太阳能电池工艺入门培训资料-solarbe文库

资源描述：

太阳能电池工艺入门培训资料1 目录第一章硅片的制绒 3第一节制绒目的 . 3第二节制绒原理 . 31、单晶硅片表面的织构化 32、多晶硅片表面的织构化 4第三节简要介绍 . 51、硅片表面损伤层的去除 52、工艺控制点 6第四节常见问题 . 61、表面问题 62、绒面问题 6第二章硅片的扩散 7第一节扩散目的 . 7第二节扩散原理 . 7第三节简要介绍 . 91、扩散方式 92、杂质在硅中的固溶度 93、扩散炉设备构造 10 4、扩散方块电阻 10 第三章硅片的刻蚀 11 第一节刻蚀的目的 . 11 第二节刻蚀的原理 . 11 1、干法刻蚀 11 2、湿法刻蚀 12 第三节常见问题 . 12 第四章扩散后清洗 13 第一节清洗的目的 . 13 2 第二节清洗的原理 . 13 第三节注意事项 . 13 第五章 PECVD 14 第一节 PECVD 目的 14 第二节 PECVD 原理 14 第三节简要介绍 . 14 1、减反射膜 14 2、钝化效果 15 3、工艺关键指标控制 15 第六章丝网印刷 16 第一节丝网印刷目的 . 16 第二节丝网印刷原理 . 16 第三节简要介绍 . 17 网板 17 第四节常见问题 . 18 第七章烧结 19 第一节烧结目的 . 19 第二节烧结原理 . 19 第三节简要介绍 . 21 第八章测试 22 第一节测试目的 . 22 第二节测试原理 . 22 第三节简要介绍 . 22 整理张姝姝3 第一章硅片的制绒第一节制绒目的1、消除表面硅片表面有机沾污和金属杂质2、去除硅片表面的机械损伤层3、在硅片表面形成表面织构，增加太阳光的吸收减少反射绒面不仅仅是制作金字塔或腐蚀坑洞，也是改善表面态的有效手段，绒面制作不好表面态难以补偿，悬挂键大幅度增加，少子寿命复合严重， Isc 的提高几乎不可能。第二节制绒原理1、单晶硅片表面的织构化单晶硅片的绒面金相显微镜图片利用低浓度碱溶液对晶体硅在不同晶体取向上具有不同腐蚀速率的各向异性腐蚀特性，在硅片表面腐蚀形成角锥体（就是我们所说的金字塔）密布的表面形貌，就称为表面织构化。反应式为 Si2NaOHH2O→ Na2SiO3 2H2↑4 依靠表面金字塔形的方锥结构 , 对光进行多次反射 , 不仅减少了反射损失 , 且改变了光在硅中的前进方向 , 延长了光程 , 增加了光生载流子的产量；曲折的绒面又增加了 p-n 结面积 , 从而增加对光生载流子的收集率；并改善了电池的红光响应。2、多晶硅片表面的织构化多晶硅片的绒面金相显微镜图片多晶硅制绒是损伤层的去除和制绒面同时进行的。控制的主要参数是减薄量。为保证损伤层的去除干净，减薄必须要够，但不能过大。制绒体系分为 CrO3/HF 和 HNO3/HF 的体系1 ） CrO3 的主要作用是起氧化， HF 的作用是去除氧化层，二者结合在一块使得硅片不断的剥离反应。单独一样化学药品是不与硅反应的。总的反应式为3Si2H2Cr2O718HF3H2SiF 62Cr2O3↓ 8H2O5 2 HNO3/HF 也就是 RENA-Intex，其基本反应方程式3 Si 4 HNO 3 18 HF→ 3 H 2SiF 6 4 NO 8 H 2O 部分反应式氧化反应激活生成 Nox Si 4 HNO3→ SiO2 4 NO2 2 H 2O 反应慢2NO2 H2O→ HNO2 HNO3Si 4HNO2→ SiO24NO2H2O 反应快产物包括 NO,NO2,N2O 等 NOx NOx溶解在水中黄色生成 HNO2， HNO2氧化速度大于 HNO3。