太阳能电池片生产工艺课件.ppt

技术部,电池片生产培训,工艺流程,清洗制绒扩散刻蚀去磷硅PECVD印刷烧结测试,清洗制绒,影响绒面质量因素化学清洗原理安全注意事项,硅片表面处理的目的：,绒面腐蚀原理,利用酸溶液对晶体硅在不同晶体取向上具有相同腐蚀速率的各向同性异性腐蚀特性，在硅片表面腐蚀形成类虫洞一样的绒面结构，就称为表面织构化。,绒面形成原理,绒面的密度和它们的几何特征同时影响着太阳电池的陷光效率和前表面产生反射损失的最低限。尺寸一般控制在315微米。,影响绒面质量的关键因素,反应温度溶液浓度反应时间的长短槽体密封程度,关键因素的分析溶液的影响,制绒液中的HF、HNO3两者浓度比例决定着溶液的腐蚀速率和绒面成情况。溶液温度恒时，保持HF的浓度不变，发现增加HNO3的浓度，硅片表面发暗，绒面细小，密集，但黑丝很多，表面复合加大。相反在溶液温度恒时，保持HNO3的浓度不变增加HF的浓度时，硅片表面发亮，绒面成气泡状，整体向抛光方向发展,注意事项,对磷扩散的认识,半导体特性什么叫扩散扩散的目的扩散的方式,对磷扩散的认识半导体特性,硅太阳电池生产中常用的几种元素:硅（Si）、磷（P）、硼（B）元素的原子结构模型如下：,对磷扩散的认识半导体特性,硅晶体内的共价键硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。硅原子的4个价电子和它相邻的4个原子组成4对共有电子对。这种共有电子对就称为“共价键”。,对磷扩散的认识半导体特性,硼（B）是三族元素，原子的最外层有三个价电子，硼原子最外层只有三个电子参加共价键，在另一个价键上因缺少一个电子而形成一个空位，邻近价键上的价电子跑来填补这个空位，就在这个邻近价键上形成了一个新的空位，我们称这个空位叫“空穴”。,对磷扩散的认识半导体特性,P型半导体（受主掺杂）-接受自由电子,对磷扩散的认识半导体特性,磷（P）是五族元素，原子的最外层有五个价电子，磷原子最外层五个电子中只有四个参加共价键，另一个不在价键上，成为自由电子，失去电子的磷原子是一个带正电的正离子，正离子处于晶格位置上，不能自由运动，它不是载流子。,对磷扩散的认识半导体特性,N型半导体（施主掺杂）-提供自由电子,对磷扩散的认识-什么叫扩散,太阳能电池的心脏是一个PN结。PN结是不能简单地用两块不同类型（p型和n型）的半导体接触在一起就能形成的。要制造一个PN结，必须使一块完整的半导体晶体的一部分是P型区域，另一部分是N型区域。也就是在晶体内部实现P型和N型半导体的接触。,对磷扩散的认识-什么叫扩散,制造PN结，实质上就是想办法使受主杂质（P型），在半导体晶体内的一个区域中占优势，而使施主杂质（N型）在半导体内的另外一个区域中占优势，这样就在一块完整的半导体晶体中实现了P型和N型半导体的接触。,对磷扩散的认识-什么叫扩散,制作太阳电池的硅片是P型的，也就是说在制造硅片时，已经掺进了一定量的硼元素，使之成为P型的硅片。如果我们把这种硅片放在一个石英容器内，同时对此石英容器内加热到一定温度，并将含磷的气体通入这个石英容器内，这时施主杂质磷可从化合物中分解出来，在容器内充满着含磷的蒸汽。,对磷扩散的认识-什么叫扩散,在硅片周围包围着许许多多的磷的分子，因此磷原子能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。在有磷渗透的一面就形成了N型，在没有渗透的一面是原始P型的，这样就达到了在硅片内部形成了所要的PN结。-这就是所说的扩散。,PN结太阳电池的心脏,扩散的目的：形成PN结,太阳电池磷扩散方法,三氯氧磷（POCl3）液态源扩散喷涂磷酸水溶液后链式扩散丝网印刷磷浆料后链式扩散目前采用的是第一种方法。,扩散装置示意图,总体结构分为四大部分：控制部分推舟净化部电阻加热炉部分气源部分,扩散装置示意图,扩散炉气路系统,压缩空气,O2,N2,N2,影响扩散的因素,管内气体中杂质源的浓度扩散温度扩散时间,POCl3简介,POCl3是目前磷扩散用得较多的一种杂质源无色透明液体，具有刺激性气味。如果纯度不高则呈红黄色。比重为1.67，熔点2，沸点107，在潮湿空气中发烟。POCl3很容易发生水解，POCl3极易挥发。升温下与水接触会反应释放出腐蚀有毒易燃气体。,POCl3简介,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，这对于制作具有大面积结的太阳电池是非常重要的。,等离子体刻蚀,等离子体的原理及应用等离子刻蚀原理等离子刻蚀过程及工艺控制检验方法及原理,什么是等离子体？,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。,等离子体的产生,等离子体刻蚀原理,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。