单晶硅电池的制作流程介绍

本章之所以采用单晶硅光伏电池为例，其原因一是光伏效应的基本原理阐述较容易做到简单明了，二是单晶硅光伏电池目前仍然是占据统治地位的光伏电池产品。在前一节的基础上，本节主要介绍单晶硅光伏电池的制作和工艺。

1.高纯硅的获取

硅（Si）资源极为丰富，在地壳中的储量仅次于氧，但是大多以石英一类的二氧化硅（SiO₂）矿物形式存在。能制作电子器件的电子级高纯硅要求其纯度达到99.9999%，而高纯硅的制取需要如下复杂且高耗能的过程：

1）首先需要将二氧化硅与焦炭一起在电弧炉中进行还原：

SiO₂+C=Si+CO₂ （2-4）

上述过程得到纯度为99%的金属硅，得到1kg金属硅需要耗电50kW·h。

2）纯度为99%的金属硅距电子级高纯硅差距甚远，因此还要继续提纯。通常在硫化床上让金属硅与氯化氢（HCl）进行反应得到三氯硅烷（SiHCl₃），但是在上述工艺过程中同时得到多种其他的硅氯氢化合物杂质。因为在硫化床上得到的这些液体具有不同的沸点，因此可以通过分馏工艺将三氯硅烷提取出来。

3）下一步将三氯硅烷与氢在高温下进行反应，

SiHCl₃+H₂=Si+3HCl （2-5）

得到多晶硅（Polycrystalline Silicon）和氯化氢，到了这一步才得到电子级高纯硅。而从金属硅到获得电子级的多晶硅，还需要耗电200kW·h。

上面获取高纯硅的3个步骤均是高耗能过程，同时提炼金属硅的过程还产生温室气体二氧化碳。幸运的是硅光伏电池只要应用于光伏发电系统，在其生命周期中产生的洁净电能将大大抵消产生等量电能的化石燃料的副作用。

从多晶硅得到单晶硅一般采用著名的拉单晶工艺，即在高真空的单晶炉中，利用晶种从熔融的多晶硅提拉出单晶硅棒，硅棒的直径代表了单晶硅拉制工艺的水平。在制作单晶硅棒的同时也可通过在熔融硅中加入硼或砷来制作p型或n型单晶硅棒。

2.晶圆的加工

制作电池的晶圆（Wafer）由专用的锯子对硅单晶棒切割而成，厚度约为0.20～0.40mm。因为圆形的单体电池在组合成模块时会在彼此之间留下太多空间，因此常常把晶圆修剪为接近方形。

切好的晶片表面脏且不平，因此在制造电池之前要先进行表面化学处理，一般分为3步进行：热浓硫酸作初步化学清洗——在酸性或碱性腐蚀液中腐蚀，每面大约蚀去30～50μm——用王水或其他清洗液再进行化学清洗。在化学清洗和腐蚀后，要用高纯的去离子水冲洗硅片。

3.pn结的形成(www.xing528.com)

小型电子器件中的pn结可采用扩散、外延生长和离子注入等方法制作，而对于面积达100cm²的光伏电池来说，只能使用扩散法。

通常使用的热扩散法又有涂布源扩散、液态源扩散和固态源扩散等。以液态源扩散为例，多数厂家都选用p型硅片来制作光伏电池，一般用POCl₃液态源作为扩散源进行磷扩散形成n型层。扩散设备可用横向石英管或链式扩散炉，扩散的最高温度可达到850～900℃。这种方法制出的结均匀性好，方块电阻的不均匀性小于10%，少子寿命可大于10ms。

4.去除背面和侧周边的扩散层

扩散的目的是在晶片的正面形成扩散层和pn结，但是扩散过程中在晶片的外表面（包括背面和侧周边）均可能形成扩散层，形成从外到内的pn结。因此在这种情况下必须将背面和侧面的扩散层除去，常用的方法有化学腐蚀法、磨片法和蒸铝/丝网印刷铝浆烧结法等。

腐蚀法是在用覆盖材料掩蔽正面后，使用腐蚀液除去背面和侧面的扩散层，该方法的特点是背面光滑，适合于制作真空蒸镀的电极。

磨片法使用金刚砂磨去背结，该方法的特点是背面粗糙，适合化学镀镍背电极的制作，缺点是还必须使用腐蚀法或挤压法去除侧面的扩散层。

5.电极的制作

为了将光伏效应产生的电压和电流引出，必须在电池上制作电极。所谓电极就是与电池的半导体材料结形成紧密欧姆接触的导电材料。对光伏电池电极的要求有电极材料稳定、易加工、可焊性好、与硅的结合紧密且接触电阻小等。此外在电极设计中还要求上电极的遮蔽面积小，故上电极材料要求电阻率低。

电极的制作普遍使用丝网印刷法，即通过印刷机和模板将银浆和铝浆印制在光伏电池的正、背面，再经烘烤和烧结形成电极。电池的背面电极的制作较为简单，可在整个背面形成一个金属层。而电池的正面电极设计应该尽可能减少对受光面的遮蔽，因此正面电极一般为梳状、网状。

6.制备减反射膜

光在硅表面的反射损失率约为1/3。为减少硅表面对光的反射，还要用真空镀膜法或气相生成法或其他化学方法，在已制好的电池表面蒸镀一层二氧化硅或二氧化钛或五氧化二钽减反射膜。其中二氧化硅膜工艺成熟，制作简便，为目前生产上所常用。它可提高光伏电池的光能利用率，增加电池的电能输出。镀上一层减反射膜可将入射光的反射率减少到10%左右，而镀上两层减反射膜则可将反射率减少到4%以下。减少入射光反射率的另一个办法，是采用绒面技术。电池表面经绒面处理后，增加了入射光投射到电池表面的机会，第一次没有被吸收的光经折射后投射到电池表面的另一晶面上时，仍可能被吸收。

至此基本完成了光伏电池的制作。通过上述流程读者可大致了解其结构。图2-6是具有绒面减反射表面的单晶硅光伏电池结构及单片电池的外形。

图2-6 硅电池的典型结构和外形