氧化溶解 SiO 24 HF→ SiF 42 H2O 水溶解复合反应生成 SiF 42 HF→H 2SiF 6第三节简要介绍1、硅片表面损伤层的去除单晶硅多晶硅硅锭线切割（ 1）表面损伤层的危害表面损伤层如果去除不净，将会导致残余缺陷，残余缺陷在后续高温处理过程中向材料深处继续延伸，切割过程中导致的杂质未能完全去除，这些都会增加硅片的表面复合速率，严重影响电池片的效率。（ 2）损伤层的去除方法就目前线切割技术来说，一般硅片表面的损伤层厚度（双面）保持在 10um，通过硅片的减薄量来衡量。对于单晶硅片，通常采用粗抛或细抛的方法来消除。但由于现在市场上的硅片普遍较薄，所以，粗泡的方法一般不会采用。我们目前单晶制绒的工艺，制绒前的高温稀碱超声就是细抛。对于多晶硅片，通常都会在制绒的同时已经对损伤层进行了去除。6 2、工艺控制点减薄量单晶 0.28g-0.4g 多晶 0.40g-0.55g 单晶金字塔大小 3-10 μ m 多晶坑洞大小 3-10 μ m 思考减薄量大小，金字塔和坑洞大小对电池片的影响。第四节常见问题1、表面问题我们可以称硅片表面为电池片的脸，脸洗不好，是最容易被察觉的。常见的问题有单晶雨点，白斑，发白，发亮，流水印等；多晶一般不存在什么表面的问题，主要集中多晶体单晶面的问题上。2、绒面问题单晶金字塔尺寸大小不均，过大，过小等多晶减薄不够导致损伤层去除不净，腐蚀坑过深过窄，减薄过大导致腐蚀坑过大，大的不规则腐蚀坑洞较多，绒面一致性差等。7 第二章硅片的扩散第一节扩散目的扩散的目的是形成 PN结。PN结是指 P 型半导体和 N 型半导体接触后，由于浓度梯度，多子扩散运动形成电势差，在电势差的作用下，少子飘移运动，当扩散运动和飘移运动达到平衡时，就形成了 PN结。PN结的形成当 P 型半导体和 N 型半导体接触后，由于交界两侧半导体类型不同，存在电子和空穴的浓度差。这样 P 区的空穴向 N区扩散， N区的电子向 P区扩散。由于扩散运动，在 P 区和 N区的接触面就产生正负离子层。 N区失掉电子产生正离子， P 区得到电子产生负离子。通常称这个正、负离子层为 PN结。在 PN结的 P 区一侧带负电， N区一侧带正电。 PN结便产生了内电场，内电场的方向是从 N区指向 P 区。内电场对扩散运动起到阻碍作用，电子和空穴的扩散运动随着内电场的加强而逐步减弱，直至达到平衡，在界面处形成稳定的空间电荷区。如下图第二节扩散原理我们使用的是液态源磷扩散工艺，如下图8 利用载气（ N2）通过液态杂质源，携带着杂质蒸汽进入高温扩散反应管，杂质蒸汽在高温下分解，并与硅表面硅原子发生反应，释放出杂质原子向硅中扩散。液态源磷 POCl3 在高温下（ 600℃）分解生成五氯化磷（ PCl5）和五氧化二磷（ P2O5），其反应式如下5POCl3 3PCl 5 P 2O5生成的 P2O5在扩散温度下与硅反应，生成二氧化硅（ SiO2）和磷原子，其反应式如下2P2O5 5Si 5SiO 2 4P 由上面反应式可以看出， POCl3 热分解时，如果没有外来的氧（ O2）参与其分解是不充分的，生成的 PCl5 是不易分解的，并且对硅有腐蚀作用，破坏硅片的表面状态。