（这是各向同性反应）这种腐蚀方法也叫做干法腐蚀。,等离子体刻蚀反应,首先，母体分子CF4在高能量的电子的碰撞作用下分解成多种中性基团或离子。其次，这些活性粒子由于扩散或者在电场作用下到达SiO2表面，并在表面上发生化学反应。生产过程中，CF4中掺入O2，这样有利于提高Si和SiO2的刻蚀速率。,等离子体刻蚀工艺,装片在待刻蚀硅片的两边，分别放置一片与硅片同样大小的塑料夹板，叠放整齐，用夹具夹紧，确保待刻蚀的硅片中间没有大的缝隙。将夹具平稳放入反应室的支架上，关好反应室的盖子。,工艺参数设置,*可根据生产实际做相应的调整,边缘刻蚀控制,短路形成途径由于在扩散过程中，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。此短路通道等效于降低并联电阻。控制方法对于不同规格的硅片，应适当的调整辉光功率和刻蚀时间使达到完全去除短路通道的效果。,刻蚀工艺不当的影响,刻蚀时间刻蚀时间不足：电池的并联电阻会下降。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。,检验操作及判断,确认万用表工作正常，量程置于200mV。,去除磷硅玻璃,在扩散过程中发生如下反应：POCl3分解产生的P2O5淀积在硅片表面，P2O5与Si反应生成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。,什么是磷硅玻璃？,磷硅玻璃的去除,氢氟酸是无色透明的液体，具有较弱的酸性、易挥发性和很强的腐蚀性。但氢氟酸具有一个很重要的特性是它能够溶解二氧化硅，因此不能装在玻璃瓶中。在半导体生产清洗和腐蚀工艺中，主要就利用氢氟酸的这一特性来去除硅片表面的二氧化硅层。,氢氟酸能够溶解二氧化硅是因为氢氟酸能与二氧化硅作用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。总反应式为：,注意事项,在配制氢氟酸溶液时，要穿好防护服，戴好防护手套和防毒面具。不得用手直接接触硅片和承载盒。当硅片在1号槽氢氟酸溶液中时，不得打开设备照明，防止硅片被染色。硅片在两个槽中的停留时间不得超过设定时间，防止硅片被氧化。,检验标准,当硅片从1号槽氢氟酸中提起时，观察其表面是否脱水，如果脱水，则表明磷硅玻璃已去除干净；如果表面还沾有水珠，则表明磷硅玻璃未被去除干净。甩干后，抽取两片硅片，在灯光下目测：表面干燥，无水迹及其它污点。,SiNx:H减反射膜PECVD技术,目录,SiNx:H简介SiNx:H在太阳电池中的应用PECVD原理光学特性和钝化技术系统结构及安全事项,SiNx:H简介,正常的SiNx的Si/N之比为0.75，即Si3N4。但是PECVD沉积氮化硅的化学计量比会随工艺不同而变化，Si/N变化的范围在0.75-2左右。除了Si和N，PECVD的氮化硅一般还包含一定比例的氢原子即SixNyHz或SiNx:H。,2019/12/13,53,可编辑,SiNx:H简介,物理性质和化学性质：结构致密，硬度大能抵御碱金属离子的侵蚀介电强度高耐湿性好耐一般的酸碱，除HF和热H3PO4,SiNx:H简介,Si/N比对SiNx薄膜性质的影响电阻率随x增加而降低折射率n随x增加而增加腐蚀速率随密度增加而降低,SiNx在太阳电池中的应用,自从1981年（Hezel），SiNx开始应用于晶体硅太阳电池：*减反射膜*钝化薄膜（n+发射极）,SiNx在太阳电池中的应用,SiNx的优点：优良的表面钝化效果高效的光学减反射性能（厚度和折射率匹配）低温工艺（有效降低成本）含氢SiNx:H可以对mc-Si提供体钝化,SiNx在太阳电池中的应用,PECVD,PECVD=PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition即“等离子增强型化学气相沉积”，是一种化学气相沉积，其它的有HWCVD，LPCVD，MOCVD等。PECVD是借助微波或射频等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。,PECVD等离子体定义,地球上，物质有三态，即：固，液，气。其共同点是由原子或分子组成，即基本单元是原子和分子，且为电中性。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，即第四态。等离子体从宏观来说也是电中性，但是在局部可以为非电中性。