Solarzellen

Solarzellen werden in kristallines Silizium und amorphes Silizium unterteilt, wobei kristalline Siliziumzellen weiter in monokristalline und polykristalline Zellen unterteilt werden können. Die Effizienz von monokristallinem Silizium unterscheidet sich von der von kristallinem Silizium.

Einstufung:

Die in China üblicherweise verwendeten kristallinen Solarsiliziumzellen können unterteilt werden in:

Einkristall 125*125

Einkristall 156*156

Polykristallin 156*156

Einkristall 150*150

Einkristall 103*103

Polykristallin 125*125

Herstellungsverfahren:

Der Produktionsprozess von Solarzellen gliedert sich in die Schritte Silizium-Wafer-Inspektion – Oberflächenstrukturierung und Beizen – Diffusionsverbindung – Entphosphorung von Siliziumglas – Plasmaätzen und Beizen – Antireflexbeschichtung – Siebdruck – Schnellsintern usw. Im Einzelnen sind dies die folgenden Schritte:

1. Inspektion von Siliziumwafern

Siliziumwafer sind die Träger von Solarzellen, und die Qualität der Siliziumwafer bestimmt direkt deren Umwandlungseffizienz. Daher ist es notwendig, eingehende Siliziumwafer zu prüfen. Dieses Verfahren wird hauptsächlich zur Online-Messung einiger technischer Parameter von Siliziumwafern verwendet, zu diesen Parametern gehören hauptsächlich Unebenheiten der Waferoberfläche, Lebensdauer der Minoritätsträger, spezifischer Widerstand, P/N-Typ und Mikrorisse usw. Diese Gerätegruppe ist in automatisches Be- und Entladen, Siliziumwafertransfer, Systemintegrationsteil und vier Erkennungsmodule unterteilt. Darunter erkennt der Photovoltaik-Siliziumwafer-Detektor die Unebenheiten der Oberfläche des Siliziumwafers und erkennt gleichzeitig Erscheinungsparameter wie Größe und Diagonale des Siliziumwafers; das Mikroriss-Erkennungsmodul wird verwendet, um die inneren Mikrorisse des Siliziumwafers zu erkennen; außerdem gibt es zwei Erkennungsmodule, eines der Online-Testmodule wird hauptsächlich verwendet, um den spezifischen Widerstand und den Typ des Siliziumwafers zu testen, und das andere Modul wird verwendet, um die Lebensdauer der Minoritätsträger von Siliziumwafern zu erkennen. Vor der Ermittlung der Minoritätsträgerlebensdauer und des spezifischen Widerstands müssen Diagonal- und Mikrorisse im Siliziumwafer erkannt und beschädigte Siliziumwafer automatisch entfernt werden. Geräte zur Siliziumwafer-Inspektion können Wafer automatisch laden und entladen und nicht qualifizierte Produkte an einer festen Position platzieren, wodurch die Genauigkeit und Effizienz der Inspektion verbessert wird.

2. Oberfläche strukturiert

Die Textur von monokristallinem Silizium wird durch anisotropes Ätzen hergestellt. Dabei werden auf jeder Quadratzentimeteroberfläche Millionen tetraedrischer Pyramiden, also Pyramidenstrukturen, gebildet. Durch die mehrfache Reflexion und Brechung des einfallenden Lichts an der Oberfläche wird die Lichtabsorption erhöht, wodurch Kurzschlussstrom und Umwandlungseffizienz der Batterie verbessert werden. Die anisotrope Ätzlösung für Silizium ist üblicherweise eine heiße alkalische Lösung. Verfügbare Basen sind Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Lithiumhydroxid und Ethylendiamin. Das meiste Wildledersilizium wird unter Verwendung einer kostengünstigen verdünnten Natriumhydroxidlösung mit einer Konzentration von etwa 1 % hergestellt. Die Ätztemperatur beträgt 70–85 °C. Um ein gleichmäßiges Wildleder zu erhalten, sollten der Lösung auch Alkohole wie Ethanol und Isopropanol als Komplexbildner zugesetzt werden, um die Korrosion des Siliziums zu beschleunigen. Vor der Herstellung des Wildleders muss die Siliziumscheibe einer Oberflächenätzung unterzogen werden. Dabei werden etwa 20–25 μm mit einer alkalischen oder sauren Ätzlösung geätzt. Nach dem Ätzen der Wildlederscheibe erfolgt eine allgemeine chemische Reinigung. Die oberflächenpräparierten Siliziumscheiben sollten nicht längere Zeit in Wasser gelagert werden, um Verunreinigungen zu vermeiden, und so schnell wie möglich diffundiert werden.

