3《光伏材料加工工艺》-solarbe文库

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光伏材料加工工艺实践报告专业学生姓名准考证号指导教师年月1 目录一、实践目的 2二、单晶硅太阳能电池简介 2三、太阳能电池片的化学清洗工艺 3四、太阳能电池片制作工艺流程图 3五、太阳能电池组件封装工艺流程 7六、实践心得 82 光伏材料加工工艺实践报告一、实践目的光伏材料是指能将太阳能直接转换成电能的材料。光伏材料又称太阳电池材料，只有半导体材料具有这种功能。可做太阳电池材料的材料有单晶硅、多晶硅、非晶硅、 GaAs、 GaAlAs、 InP、 CdS、 CdTe等。用于空间的有单晶硅、 GaAs、 InP。用于地面已批量生产的有单晶硅、多晶硅、非晶硅。本实践课程的主要目的就是学习光伏材料的加工工艺，掌握光伏材料加工的流程。二、单晶硅太阳能电池简介单晶硅太阳能电池 , 是以高纯的单晶硅棒为原料的太阳能电池，是当前开发得最快的一种太阳能电池。它的构造和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。为了降低生产成本，现在地面应用的太阳能电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳能电池专用的单晶硅棒。单晶硅太阳能电池将单晶硅棒切成片，一般片厚约 0.3 毫米。硅片经过抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太阳能电池片，首先要在硅片上掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。这样就硅片上形成PN结。然后采用丝网印刷法，精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。因此，单晶硅太阳能电池的单体片就制成了。单体片经过抽查检验，图 1 单晶硅太阳能电池的基本结构3 即可按所需要的规格组装成太阳能电池组件（太阳能电池板），用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流。最后用框架和材料进行封装。用户根据系统设计，可将太阳能电池组件组成各种大小不同的太阳能电池方阵，亦称太阳能电池阵列。目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为 15左右，实验室成果也有 20以上的。单晶硅太阳能电池的基本结构如图 1 所示。三、太阳能电池片的化学清洗工艺切片要求①切割精度高、表面平行度高、翘曲度和厚度公差小。②断面完整性好，消除拉丝、刀痕和微裂纹。③提高成品率，缩小刀钢丝切缝，降低原材料损耗。④提高切割速度，实现自动化切割。具体来说太阳能硅片表面沾污大致可分为三类1、有机杂质沾污可通过有机试剂的溶解作用，结合兆声波清洗技术来去除。2 、颗粒沾污运用物理的方法可采机械擦洗或兆声波清洗技术来去除粒径≥ 0.4 μ m颗粒，利用兆声波可去除 ≥ 0.2 μ m颗粒。3 、金属离子沾污该污染必须采用化学的方法才能将其清洗掉。硅片表面金属杂质沾污又可分为两大类 ①沾污离子或原子通过吸附分散附着在硅片表面。 ②带正电的金属离子得到电子后面附着（尤如“电镀”）到硅片表面。金属离子沾污的清楚方法如下①用 H2O2 作强氧化剂，使“电镀”附着到硅表面的金属离子氧化成金属，溶解在清洗液中或吸附在硅片表面。②用无害的小直径强正离子（如 H），一般用 HCL作为 H的来源，替代吸附在硅片表面的金属离子，使其溶解于清洗液中，从而清除金属离子。③用大量去离子水进行超声波清洗，以排除溶液中的金属离子。由于 SC-1 是 H2O2和 NH4OH的碱性溶液，通过 H2O2的强氧化和 NH4OH的溶解作用，使有机物沾污变成水溶性化合物，随去离子水的冲洗而被排除；同时溶液具有强氧化性和络合性，能氧化 Cr、 Cu、 Zn、 Ag、 Ni 、 Co、 Ca、 Fe、 Mg等，使其变成高价离子，然后进一步与碱作用，生成可溶性络合物而随去离子水的冲洗而被去除。因此用 SC-1液清洗抛光片既能去除有机沾污，亦能去除某些金属沾污。