但在有外来 O2存在的情况下， PCl5会进一步分解成 P2O5并放出氯气（ Cl 2）其反应式如下4PCl 5 5O2 2P 2O5 10Cl 2 生成的 P2O5又进一步与硅作用，生成 SiO2和磷原子，由此可见，在磷扩散时，为了促使 POCl3 充分的分解和避免 PCl5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， POCl3热分解的反应式为4 POCl 3 3O 2 2P 2O5 6Cl 2 POCl3分解产生的 P2O5淀积在硅片表面， P2O5与硅反应生成 SiO2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，反应式如前所示2P 2O5 5Si 5SiO 2 4P POCl3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，这对于制作具有大的结面积的太阳电池是非常重要的。600℃过量氧9 第三节简要介绍1、扩散方式（ 1）替位式扩散这种杂质原子或离子大小与 Si 原子大小差别不大，它沿着硅晶体内晶格空位跳跃前进扩散，杂质原子扩散时占据晶格格点的正常位置，不改变原来硅材料的晶体结构。硼、磷、砷等是此种方式。（ 2）填隙式扩散这种杂质原子大小与 Si 原子大小差别较大，杂质原子进入硅晶体后，不占据晶格格点的正常位置，而是从一个硅原子间隙到另一个硅原子间隙逐次跳跃前进。镍、铁等重金属元素等是此种方式。2、杂质在硅中的固溶度杂质扩散进入硅中后，与硅形成固溶体。在一定的温度下，杂质在硅中有一个最大的溶解度，其对应的杂质浓度，称该温度下杂质在硅中的固溶度。固溶度在一定程度上决定了硅片的表面浓度。10 3、扩散炉设备构造4、扩散方块电阻（ 1）定义方块电阻就是表面为正方形的半导体薄层在电流方向所呈现的电阻。表征一个硅片的扩散效果，主要通过结深、表面掺杂浓度。两者的综合表现就决定了扩散方块电阻。方块电阻常用 R□ 表示。我们知道金属导体的电阻公式 Rρ l /s ， R是电阻，ρ 电阻率， s 面积， l 长度。与之类似方块电阻的大小应为 R□ ρ l / lXj ρ /Xj ，可见，方块电阻的大小与平均电阻率成正比，为了表示方块电阻不同于一般电阻，其单位常用 [ 欧姆 / 方块 ] 或 [ Ω / 口 ] 表示。（ 2）影响因子影响扩散方块的因子主要是温度、气流、密封性、抽风、恒温区长度、片源、电阻率、源瓶液位、源瓶温度等。思考这些因素是如何影响扩散方块大小的。11 第三章硅片的刻蚀第一节刻蚀的目的由于在扩散过程中，即使采用背靠背的单面扩散方式，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。此短路通道等效于降低并联电阻。经过刻蚀工序，硅片边缘的带有的磷将会被去除干净，避免 PN结短路造成并联电阻降低。第二节刻蚀的原理通常的刻蚀方法包括干法刻蚀和湿法刻蚀。1、干法刻蚀（ 1）等离子体的定义随着温度的升高，一般物质依次表现为固体、液体和气体。它们统称为物质的三态。如果温度升高到 10e4K甚至 10e5K，分子间和原子间的运动十分剧烈，彼此间已难以束缚，原子中的电子因具有相当大的动能而摆脱原子核对它的束缚，成为自由电子，原子失去电子变成带正电的离子。这样，物质就变成了一团由电子和带正电的的离子组成的混合物。这种混合物叫等离子体。它可以称为物质的第四态。12 （ 2）等离子刻蚀的机理通常的刻蚀方法包括干法刻蚀和湿法刻蚀。我们目前使用的刻蚀工艺就是干法刻蚀，其工作机理为使用等离子体进行刻蚀。采用高频辉光放电反应，使反应气体激活成活性粒子，如原子或各种游离基，这些活性粒子扩散到硅片边缘，在那里与硅进行反应，形成挥发性生成物四氟化硅而被去除。等离子刻蚀所用的气体主要为 CF4、 O2、 N2， CF4 主要是提供一些游离的中性基团或离子如 CF4、 CF3、 CF2、 CF、 C、 F 或它们的混合气体，这些粒子在电场的作用下轰击硅片刻蚀部位，并发生反应。