晶硅太阳能电池工艺简介1

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,晶硅太阳能电池常规工艺简介,1,常规晶硅电池工艺流程,2,电池片生产流程,剖面图,制绒,P,型衬底,扩散,刻蚀,+,去,PSG,n+,发射极,P,型衬底,PECVD,镀膜,氮化硅减反层,P,型衬底,烧结,氮化硅减反层,n+,发射极,背电场,铝背接触,P,型衬底,背面银电极,正银栅线,金属电极印刷,背面银电极,正银栅线,P,型衬底,铝背接触,P,型衬底,3,清洗制绒（,texture,）目的,1,、清洗表面油污及金属杂质；,2,、去除表面损伤层；,3,、形成表面织构化，减少光反射。,硅片,机械损伤层（,410,微米）,硅表面损伤层去除,单晶硅绒面减反射示意图,4,单晶制绒原理：,Si+2NaOH+H,2,O=Na,2,SiO,3,+2H,2,总反应方程式为：,面晶体硅在碱性溶液中由于各向异性腐蚀，,形成,金字塔结构：,5,单晶硅槽式制绒设备,6,单晶制绒工艺流程图,7,多晶硅片在,HF-HNO3,溶液中，由于反应的不均匀形成大小不等的腐蚀坑；,反应如下：,Si+2HNO3+6HF = H2SiF6+2HNO2+2H2O,3Si+4HNO3+18HF = 3H2SiF6+4NO+8H2O,3Si+2HNO3+18HF = 3H2SiF6+2NO+4H2O+3H2,5Si+6HNO3+30HF=5H2SiF6+2NO2+4NO+10H2O+3H2,多晶硅片制绒原理,8,多晶硅绒面形貌图,9,多晶硅制绒工艺流程,10,在线式制绒设备,在线式制（,RENA,）,11,在线式制绒内部结构（,Schmid,）,12,制绒工序检验内容,减薄量,反射率,外观均匀性,硅片制绒前后的反射率对比,13,扩散制结（,diffusion,）,在,P,型硅衬底扩散,N,型杂质，在衬底表层形成,PN,结。,一般硅太阳能电池中衬底杂质为硼（,B,），扩散杂质为磷（,P,）,为什么有一面没有结？,14,扩散制结基础（,diffusion,）,制结过程是在一块,半导体,基体材料上生成导电类型不同的,半导体,层,。,制结方法有热扩散，离子注入，外延，激光及高频电注入法等。,扩散是物质分子或原子运动引起的一种自然现象，热扩散制,p,n,结法为用加热方法使,V,族杂质掺入,P,型或族杂质掺入,N,型硅,而制成,。硅太阳电池中最常用的,V,族杂质元素为磷，族杂质元素为硼。,制结方法为使磷元素在扩散进硼掺杂的半导体，在两种掺杂的半导体交界处形成,PN,结。,P,型半导体（,P,指,positive,，带正电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的,空穴,；,N,型半导体（,N,指,negative,，带负电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子。,15,PN,结（,PN junction,）,N,型,P,型,空间电荷区,（,P-N,结）,电 子,空 穴,P,型硅片,N,型,在,N,型和,P,型半导体的交界面处存在有电子和空穴浓度梯度，,N,区中的电子就向,P,区渗透扩散，扩散的结果是,N,型区域中邻近,P,型区域一边的薄层内有一部分电子扩散到,N,型中去了。由于这个薄层失去了一些电子，在,N,区就形成带正电荷的区域。同样，,P,型区域中邻近,N,型区域一边的薄层内有一部分空穴扩散到,N,型区域一边去了。由于这个薄层失去了一空穴，在,P,区就形成了带负电荷的区域。这样在,N,型区和,P,型区交界面的两侧形成了带正、负电荷的区域，叫做空间电荷区，也叫,PN,结。,16,太阳能电池扩散方法,扩散工艺的掺杂源各不相同，基本的扩散有,:,固态源：,磷纸，硼纸，磷酸二氢铵,(,结晶状,),用于管式扩散。,丝网印刷磷浆料后,(,链式,),扩散,液态源：,POCL3,，,BBr3,，用于管式扩散。,喷涂磷酸二氢铵水溶液后,(,链式,),扩散。,其中,POCl,3,液态源扩散方法具有生产效率较高，得到,PN,结均匀、平整和扩散层表面良好等优点，这对于制作具有大面积结的太阳电池是非常重要的。