法，将熔融的硅原料倒入模具中，通过控制冷却速度和温度梯度，使硅原料结晶生长成多晶硅锭。

切割加工

将生长好的单晶硅棒或多晶硅锭进行切割，得到一定厚度和尺寸的晶片。

对晶片进行边缘处理、表面抛光等，以提高晶片的质量和光电转换效率。

后续处理

对晶片进行扩散工艺处理，形成P-N结。

制备绒面结构和减反射层，提高晶片对太阳光的吸收效率。

制备金属电极，形成欧姆接触，以便将产生的电流导出。

三、生产环境与质量控制

为了确保晶体硅太阳电池组件的质量和高光电转换效率，需要在适合的生产环境下对关键生产工序进行严格有效的质量控制。

生产环境：为了防止杂质污染，应在厂房中配置一定面积的洁净区。根据资金使用情况，可以将晶体硅材料制备工序和主要的加工设备配置在至少为10000级洁净区或局部的1000级洁净区内。

质量控制：对铸造多晶硅的制备工艺、硅晶片的扩散工艺、绒面结构制备工艺、减反射层沉积等关键工序进行严格的质量控制。通过化学分析、物理测试等手段，确保晶体硅材料的质量和性能符合要求。

晶体硅太阳电池用的晶体硅材料制备是一个复杂而精细的过程，需要严格控制原材料选择、晶体生长、切割加工和后续处理等各个环节的质量，以确保最终产品的性能和质量。