O 2 的作用主要是提高刻蚀的速度； N2 的目的主要是起到稀释 CF4、调节反应压力、带走反应气体和尾气的作用。2、湿法刻蚀湿法刻蚀也就是 RENA-Oxside，其原理同 RENA-Intex ，只是刻蚀槽内比RENA-Intex 多 H2SO4, 而 H2SO4 不参与反应，只是增加刻蚀槽内溶液的粘稠度，和清洗硅表面的作用。第三节常见问题刻蚀工艺中，关键的工艺参数是射频功率和刻蚀时间。（ 1）刻蚀不足由于漏电，电池的并联电阻会下降。（ 2）射频功率过高等离子体中离子的能量较高会对硅片边缘造成较大的轰击损伤，导致边缘区域的电性能差从而使电池的性能下降。在结区（耗尽层）造成的损伤会使得结区复合增加。（ 3）刻蚀时间过长刻蚀时间越长对电池片的正反面造成损伤影响越大，时间长到一定程度损伤不可避免会延伸到正面结区，从而导致损伤区域高复合。（ 4）射频功率太低会使等离子体不稳定和分布不均匀，从而使某些区域刻蚀过度而某些区域刻蚀不足，导致并联电阻下降。13 第四章扩散后清洗第一节清洗的目的扩散后清洗又称去 PSG工序。扩散过程中， POCl3 分解产生的 P2O5 淀积在硅片表面， P 2O5 与 Si 反应生成SiO2和磷原子，这一含有磷原子的二氧化硅层称之为磷硅玻璃。这一薄层的磷硅玻璃的厚度很不均匀，不能充分被利用做减反，加上薄层中的富 P 原子对后道高温之后可能起到的负面影响，所以磷硅玻璃层是需要去掉的。此工序的目的就是将这一层物质去除干净。第二节清洗的原理主要是利用氢氟酸能够与二氧化硅反应的特性。氢氟酸的酸性虽然很弱，但是它具有很强的腐蚀性和挥发性。更重要的一点是能够与二氧化硅反应，反应式为 SiO24HF→ SiF 4↑ 2H2O 但是如果 HF过量，则 SiF 4会和 HF继续反应，总的反应式为SiO26HF→ H2[SiF 6]2H2O 第三节注意事项1. 插片务必确认扩散面的方向。2. 有氢氟酸和硅片接触的地方，禁止近距离使用照明。3. 硅片在两个槽中（悬挂在空中）的停留时间不得过长，防止硅片被氧化。4. 烘干或甩干的时间不能随便缩短，防止干燥不彻底。14 第五章 PECVD 第一节 PECVD 目的1、在硅片的扩散面（ N型面）制备减反射膜；膜的主要作用是减少电池表面对太阳光的反射或者增加电池对太阳光的吸收。2、对于多晶电池片的特殊作用是钝化的作用；3、可以阻挡层其他离子渗入。第二节 PECVD 原理等离子增强化学气相沉积，简称 PECVD Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition 。 PECVD法是一种借助微波或射频辉光放电的物理过程和化学反应相结合的技术。PECVD是借助微波使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。第三节简要介绍1、减反射膜光照射在硅片表面时，反射会使光损失约三分之一。如果在硅表面有一层或多层合适的薄膜，利用薄膜干涉原理，可以使光的反射大为减少，这种膜称为太阳电池的减反射膜。15 在真空或大气中，如果硅表面没有减反射膜，长波范围 1.1 μ m入射光损失总量的 34，短波范围 0.4 μ m为 54。即使在硅表面制作了绒面，由于入射光产生多次反射而增加了吸收，但也有约 14以上的反射损失。如果在硅的表面制备一层透明的介质膜，由于介质膜的两个界面上的反射光相互干涉，可以在很宽的波长范围内降低反射率。硅片表面形成一层减反射膜，增加对光线的吸收，减少反射光照射在硅片表面时，因为反射会使光损失约三分之一。