因此目前国内使用最多的是,POCl,3,液态源扩散法。,17,热扩散反应,POCl,3,在高温下（,600,）分解生成五氯化磷（,PCl,5,）和五氧化二磷（,P,2,O,5,），其反应,式如下：,生成的,P,2,O,5,在扩散温度下与硅反应，生成二氧化硅（,SiO,2,）和磷原子，其反应式如下：,POCl,3,热分解时，如果没有外来的氧（,O,2,）参与其分解是不充分的，生成的,PCl,5,是不易分解的，并且对硅有腐蚀作用，破坏硅片的表面状态。在有外来,O,2,存在的情况下，,PCl,5,会进一步分解成,P,2,O,5,并放出氯气（,Cl,2,）其反应式如下：,18,生成的,P,2,O,5,又进一步与硅作用，生成,SiO,2,和磷原子，由此可见在磷扩散时，为了促使,POCl,3,充分的分解和避免,PCl,5,对硅片表面的腐蚀作用，必须在通氮气的同时通入一定流量的氧气 。,在有氧气的存在时，,POCl,3,热分解的反应式为：,POCl,3,分解产生的,P,2,O,5,淀积在硅片表面，,P,2,O,5,与硅反应生成,SiO,2,和磷原子并在硅片表面形成一层磷,-,硅玻璃，然后磷原子再向硅中进行扩散 。,19,扩散设备及扩散间设备操作,20,扩散管路原理图,21,扩散基本步骤,22,扩散工序检测内容,方块电阻（四探针测试仪）,少子寿命（,semilab WT1000),23,方块电阻的意义及测量,扩散层的薄层电阻也称方块电阻，即表面为正方形的半导体薄层在电流方向（电流方向平行于正方形的边）所呈现的电阻。用,Rs,和,R,表示，,sheet resistance,。一般用四探针法测量。,Rs=,/t (,其中,为块材的电阻率,t,为块材厚度）方块电阻的,大小直接反映了扩散入硅内部的净杂质总量,对于太阳能电池扩散工艺，可以认为硅片周围的杂质浓度是恒定的，不随时间而改变，硅片的表面浓度,Ns,保持不变。杂质在硅中的分布近似为,余误差分布,。,高浓度磷原子分布示意图,24,刻蚀去边或腐蚀去背结,扩散过程中，在硅片的周边表面也形成了扩散层。周边扩散层使电池的上下电极形成短路环，必须将它除去。周边上存在任何微小的局部短路都会使电池并联电阻下降，以至成为废品。,去边的方法有,干法刻蚀和湿法,腐蚀,两种,25,刻蚀原理,干法刻蚀原理：等离子体刻蚀是采用高频辉光放电反应，使反应气体激活成活性粒子，如原子或游离基，这些活性粒子扩散到需刻蚀的部位，在那里与被刻蚀材料进行反应，形成挥发性生成物而被去除。它的优势在于快速的刻蚀速率同时可获得良好的物理形貌 。,湿法腐蚀原理：,在硝酸、氢氟酸,、硫酸,组成的腐蚀液中腐蚀秒钟左右,，去除硅片背面结及周边结部分，一般使用的设备为在线式腐蚀设备。,26,等离子刻蚀机,27,去磷硅玻璃,硅片在经过等离子体刻蚀后，在前表面尚存在一层磷硅玻璃层（,PSG,层，含磷的二氧化硅），,PSG,层具有亲水性，易潮解，必须在,PECVD,镀膜之前去掉。去,PSG,在,HF,溶液中进行，反应如下：,SiO,2,+6HF = H,2,SiF,6,+2H,2,O,P,型衬底,为什么只有一面消失？,28,等离子刻蚀基本步骤,29,去磷硅玻璃清洗机,30,刻蚀,+,去,PSG,检测内容,边缘,P-N,型（冷热探针法）,外观 （目测）,31,PECVD,镀膜,PECVD,：,Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,等离子增强化学,气相沉积,等离子体：气体在一定条件下受到高能激发，发生电离，部分外层电子脱离原子核，形成电子、正离子和中性粒子混合组成的一种形态,这种形态就称为等离子态，等离子体从宏观来也是电中性但是在局部可以为非电中性。,32,PECVD,镀膜工艺目的,P,型衬底,氮化硅减反层,n+,发射极,在扩散后的硅片上形成一层致密的氮化硅（,SiNx,）层，进一步降低反射率。,富,H,的氮化硅在经过一定的高温后（烧结过程）能够对硅体材料形成很好的钝化作用。,阻挡金属离子和水蒸汽的扩散。,形成良好的绝缘层。