3. Diffusionsknoten

Solarzellen benötigen einen großflächigen PN-Übergang, um Lichtenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Ein Diffusionsofen ist eine spezielle Anlage zur Herstellung von PN-Übergängen in Solarzellen. Ein röhrenförmiger Diffusionsofen besteht im Wesentlichen aus vier Teilen: dem oberen und unteren Teil des Quarzschiffchens, der Abgaskammer, dem Ofenkörper und dem Gasschrank. Bei der Diffusion wird üblicherweise flüssiges Phosphoroxychlorid als Diffusionsquelle verwendet. Legen Sie den P-Typ-Siliziumwafer in den Quarzbehälter des röhrenförmigen Diffusionsofens und bringen Sie Phosphoroxychlorid mit Stickstoff bei einer hohen Temperatur von 850–900 Grad Celsius in den Quarzbehälter. Das Phosphoroxychlorid reagiert mit dem Siliziumwafer zu Phosphoratomen. Nach einer gewissen Zeit dringen Phosphoratome von allen Seiten in die Oberflächenschicht des Siliziumwafers ein und diffundieren durch die Lücken zwischen den Siliziumatomen in den Siliziumwafer. Dadurch entsteht die Grenzfläche zwischen dem N-Typ-Halbleiter und dem P-Typ-Halbleiter, d. h. der PN-Übergang. Der mit diesem Verfahren hergestellte PN-Übergang weist eine gute Gleichmäßigkeit auf, die Ungleichmäßigkeit des Flächenwiderstands beträgt weniger als 10 %, und die Lebensdauer der Minoritätsträger kann über 10 ms betragen. Die Herstellung des PN-Übergangs ist der grundlegendste und kritischste Prozess bei der Solarzellenproduktion. Da bei der Bildung des PN-Übergangs Elektronen und Löcher nach dem Fließen nicht an ihre ursprünglichen Positionen zurückkehren, entsteht ein Strom, der über einen Draht abgeführt wird (Gleichstrom).

4. Dephosphorylierung Silikatglas

Dieses Verfahren wird bei der Herstellung von Solarzellen eingesetzt. Durch chemisches Ätzen wird der Siliziumwafer in eine Flusssäurelösung getaucht, um eine chemische Reaktion auszulösen, bei der eine lösliche Komplexverbindung, Hexafluorkieselsäure, erzeugt wird, um das Diffusionssystem zu entfernen. Nach der Verbindung bildet sich auf der Oberfläche des Siliziumwafers eine Schicht aus Phosphorsilikatglas. Während des Diffusionsprozesses reagiert POCl3 mit O2 zu P2O5, das sich auf der Oberfläche des Siliziumwafers ablagert. P2O5 reagiert mit Si zu SiO2 und Phosphoratomen. Auf diese Weise bildet sich auf der Oberfläche des Siliziumwafers eine Schicht aus phosphorhaltigen SiO2-Elementen, das sogenannte Phosphorsilikatglas. Die Anlage zum Entfernen von Phosphorsilikatglas besteht im Allgemeinen aus dem Hauptkörper, einem Reinigungsbehälter, einem Servoantriebssystem, einem mechanischen Arm, einer elektrischen Steuerung und einem automatischen Säureverteilungssystem. Die wichtigsten Energiequellen sind Flusssäure, Stickstoff, Druckluft, reines Wasser, Abluft und Abwasser. Flusssäure löst Kieselsäure auf, da sie mit Kieselsäure reagiert und flüchtiges Siliciumtetrafluoridgas bildet. Bei zu viel Flusssäure reagiert das entstehende Siliciumtetrafluorid weiter mit der Flusssäure und bildet einen löslichen Komplex, die Hexafluorkieselsäure.