如果在硅表面有一层或多层合适的薄膜，利用薄膜干涉原理，可以使光的反射大为减少。2、钝化效果氢原子搀杂在氮化硅中附加了氢的钝化作用硅片材料中存在大量的杂质和缺陷，显著降低了硅片中的少数载流子的寿命，从而影响太阳电池的短路电流和电池的转换效率，反应的氢能够进入硅晶体中，钝化硅中的杂质和缺陷的电活性，降低电池表面复合速率，增加少子寿命，进而提高开路电压和短路电流，同时氢原子与缺陷或晶界处的悬挂键结合，从而一定程度上消除了晶界的活性。3、工艺关键指标控制膜厚单晶 62-73nm 多晶 81-89nm 折射率 2.0-2.15 思考膜厚和折射率为什么能表征 PECVD效果。16 第六章丝网印刷第一节丝网印刷目的利用网版图文部分网孔透墨，非图文部分网孔不透墨的基本原理进行印刷。1、背电极Ag 浆或者 Ag/Al 浆， P156 实际情况是使用 Ag/Al 浆效果更好，是 Al 会产生更多的 p-p结。主要作用是配合铝背场，在做成组件时与正电极焊接。2、背电场Al 浆，作用是形成 p层，钝化硅片表面，延长少子寿命，提高晶体硅太阳电池的电性能；形成背面欧姆接触，作为电流的输出电极。3、正电极Ag 浆，利用银的低电阻率，通过高温烧结，使 Ag 和 Si 之间形成良好的欧姆接触，收集电子，提高电流输出。在做成组件时，正电极与背电极连接，焊接作用，传输电流。第二节丝网印刷原理利用网版图文部分网孔透墨，非图文部分网孔不透墨的基本原理进行印刷。丝网印刷五大要素网版、刮胶、浆料、印刷台及承印物。一个完整的印刷行程印刷时在网版上加入浆料，刮胶对网版施加一定压力，同时朝网版另一端移动。浆料在移动中从网孔中挤压到承印物上，由于粘性作用而固着在一定范围之内。由于网版与承印物之间保持一定的间隙，网版通过自身的张力产生对刮胶的回弹力，使网版与承印物只呈移动式线接触，而其它部分与承印物为脱离状态，浆料与丝网发生断裂运动，保证了印刷尺寸精度。刮胶刮过整个版面后抬起，同时网版也抬起，并通过回墨刀将浆料轻刮回初始位置，完成一个印刷行程。17 第三节简要介绍网板1、线径（ d）、网孔宽度（ W）线径是指网丝的直径。网孔宽度 W 是指丝网孔径的大小. 浆料的平均细度必须与丝网的开孔大小相适应，丝网的网孔宽度应是浆料平均细度的 3 -5 倍。因为浆料中有 1 0 - 2 0 的颗粒大于平均细度。2、目数（ M）目数 M是丝网最重要的参数之一，是人们选用丝网的首选参数。常用目数单位为孔数 /厘米或线数 /厘米。计算公式3、开孔率（ Ao）开孔率 Ao直接影响印刷时油墨的透过体积，其计算公式如下4、丝网厚度 /纱厚（ D）丝网厚度 D是指丝线经纬向交叉的厚度，如下图1002）（ dWWAo18 膜厚涂覆在丝网上的感光胶的厚度。5、丝网张力1 丝网印刷过程中，刮胶刃口与丝网、硅片呈线接触，一旦受压的力消失，丝网应立即离开硅片，否则，将印不出所需要的清晰图案。因此，丝网本身必须具有一定的弹性，而且必须大小合适，张力即是衡量网版弹性的参数。2 丝网张力是影响丝网印刷质量的重要因素之一，丝网各处的张力必须均匀一致，绷好的丝网要保证在使用期内的张力稳定。3 张力过大，需要更大的印刷压力，易造成破网；张力过小，印刷时回弹力小，易粘网，擦糊细小线条，影响印刷质量。第四节常见问题1. 虚印2. 堵网3. 漏浆4. 粘网5. 厚薄不均6. 碎片7. 印刷偏移8. 毛刺，线条模糊9. 铝珠铝包10. 翘曲11. 缺印思考常见印刷问题如何调节。19 第七章烧结第一节烧结目的干燥硅片上的浆料，燃尽浆料的有机组分，使浆料和硅片形成良好的欧姆接触。