在使用 SC-1 液时结合使用兆声波来清洗可获得更好的清洗效果。另外 SC-2 是 H2O2和 HCL的酸性溶液，具有极强的氧化性和络合性，能与氧化以前的金属作用生成盐随去离子水冲洗而被去除。被氧化的金属离子与 CL-作用生成的可溶性络合物亦随去离子水冲洗而被去除。四、太阳能电池片制作工艺流程图太阳能电池片制作工艺流程如图 2 所示。4 图 2 晶体硅太阳能电池片制作工艺流程具体的制作工艺说明（ 1）切片采用多线切割，将硅棒切割成正方形的硅片。（ 2）清洗用常规的硅片清洗方法清洗，然后用酸（或碱）溶液将硅片表面切割损伤层除去 30－ 50um。（ 3）制备绒面用碱溶液对硅片进行各向异性腐蚀在硅片表面制备绒面。（ 4）磷扩散采用涂布源（或液态源，或固态氮化磷片状源）进行扩散，制成 PN＋结，结深一般为 0.3 － 0.5um。（ 5）周边刻蚀扩散时在硅片周边表面形成的扩散层，会使电池上下电极短路，用掩蔽湿法腐蚀或等离子干法腐蚀去除周边扩散层。（ 6）去除背面 PN＋结。常用湿法腐蚀或磨片法除去背面 PN＋结。（ 7）制作上下电极用真空蒸镀、化学镀镍或铝浆印刷烧结等工艺。先制作下电极，然后制作上电极。铝浆印刷是大量采用的工艺方法。（ 8）制作减反射膜为了减少入反射损失，要在硅片表面上覆盖一层减反射膜。制作减反射膜的材料有 MgF2 ， SiO2 ， Al 2O3 ， SiO ， Si 3N4 ， TiO2 ， Ta2O5等。工艺方法可用真空镀膜法、离子镀膜法，溅射法、印刷法、 PECVD法或喷涂法等。（ 9）烧结将电池芯片烧结于镍或铜的底板上。（ 10）测试分档按规定参数规范，测试分类。生产电池片的工艺比较复杂，一般要经过硅片检测、表面制绒、扩散制结、去磷硅玻璃、等离子刻蚀、镀减反射膜、丝网印刷、快速烧结和检测分装等主要步骤。这里介绍的是晶硅太阳能电池片生产的一般工艺与设备。1、硅片检测硅片是太阳能电池片的载体，硅片质量的好坏直接决定了太阳能电池片转换效率的高低，因此需要对来料硅片进行检测。该工序主要用来对硅片的一些技术参数进行在线测量，这些参数主要包括硅片表面不平整度、少子寿命、电阻率、P/N 型和微裂纹等。该组设备分自动上下料、硅片传输、系统整合部分和四个检测模块。其中，光伏硅片检测仪对硅片表面不平整度进行检测 , 同时检测硅片的尺寸和对角线等外观参数；微裂纹检测模块用来检测硅片的内部微裂纹；另外还有两个检测模组，其中一个在线测试模组主要测试硅片体电阻率和硅片类型，另一个模块用于检测硅片的少子寿命。在进行少子寿命和电阻率检测之前，需要先对硅片的对角线、微裂纹进行检测，并自动剔除破损硅片。硅片检测设备能够自动装片和卸片，并且能够将不合格品放到固定位置，从而提高检测精度和效率。5 2、表面制绒单晶硅绒面的制备是利用硅的各向异性腐蚀，在每平方厘米硅表面形成几百万个四面方锥体也即金字塔结构。由于入射光在表面的多次反射和折射，增加了光的吸收，提高了电池的短路电流和转换效率。硅的各向异性腐蚀液通常用热的碱性溶液，可用的碱有氢氧化钠，氢氧化钾、氢氧化锂和乙二胺等。大多使用廉价的浓度约为 1的氢氧化钠稀溶液来制备绒面硅，腐蚀温度为 70-85℃。为了获得均匀的绒面，还应在溶液中酌量添加醇类如乙醇和异丙醇等作为络合剂，以加快硅的腐蚀。制备绒面前，硅片须先进行初步表面腐蚀，用碱性或酸性腐蚀液蚀去约 20～ 25μ m，在腐蚀绒面后，进行一般的化学清洗。经过表面准备的硅片都不宜在水中久存，以防沾污，应尽快扩散制结。3、扩散制结太阳能电池需要一个大面积的 PN结以实现光能到电能的转换，而扩散炉即为制造太阳能电池 PN结的专用设备。管式扩散炉主要由石英舟的上下载部分、废气室、炉体部分和气柜部分等四大部分组成。扩散一般用三氯氧磷液态源作为扩散源。把 P 型硅片放在管式扩散炉的石英容器内，在 850---900 摄氏度高温下使用氮气将三氯氧磷带入石英容器，通过三氯氧磷和硅片进行反应，得到磷原子。经过一定时间，磷原子从四周进入硅片的表面层，并且通过硅原子之间的空隙向硅片内部渗透扩散，形成了 N型半导体和 P 型半导体的交界面，也就是 PN结。这种方法制出的 PN结均匀性好 , 方块电阻的不均匀性小于百分之十 , 少子寿命可大于 10ms。制造 PN结是太阳电池生产最基本也是最关键的工序。