,33,PECVD,原理,PECVD,技术原理是利用低温等离子体作能量源，样品置于低气压下辉光放电的阴极上，利用辉光放电使样品升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体，气体经一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态薄膜。,PECVD,方法的特点是等离子体中含有大量高能量的电子，它们可以提供化学气相沉积过程所需的激活能。电子与气相分子的碰撞可以促进气体分子的分解、化合、激发和电离过程，生成活性很高的各种化学基团，能显著降低薄膜沉积的温度范围。,反应方程式：,34,PECVD,等离子产生方式：,直接式,基片位于一个电极上，直接接触等离子体（低频放电,10-500kHz,或高频,13,、,56MHz),在射频激发的等离子的腔体内，高速运动的,电子激发反应气体,NH,3,和,SiH,4,产生等离子，沉积在硅片表面。,间接式,基片不接触激发电极（如,2,、,45GHz,微波激发等离子,),在微波激,发等离子的设备里，等离子产生在反应腔之外，然后由石英管,导入反应腔中。在这种设备里微波只激发,NH,3,，而,SiH,4,直接进,入反应腔。,间接,PECVD,的沉积速率比直接的要高很多，这对大规模生产尤其重要。,直接式,PECVD,间接式,PECVD,35,等离子的两种产生方式比较,36,PECVD,设备结构,37,平板式,PECVD,设备,38,平板式,PECVD,工艺过程,39,管式,PECVD,镀膜设备,40,管式,PECVD,工艺控制过程,boat,heating cassette,plasma,generator,CESAR,loading,machine,gas supply,N2,SiH4,NH3,vacuum,pump,scrubber,Exhaust,41,42,43,44,45,管式,PECVD,的基本工艺步骤,46,PECVD,检测内容,膜厚、折射率（椭偏仪）,反射率（,D8,反射仪）,外观均匀性、颜色（目测）,47,制备电极,制备电极的目的：,1,、收集电流,2,、引出电流,3,、将单体电池焊接成串,48,制备电极的方法,丝网印刷法：,在网版上制作特定电极图形，通过刮刀的运动将网版上的金属浆料挤出网版，落在网版下面的硅片上，形成电极图形。丝网印刷方法制作电极图形成本低，产量高，是目前规模化生产中普遍采用的一种制备电极的方法。,刻槽埋栅法：,用激光或者机械的方法在电池表面划出电极槽，在电极槽内重掺之后将不同的金属按照不同的顺序叫住的电极槽内，这种方法制作成本高，但电池效率高，一般用于高效电池的制作。,喷墨打印法：,使用气体带动金属浆料从特制的喷嘴喷出，沉积到电池表面形成电极，这种方法制备的电极具有较好的高宽比，但目前设备尚不成熟，规模化应用较少。,49,丝网印刷的原理,印刷基材（硅片）,刮刀挤压印刷油墨，并借助刮刀面和网版网结的阻拦，使印刷油墨呈现出逆向滚动状态，当油墨行至网版未被乳胶膜阻挡的电极图形区时即向下穿透网孔接触印刷基材,(,硅片,),，刮刀继续往前推移是，则因网版张力及离版间距，使油墨脱离网版，附着于印刷基材上，达到印刷的目的。,网,框,印 刷,网,粘着剂,刮 刀,印 墨,版 膜,印 刷,基 材,50,丝网印刷流程,P,型衬底,51,电池的正背面电极图形,栅线（银浆）,背电场：铝浆,背电极：铝浆或银铝浆,电池片正面,电池片反面,52,丝网印刷的设备,(Baccini),53,丝网印刷检测内容,副栅线宽度、高度（晶相显微镜）,印刷湿重（电子天平）,印刷图形完整性（目测）,54,烧结的目的,燃尽金属浆料中的有机成分；,烧穿绝缘的氮化硅膜，使浆料中的金属和硅熔融合金，形成欧姆接触；,对经过等离子轰击的硅片退火，激活掺杂的原子，消除晶格损伤；,激活氮化硅膜,( ),中的氢离子，使之钝化硅片内部晶格缺陷。,55,烧结的原理,烧结可看作是原子从系统中不稳定的高能位置迁移至自由能最低位置的过程。浆料中的固体颗粒系统是高度分散的粉末系统，具有很高的表面自由能。因为系统总是力求达到最低的表面自由能状态，所以在烧结过程中，粉末系统总的表面自由能必然要降低，这就是烧结的动力学原理。