5. Plasmaätzen

Denn während des Diffusionsprozesses, selbst bei Anwendung einer Back-to-Back-Diffusion, diffundiert Phosphor unvermeidlich auf alle Oberflächen, einschließlich der Kanten der Siliziumscheibe. Auf der Vorderseite des PN-Übergangs gesammelte, photogenerierte Elektronen fließen entlang des Kantenbereichs, wo Phosphor diffundiert, zur Rückseite des PN-Übergangs und verursachen einen Kurzschluss. Deshalb muss das dotierte Silizium um die Solarzelle herum geätzt werden, um den PN-Übergang an der Zellkante zu entfernen. Dieser Prozess wird üblicherweise mithilfe von Plasmaätztechniken durchgeführt. Beim Plasmaätzen wird ein niedriger Druck verwendet, und die Muttermoleküle des reaktiven Gases CF4 werden durch Hochfrequenzenergie angeregt, um eine Ionisierung zu erzeugen und Plasma zu bilden. Plasma besteht aus geladenen Elektronen und Ionen. Unter dem Einfluss der Elektronen kann das Gas in der Reaktionskammer Energie aufnehmen und neben der Umwandlung in Ionen auch eine große Zahl aktiver Gruppen bilden. Durch Diffusion oder unter Einwirkung eines elektrischen Feldes gelangen die reaktiven Gruppen an die SiO₂-Oberfläche, wo sie mit der Oberfläche des zu ätzenden Materials chemisch reagieren und flüchtige Reaktionsprodukte bilden, die sich von der Oberfläche des zu ätzenden Materials ablösen und durch das Vakuumsystem aus der Kavität gepumpt werden.

6. Antireflexbeschichtung

Die polierte Siliziumoberfläche weist eine Reflektivität von 35 % auf. Um die Oberflächenreflexion zu verringern und den Wirkungsgrad der Zelle zu verbessern, muss eine Schicht aus antireflektierendem Siliziumnitrid abgeschieden werden. In der industriellen Produktion werden Antireflexionsschichten häufig mit PECVD-Anlagen hergestellt. PECVD ist eine plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD). Das technische Prinzip besteht darin, Niedertemperaturplasma als Energiequelle zu verwenden. Die Probe wird unter niedrigem Druck auf die Kathode der Glimmentladung gelegt, durch die Glimmentladung auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt und anschließend eine entsprechende Menge der reaktiven Gase SiH4 und NH3 eingeleitet. Nach einer Reihe von chemischen Reaktionen und Plasmareaktionen bildet sich auf der Probenoberfläche ein Festkörperfilm, d. h. ein Siliziumnitridfilm. Die Dicke des durch dieses plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidungsverfahren abgeschiedenen Films beträgt in der Regel etwa 70 nm. Filme dieser Dicke sind optisch wirksam. Durch das Prinzip der Dünnschichtinterferenz kann die Lichtreflexion erheblich reduziert, der Kurzschlussstrom und die Leistung der Batterie erheblich erhöht und auch die Effizienz deutlich verbessert werden.

7. Siebdruck

Nachdem die Solarzelle die Prozesse Texturierung, Diffusion und PECVD durchlaufen hat, bildet sich ein PN-Übergang, der unter Beleuchtung Strom erzeugen kann. Um den erzeugten Strom abzuleiten, müssen auf der Batterieoberfläche positive und negative Elektroden angebracht werden. Elektroden können auf vielfältige Weise hergestellt werden, wobei Siebdruck das gängigste Produktionsverfahren zur Herstellung von Elektroden für Solarzellen ist. Beim Siebdruck wird durch Prägen ein vorgegebenes Muster auf das Substrat gedruckt. Die Anlage besteht aus drei Teilen: Silber-Aluminium-Paste wird auf die Rückseite der Batterie gedruckt, Aluminiumpaste wird auf die Rückseite der Batterie gedruckt und Silberpaste wird auf die Vorderseite der Batterie gedruckt. Das Funktionsprinzip ist folgendes: Die Paste wird durch das Siebmuster in die Maschenware eingedrungen, mit einem Schaber wird ein gewisser Druck auf den mit der Paste bedeckten Teil des Siebs ausgeübt, und gleichzeitig wird zum anderen Ende des Siebs vorgerückt. Während sich der Rakel bewegt, wird die Tinte durch das Siebmuster auf das Substrat gedrückt. Aufgrund der viskosen Wirkung der Paste wird der Abdruck in einem bestimmten Bereich fixiert und der Rakel steht während des Druckens immer in linearem Kontakt mit der Siebdruckplatte und dem Substrat, und die Kontaktlinie bewegt sich mit der Bewegung des Rakels, um den Druckhub abzuschließen.