因为正是 PN结的形成，才使电子和空穴在流动后不再回到原处，这样就形成了电流，用导线将电流引出，就是直流电。4、去磷硅玻璃该工艺用于太阳能电池片生产制造过程中，通过化学腐蚀法也即把硅片放在氢氟酸溶液中浸泡，使其产生化学反应生成可溶性的络和物六氟硅酸，以去除扩散制结后在硅片表面形成的一层磷硅玻璃。在扩散过程中， POCL3与 O2 反应生成 P2O5淀积在硅片表面。 P2O5与 Si 反应又生成 SiO2 和磷原子，这样就在硅片表面形成一层含有磷元素的 SiO2，称之为磷硅玻璃。去磷硅玻璃的设备一般由本体、清洗槽、伺服驱动系统、机械臂、电气控制系统和自动配酸系统等部分组成，主要动力源有氢氟酸、氮气、压缩空气、纯水，热排风和废水。氢氟酸能够溶解二氧化硅是因为氢氟酸与二氧化硅反应生成易挥发的四氟化硅气体。若氢氟酸过量，反应生成的四氟化硅会进一步与氢氟酸反应生成可溶性的络和物六氟硅酸。5、等离子刻蚀由于在扩散过程中，即使采用背靠背扩散，硅片的所有表面包括边缘都将不可避免地扩散上磷。 PN 结的正面所收集到的光生电子会沿着边缘扩散有磷的区域流到 PN结的背面，而造成短路。因此，必须对太阳能电池周边的掺杂硅进行刻蚀，以去除电池边缘的 PN结。通常采用等离子刻蚀技术完成这一工艺。等离子刻蚀是在低压状态下，反应气体 CF4的母体分子在射频功率的激发下，产生电离并形成等离子体。等离子体是由带电的电子和离子组成，反应腔体中的气体在电子的撞击下，除了转变成离子外，还能吸收能量并形成大量的活性基团。活性反应基团由于扩散或者在电场作用下到达 SiO2 表面，在那里与被刻蚀材料表面发生化学反应，并形成挥发性的反应生成物脱离被刻蚀物质表面，被真空系统抽出腔体。6 6、镀减反射膜抛光硅表面的反射率为 35,为了减少表面反射 , 提高电池的转换效率 , 需要沉积一层氮化硅减反射膜。现在工业生产中常采用 PECVD设备制备减反射膜。PECVD即等离子增强型化学气相沉积。它的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 SiH4 和 NH3，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即氮化硅薄膜。一般情况下，使用这种等离子增强型化学气相沉积的方法沉积的薄膜厚度在 70nm左右。这样厚度的薄膜具有光学的功能性。利用薄膜干涉原理，可以使光的反射大为减少，电池的短路电流和输出就有很大增加，效率也有相当的提高。7、丝网印刷太阳电池经过制绒、扩散及 PECVD等工序后，已经制成 PN结，可以在光照下产生电流，为了将产生的电流导出，需要在电池表面上制作正、负两个电极。制造电极的方法很多，而丝网印刷是目前制作太阳电池电极最普遍的一种生产工艺。丝网印刷是采用压印的方式将预定的图形印刷在基板上，该设备由电池背面银铝浆印刷、电池背面铝浆印刷和电池正面银浆印刷三部分组成。其工作原理为利用丝网图形部分网孔透过浆料，用刮刀在丝网的浆料部位施加一定压力，同时朝丝网另一端移动。油墨在移动中被刮刀从图形部分的网孔中挤压到基片上。由于浆料的粘性作用使印迹固着在一定范围内，印刷中刮板始终与丝网印版和基片呈线性接触，接触线随刮刀移动而移动，从而完成印刷行程。8、快速烧结经过丝网印刷后的硅片，不能直接使用，需经烧结炉快速烧结，将有机树脂粘合剂燃烧掉，剩下几乎纯粹的、由于玻璃质作用而密合在硅片上的银电极。当银电极和晶体硅在温度达到共晶温度时，晶体硅原子以一定的比例融入到熔融的银电极材料中去，从而形成上下电极的欧姆接触，提高电池片的开路电压和填充因子两个关键参数，使其具有电阻特性，以提高电池片的转换效率。烧结炉分为预烧结、烧结、降温冷却三个阶段。预烧结阶段目的是使浆料中的高分子粘合剂分解、燃烧掉，此阶段温度慢慢上升；烧结阶段中烧结体内完成各种物理化学反应，形成电阻膜结构，使其真正具有电阻特性，该阶段温度达到峰值；降温冷却阶段，玻璃冷却硬化并凝固，使电阻膜结构固定地粘附于基片上。9、外围设备在电池片生产过程中，还需要供电、动力、给水、排水、暖通、真空、特汽等外围设施。消防和环保设备对于保证安全和持续发展也显得尤为重要。一条年产 50MW能力的太阳能电池片生产线，仅工艺和动力设备用电功率就在 1800KW左右。