,固体颗粒具有很大的比表面积，具有极不规则的复杂表面状态以及在颗粒的制造 、细化处理等加工过程中，受到的机械、化学、热作用所造成的严重结晶缺陷等，系统具有很高自由能,.,烧结时，颗粒由接触到结合，自由表面的收缩、空隙的排除、晶体缺陷的消除等都会使系统的自由能降低，系统转变为热力学中更稳定的状态。这是粉末系统在高温下能烧结成密实结构的原因。,56,烧结的设备,烧结炉,despatch,57,烧结炉（,centrotherm,）,58,烧结炉内部机构及工艺图,59,测试分选,&,包装入库,测试目的：通过模拟太阳光对太阳能电池进行参数测试和分析，并将电池片按照电性能和外观等要求进行分类，包装入库。,标准太阳光功率密度：,1kW/m,2,=100mW/m,2,，以此作为测试仪器的入射光的功率密度即：,Pin= 1kW/m,2,=100mW/m,2,测试环境温度：,25 ,60,电池参数的定义,短路电流,Isc,：,电池短路（,Uoc,=0),时的电流，即最大电流；,开路电压,Uoc,：,电池开路（,Isc,=0,）时的电压，即最大电压,;,最大功率,Pmax:,电池在光照下输出的最大功率值；,填充因子,FF,：,最大功率,/(,最大电压,*,最大电流,),=,Pmax,/ (,Isc,*,Uoc,),转换效率：,电池输出功率与太阳,光入射功率的比值,61,测试分选设备,(,台达）,62,电池片的包装入库,63,洁净室标准,目前世界各国虽有自订规格，但普遍还是采用美国联邦标准,209,为多，今就,209D,及,209E,和世界上其他各国之所订标准再做更进一步之介绍与相互比较。,64,65,66,67,美国联邦标准,Fed-Sta-209E,为洁净室洁净等级，一个历史阶段以来，为世界各国所采用，在规范设计行为方面，发挥了巨大的作用，随着科学技术的发展，它完成了其历史使命。美国环境科学委员会，于,2001,年,11,月,24,日正式宣布，由即日起取消并废除洁净室的美国联邦标准,Fed-Sta-209E,，在美国等效使用“,ISO14644-1”,洁净室等级的国际标准。在以后的文件中，再出现美国联邦标准,Fed-Sta-209E,的等级内容的字样，该文件可视之无效文件，或劣质文件或不合格文件。 我国修订后的“洁净厂房设计规范,GB50073-2001”,，已经在,2002,年开始实行，其中，关于洁净室洁净等级，等效采用“,ISO14644-1”,洁净室等级的国际标准，实现了与国际接轨。,68,69,晶硅太阳能电池车间洁净度,制绒,万级（,ISO class7,）,扩散前清洗、扩散,千级（,ISO class6,）,刻蚀、去,PSG,万级（,ISO class7,）,PECVD,、丝网印刷、烧结、测试分选,十万级（,ISO class8,）,车间洁净度测试方法：激光粒子计数仪,70,习题,1.,制作晶硅太阳能电池的主要 步骤有哪些？,答：制绒，扩散，刻蚀，去磷硅玻璃，镀膜，印刷电极，烧结，测试。,2.,液态扩散源三氯氧磷在有氧气的扩散条件下的反应式,(,不是方程式,),答：,71,3.,简述,PECVD,的原理的特点，并写出反应式,答：,PECVD,技术原理是利用低温等离子体作能量源，样品置于低气压下辉光放电的阴极上，利用辉光放电使样品升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体，气体经一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态薄膜。,PECVD,方法的特点是等离子体中含有大量高能量的电子，它们可以提供化学气相沉积过程所需的激活能。电子与气相分子的碰撞可以促进气体分子的分解、化合、激发和电离过程，生成活性很高的各种化学基团，能显著降低薄膜沉积的温度范围。反应方程式：,72,4.,简述丝网印刷的制作流程（顺序）,答：,5.,晶硅太阳能电池车间洁净度,答：,制绒,万级（,ISO class7,）,扩散前清洗、扩散,千级（,ISO class6,）,刻蚀、去,PSG,万级（,ISO class7,）,PECVD,、丝网印刷、烧结、测试分选,十万级（,ISO class8,）,73,