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标题: 双结薄膜型硅太阳能电池的生产系统 [打印本页]

作者: 乏味 时间: 2010-5-28 08:14
标题: 双结薄膜型硅太阳能电池的生产系统
作者：Shin Asari,Chiba Institute for Super Materials, ULVAC, Inc. 　来源: 光伏国际

在等离子体增强化学气相沉积（PECVD）系统的开发领域，ULVAC已经有三十多年的经验。上世纪八十年代晚期，ULVAC就已经开始售出CCV系列，这是一种可集成在生产线的垂直型PECVD系统，特别用于非晶硅（a-Si）薄膜型太阳能电池生产线。最近太阳能市场的快速增长极大地改变了这一设备的销售情况，并引发了被称为“交钥匙”方案的新型商业模式。该技术可以提供面积为1.54m2的a-Si单结薄膜太阳能电池，其输出超过100W。但近期的最新进展显示，单结a-Si电池已经很难同低成本晶体硅、CIS和CIGS等电池竞争。因此，市场需要输出功率更高并且制造成本更低的薄膜硅太阳能电池模块。

为了提高转化效率，ULVAC开发出了具有非晶硅和微晶硅（uc-Si）的双结模块。由于其带宽不同，a-Si适合波长较短的应用，而uc-Si则适合波长较长的应用。因此a-Si/uc-Si双结结构可以有效地浸没太阳光。这一技术可以将输出功率提高30%以上。去年ULVAC推出了名为CIM-1400，用于沉积uc-Si薄膜的CVD系统。将用于a-Si的CCV-1400和用于uc-Si的CIM-1400结合在一起就可以获得双结结构。

CIM-1400可以低成本地实现低沉积速率以及高产能。

用于a-Si沉积的PECVD系统

为了获得较好的双结性能，高品质的顶层a-Si是必不可少的。CCV系列已经在大规模生产线上证明了其可靠性。为了保持太阳能电池较高的转化效率，可采用较低的沉积速率制备高性能的a-Si层。为了降低生产成本，采用了较为简单的系统设计，并且取消了原位NF3气体清洁操作。

用于uc-Si沉积的PECVD系统

图1. CIM-1400 PECVD系统。

CIM-1400是用于uc-Si沉积的新PECVD系统。图1所示为该系统的主要结构。它由衬底准备、加载/卸载腔室和工艺腔室几部分组成。该系统的概念与CCV系列相同。即低沉积速率、简单构造和取消了原位清洁步骤。

要制备高品质uc-Si [1]，必须将沉积速率保持在较低水平。但另一方面，大规模量产又要求较高的沉积速率。为了满足这些条件，CIM-1400在每个批次可以同时在六个衬底上进行沉积。图2所示为工艺腔室里的电极。它由三个电极构成。每个电极对应两个衬底，这样可以同时在六个衬底上进行沉积。

图2. CIM-1400系统电极的配置图。

从降低运行和材料消耗成本的角度来看，像CCV-1400一样，CIM-1400也取消了原位NF3清洁功能。为了在没有原位清洁的情况下还可以保持较长的连续工艺时间，必须避免沉积时副产品微粒的产生。为了降低微粒的影响，CIM-1400也采用了竖直系统，其衬底为立式操作，与CCV-1400类似。

为了降低工艺时间，在同一腔室里还可以连续沉积掺杂和本征Si层。

与CCV-1400类似，衬底的尺寸也是1.1m x 1.4m。其沉积速率和可操作的衬底数目正好与CCV-1400的吞吐量相匹配。

单层a-Si薄膜的性能

图3. (a) 沉积速率与a-Si薄膜中Si-H2/Si-H键比例的关系，(b) a-Si薄膜沉积速率与单结太阳能电池转化效率的关系。

图3(a)显示的是沉积速率与本征a-Si薄膜中Si-H2/Si-H键比例的关系。图3(b)显示的是本征a-Si薄膜沉积速率与a-Si单结太阳能电池转化效率的关系。提高沉积速率，Si-H2/Si-H键比例也会提高。众所周知，Si-H2键在日光照射下并不稳定，并为认为是产生悬挂键的原因之一 [2]。因此，提高沉积速率会导致光致退化比例的升高。

单层uc-Si薄膜的性能

图4. 本征uc-Si薄膜厚度的均匀性。

图5. 本征uc-Si薄膜拉曼光谱的分析结果。

图4所示为在CIM-1400的一个批次中，六个样品上薄膜厚度的分布图。每个衬底上薄膜厚度的不均匀程度在10%左右，衬底之间的不均匀程度低于3%。图5所示为拉曼光谱测量结果的分布图。

480cm-1位置的宽峰对应着非晶硅，而520cm-1位置的显著峰对应着晶体硅。众所周知，在非晶和晶体硅之间中间状态对微晶硅太阳能电池是最有利的。因此在衬底上晶体的含量和均匀性是非常关键的。测试结果显示，每个衬底的情况都很一致，并且晶体含量也恰到好处。

在六个衬底之间进行的表征显示，其均匀性非常好。

a-Si/uc-Si双结模块的性能

图6. 1.54m2衬底上双结a-Si/uc-Si模块的初始表征结果。

图7. a-Si/uc-Si双结模块的光致退化情况：LSD条件参照IEC61646　Edi.2标准。

图6显示的是模块的性能测试结果。在CIM-1400系统内同时在六个衬底上沉积uc-Si。本征uc-Si层的厚度是1500nm。双结模块的评价输出功率为154W。图7所示为双结模块的光致退化性能，其测试条件是光照射AM1.5G 1.0kW/m2，50°C，并将模块连接到与实际使用类似的负载上。

在光照650小时之后，双结模块的输出功率从155W降低到141W。光致退化率大约是9%，其稳定的转化效率为9.7%。

产品性能

CIM-1400系统的一个特征就是没有采用NF3气体，因此降低了生产成本。不过CIM-1400也需要定期进行机械维护。如果双结模块的生产一直进行，那么将会在工艺腔室里形成大量的粉末。这会造成粉末生产层的耗尽以及界面污染，最终导致双结模块性能降低。同时衬底上堆积了过多的粉末会影响后续工艺：溅射、激光划片、焊接等等。在定期维护中，会更换作为阴极的喷淋板，这样沉积在衬底上的薄膜数量也会改善。为了避免粉末的影响，电极和内壁都会进行清洁。我们对连续生产进行了测试，检查了定期维护之前和之后的双结模块性能。图8所示为连续运行测试的结果。在运行了50个批次和进行了维护之后，双结模块的输出几乎相同。此外，Pmax值比目前数据略低，主要原因是这些数据是ULVAC生产线的初期得到的。

采用当前的产品线，持续运转一个月都可以稳定地得到超过150W的初始输出功率。

图8. 连续运行测试和定期维护后的表征结果。

总结

ULVAC已经在太阳能领域耕耘三十多年，并不断提升其大规模量产技术。因此我们可以向客户提供高性能的a-Si太阳能电池交钥匙方案。此外，我们还成功开发了可量产沉积微晶硅的CIM-1400沉积系统。独特的a-Si/uc-Si双结模块可以获得10.6%（初始值）和9.7%（稳定值）的转化效率。并且这些系统还具有低制造成本和低运行成本的特点。

在安装了CIM-1400六个月之后，通过低沉积速率沉积高性能uc-Si并降低生产成本的概念得到了验证。下一步是将转化效率提高到10%以上。

References

[1] T.Matsui, M.Kondo, A.Matusda, Proceedings, 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, p.1570, 2003

[2] M. Takai, T. Nishimoto, M. Takai and A. Matsuda, Appl. Phys. Lett. 77, 2828 (2000).

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