工艺纯水的用量在每小时 15 吨左右，水质要求达到中国电子级水GB/T11446.1-1997 中 EW-1级技术标准。工艺冷却水用量也在每小时 15 吨左右，水质中微粒粒径不宜大于 10微米，供水温度宜在 15-20℃。真空排气量在 300M3/H左右。同时，还需要大约氮气储罐 20 立方米，氧气储罐 10 立方米。考虑到特殊气体如硅烷的安全因素，还需要单独设置一个特气间，以绝对保证生产安全。另外，硅烷燃烧塔、污水处理站等也是电池片生产的必备设施。7 五、太阳能电池组件封装工艺流程组件线又叫封装线，封装是太阳能电池生产中的关键步骤，没有良好的封装工艺，多好的电池也生产不出好的组件板。电池的封装不仅可以使电池的寿命得到保证，而且还增强了电池的抗击强度。产品的高质量和高寿命是赢得可客户满意的关键，所以组件板的封装质量非常重要。太阳能电池组件封装工艺流程如下电池检测→正面焊接→检验→背面串接→检验→敷设（玻璃清洗、材料切割、玻璃预处理、敷设→层压→去毛边（去边、清洗）→装边框（涂胶、装角键、冲孔、装框、擦洗余胶） →焊接接线盒→高压测试→组件测试→外观检验→包装入库在这里简单的介绍一下工艺的作用。1、电池测试由于电池片制作条件的随机性，生产出来的电池性能不尽相同，所以为了有效的将性能一致或相近的电池组合在一起，所以应根据其性能参数进行分类；电池测试即通过测试电池的输出参数（电流和电压）的大小对其进行分类。以提高电池的利用率，做出质量合格的电池组件。2、正面焊接是将汇流带焊接到电池正面（负极）的主栅线上，汇流带为镀锡的铜带，我们使用的焊接机可以将焊带以多点的形式点焊在主栅线上。焊接用的热源为一个红外灯（利用红外线的热效应）。焊带的长度约为电池边长的 2倍。多出的焊带在背面焊接时与后面的电池片的背面电极相连3、背面串接背面焊接是将 36 片电池串接在一起形成一个组件串，我们目前采用的工艺是手动的，电池的定位主要靠一个膜具板，上面有 36 个放置电池片的凹槽，槽的大小和电池的大小相对应，槽的位置已经设计好，不同规格的组件使用不同的模板，操作者使用电烙铁和焊锡丝将“前面电池”的正面电极（负极）焊接到“后面电池”的背面电极（正极）上，这样依次将 36 片串接在一起并在组件串的正负极焊接出引线。4、层压敷设背面串接好且经过检验合格后，将组件串、玻璃和切割好的EVA 、玻璃纤维、背板按照一定的层次敷设好，准备层压。玻璃事先涂一层试剂（ primer ）以增加玻璃和 EVA的粘接强度。敷设时保证电池串与玻璃等材料的相对位置，调整好电池间的距离，为层压打好基础。（敷设层次由下向上玻璃、EVA、电池、 EVA、玻璃纤维、背板）。5、组件层压将敷设好的电池放入层压机内，通过抽真空将组件内的空气抽出，然后加热使 EVA熔化将电池、玻璃和背板粘接在一起；最后冷却取出组件。层压工艺是组件生产的关键一步，层压温度层压时间根据 EVA的性质决定。我们使用快速固化 EVA时，层压循环时间约为 25 分钟。固化温度为 150℃。6、修边层压时 EVA熔化后由于压力而向外延伸固化形成毛边，所以层压完毕应将其切除。7、装框类似与给玻璃装一个镜框；给玻璃组件装铝框，增加组件的强度，进一步的密封电池组件，延长电池的使用寿命。边框和玻璃组件的缝隙用硅酮树脂填充。各边框间用角键连接。8、焊接接线盒在组件背面引线处焊接一个盒子，以利于电池与其他设备或电池间的连接。9、高压测试高压测试是指在组件边框和电极引线间施加一定的电压，测8 试组件的耐压性和绝缘强度，以保证组件在恶劣的自然条件（雷击等）下不被损坏。10、组件测试测试的目的是对电池的输出功率进行标定，测试其输出特性，确定组件的质量等级。六、实践心得通过实践，对晶体硅太阳能电池的加工过程、电池组件的生产流程有了一个全面是认识，对今后从事这方面的工作打下了非常重要的实践基础。在实践的过程中，认识到，组件高效和高寿命如何保证，可以从以下几方面着手1、高转换效率、高质量的电池片；2、高质量的原材料，例如高的交联度的 EVA、高粘结强度的封装剂（中性硅酮树脂胶）、高透光率高强度的钢化玻璃等；3、合理的封装工艺；4、员工严谨的工作作风；由于太阳电池属于高科技产品，生产过程中一些细节问题，一些不起眼问题如应该戴手套而不戴、应该均匀的涂刷试剂而潦草完事等都是影响产品质量的大敌，所以除了制定合理的制作工艺外，员工的认真和严谨是非常重要的。