相对于铝浆烧结，银浆的烧结要重要很多，对电池片电性能影响主要表现在串联电阻和并联电阻，即 FF 的变化。铝浆烧结的目的使浆料中的有机溶剂完全挥发，并形成完好的铝硅合金和铝层。局部的受热不均和散热不均可能会导致起包，严重的会起铝珠。背面场经烧结后形成的铝硅合金，铝在硅中是作为 P型掺杂，它可以减少金属与硅交接处的少子复合，从而提高开路电压和短路电流，改善对红外线的响应。第二节烧结原理银桨、银铝桨、铝桨印刷过的硅片，通过烘干，有机溶剂完全挥发，膜层收缩成为固状物紧密粘附在硅片上，这时，可视为金属电极材料层和硅片接触在一起。烧结工艺是采用银硅的共晶温度，同时在几秒钟内单晶硅原子溶入到金属电极材料里，之后又几乎同时冷却形成再结晶层，这个再结晶层是较完美单晶硅的晶格点阵结构，形成较好的欧姆接触。1、铝 --硅合金最低共熔点温度为 577℃ ，形成过程及机理如下硅表面沉积铝 → 高温烧结（ 577℃）→ 降温具 p-n 结结构的、表面涂覆铝的晶体硅在高温烧结（ 577℃）时，形成含有铝原子的再结晶硅层（ p层），从而形成 p-p结。 p-p结阻止光生少子向 p区扩散，提高了少数载流子的收集几率，降低了暗电流分量；而多子可以自由通过该结，对输出电流无影响。整个过程可细化为如下过程20 1 温度低于 577 ℃时，硅铝不发生作用，保持原来的固体状态。2 温度升至 577 ℃（硅铝共晶温度）时，在二者交界面处，铝原子和硅原子相互扩散，并在交界面处开始形成硅铝共熔体。3 随着时间的延长和温度的升高，硅铝熔化速度加快，硅铝共熔体的量增多，硅在合金中的溶解度也增加，因而熔体和固体硅的界面逐渐向硅片内延伸。4 降温时，硅原子在熔液中的溶解度下降，多余的硅原子逐渐从熔液中析出，形成含铝原子的再结晶硅层（ p层）。2、银 --硅合金最低共熔点温度为 835℃ ，如下第Ⅲ种状态是一种良好的欧姆接触。21 第三节简要介绍1、烧结曲线烧结过程，炉内硅片的实际温度曲线如下烘干区背场烧结正面烧结冷却22 第八章测试第一节测试目的1、通过测试数据监控生产电池片的效率及暗电流等参数是否正常；2、对生产的电池片进行分档，将相同电性能的电池片分在一起以便做成组件。第二节测试原理测试电池片效率的等效电路如下测试原理用稳态模拟太阳光或者脉冲模拟太阳光，使电池片形成光电流。第三节简要介绍1、标准测试条件光源辐照度 1000W/m2 ；测试温度 25 ℃ ；AM1.5地面太阳光谱辐照度分布。2、电性能参数23 （ 1） Isc在一定的温度和辐照条件下，太阳电池在端电压为零时的输出电流，通常用Isc 来表示。Isc 与太阳电池的面积大小有关，面积越大， Isc 越大。 Isc 与入射光的辐照度成正比。（ 2） Voc 在一定的温度和辐照度条件下，太阳电池在空载情况下的端电压，用 Voc表示。太阳电池的开路电压与电池面积大小无关。太阳电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成正比。（ 3） FF 填充因子是太阳能电池的最大功率与开路电压和短路电流乘积之比，通常用FF表示 FF ImVm/ IscVocIscVoc 是太阳电池的极限输出功率ImVm是太阳电池的最大输出功率填充因子是表征太阳电池性能优劣的一个重要参数。（ 4） Eff效率受光照太阳电池的最大功率与入射到该太阳电池上的全部辐射功率的百分比。 EFF Vm Im / At PinVm和 Im 分别为最大输出功率点的电压和电流At 为太阳电池的总面积Pin 为单位面积太阳入射光的功率。（ 5） Rs 串联电阻， Voc处的斜率。（ 6） Rsh 并联电阻， Isc 处的斜率。