8. Schnellsintern

Der siebgedruckte Siliziumwafer kann nicht direkt verwendet werden. Er muss in einem Sinterofen schnell gesintert werden, um das organische Harzbindemittel zu verbrennen. Dadurch bleiben nahezu reine Silberelektroden zurück, die durch die Wirkung des Glases eng mit dem Siliziumwafer haften. Wenn die Temperatur der Silberelektrode und des kristallinen Siliziums die eutektische Temperatur erreicht, werden die kristallinen Siliziumatome in einem bestimmten Anteil in das geschmolzene Silberelektrodenmaterial integriert. Dadurch entsteht der ohmsche Kontakt zwischen der oberen und unteren Elektrode, was die Leerlaufspannung und den Füllfaktor der Zelle verbessert. Entscheidend ist die Anpassung der Widerstandseigenschaften zur Verbesserung des Umwandlungswirkungsgrads der Zelle.

Der Sinterofen ist in drei Phasen unterteilt: Vorsintern, Sintern und Abkühlen. Der Zweck der Vorsinterphase besteht darin, das Polymerbindemittel in der Aufschlämmung zu zersetzen und zu verbrennen. In dieser Phase steigt die Temperatur langsam an. In der Sinterphase werden im Sinterkörper verschiedene physikalische und chemische Reaktionen abgeschlossen, um eine Widerstandsfilmstruktur zu bilden, die ihn wirklich widerstandsfähig macht. In dieser Phase erreicht die Temperatur einen Höhepunkt. In der Abkühl- und Abkühlphase wird das Glas abgekühlt, gehärtet und verfestigt, so dass die Widerstandsfilmstruktur fest am Substrat haftet.

9. Peripheriegeräte

Bei der Zellproduktion werden außerdem Peripheriegeräte wie Stromversorgung, Wasserversorgung, Abwasserentsorgung, Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik, Vakuum und Spezialdampf benötigt. Brandschutz- und Umweltschutzeinrichtungen sind besonders wichtig, um Sicherheit und Nachhaltigkeit zu gewährleisten. Eine Solarzellenproduktionslinie mit einer Jahresleistung von 50 MW verbraucht allein für die Prozess- und Stromversorgungsanlagen etwa 1800 kW. Die benötigte Menge an Prozesswasser beträgt etwa 15 Tonnen pro Stunde. Die Wasserqualität entspricht dem chinesischen Standard EW-1 für Elektronikwasser GB/T11446.1-1997. Die benötigte Menge an Prozesskühlwasser beträgt ebenfalls etwa 15 Tonnen pro Stunde. Die Partikelgröße des Wassers sollte 10 Mikrometer nicht überschreiten, und die Zulauftemperatur sollte 15–20 °C betragen. Das Vakuumvolumen beträgt etwa 300 m³/h. Zusätzlich werden etwa 20 Kubikmeter Stickstoff- und 10 Kubikmeter Sauerstofftanks benötigt. Unter Berücksichtigung der Sicherheitsfaktoren von Spezialgasen wie Silan ist zudem die Einrichtung eines speziellen Gasraums erforderlich, um die Produktionssicherheit absolut zu gewährleisten. Darüber hinaus sind Silan-Verbrennungstürme und Kläranlagen ebenfalls notwendige Einrichtungen für die Zellproduktion.