,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（或另加发热体）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方法区别于其它CVD方法的特点在于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，因而显著降低CVD薄膜沉积的温度范围，使得原来需要在高温下才能进行的CVD过程得以在低温下实现。,CVD各工艺条件的比较,其它方法的沉积温度：APCVD常压CVD，700-1000LPCVD低压CVD，750，0.1mbar对比PECVD300-450，0.1mbar,PECVD的特点,PECVD的一个基本特征是实现了薄膜沉积工艺的低温化（450）。因此带来的好处：节省能源，降低成本提高产能减少了高温导致的硅片中少子寿命衰减,PECVD种类,PECVD的种类：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）间接式基片不接触激发电极（如2.45GHz微波激发等离子）,PECVD种类,直接式的PECVD,PECVD种类,PECVD种类,间接式的PECVD,PECVD种类,间接PECVD的特点：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NH3，而SiH4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。,光学参数,光学参数,厚度的均匀性(nominal约70nm)同一硅片+/-5%同一片盒内的硅片+/-5%不同片盒内的硅片+/-5%折射率(nominal约2.1)同一硅片+/-0.5%同一片盒内的硅片+/-0.5%不同片盒内的硅片+/-0.5%,钝化技术,对于McSi，因存在较高的晶界、点缺陷（空位、填隙原子、金属杂质、氧、氮及他们的复合物）对材料表面和体内缺陷的钝化尤为重要，除前面提到的吸杂技术外，钝化工艺一般分表面氧钝化和氢钝化。表面氧钝化：通过热氧化使硅悬挂键饱和是一种比较常用的方法，可使Si-SiO2界面的复合速度大大下降，其钝化效果取决于发射区的表面浓度、界面态密度和电子、空穴的俘获截面。在氢气氛围中退火可使钝化效果更加明显。,钝化技术,氢钝化：钝化硅体内的悬挂键等缺陷。在晶体生长中受应力等影响造成缺陷越多的硅材料，氢钝化的效果越好。氢钝化可采用离子注入或等离子体处理。在多晶硅太阳电池表面采用PECVD法镀上一层氮化硅减反射膜，由于硅烷分解时产生氢离子，对多晶硅可产生氢钝化的效果。应用PECVDSi3N4可使表面复合速度小于20cm/s。,二氧化硅膜和氮化硅膜的比较,热氧化二氧化硅和PECVD氮化硅钝化效果的比较,二氧化硅膜和氮化硅膜的比较,从比较图中看出：二氧化硅膜的表面复合速率明显高于氮化硅膜，也就是说氮化硅膜的钝化效果比二氧化硅膜好。若表面氧钝化采用在氢气氛围中退火，钝化效果会有所改善。,钝化技术,钝化技术,系统结构,系统结构,炉体系统：加热系统、温度测量系统、炉控系统、炉冷却系统、安全系统。,安全事项,使用和维护本设备时必须严格遵守操作规程和安全规则，因为：本设备的工艺气体为SiH4和NH3，二者均有毒，且SiH4易燃易爆。本设备运行时会产生微波辐射，每次维护后和停机一段时间再开机前都要检测微波是否泄漏。,丝网印刷与烧结,丝网印刷的发展史,丝网印刷技术从本上世纪70年代开始产生并发展，由于其相对简单的生产工艺，在市场上确立了优势。而丝网印刷也有各种不同的制造工艺，其中我们运用的是一种最简单的工艺，它也被一些生产厂商和实验室改进并提高。但是所有的改进和变化都是为了获得更高的转换效率和更低的成本，所以许多的改进工艺已经运用于经济生产活动，而更多的还只是停留在实验室阶段。,丝网印刷原理,丝网印刷是把带有图像或图案的模版被附着在丝网上进行印刷的。通常丝网由尼龙、聚酯、丝绸或金属网制作而成。当承印物直接放在带有模版的丝网下面时，丝网印刷油墨或涂料在刮刀的挤压下穿过丝网中间的网孔，印刷到承印物上（刮刀有手动和自动两种）。丝网上的模版把一部分丝网小孔封住使得颜料不能穿过丝网，而只有图像部分能穿过，因此在承印物上只有图像部位有印迹。换言之，丝网印刷实际上是利用油墨渗透过印版进行印刷的，这就是称它为丝网印刷而不叫蚕丝网印刷或绢印的原因，因为不仅仅蚕丝用作丝网材料，尼龙、聚酯纤维、棉织品、棉布、不锈钢、铜、黄铜和青铜都可以作为丝网材料。,电池片丝网印刷的三步骤,背电极印刷及烘干浆料：Ag/Al浆如Ferro3398背电场印刷及烘干浆料：Al浆如FerroFX53-038正面电极印刷及烘干浆料：Ag浆如FerroCN33-462,在整个生产中所处位置,背面AgAl浆可焊电极印刷,丝网的材质：不锈钢丝网目数：280目目数的定义：单位面积（英寸或cm）上丝网孔的数量。2.丝直径：4653m3.丝网厚度：8290m4.膜厚：15m5.静态张力：25N,背面电极印刷参数,在印刷图形完好时，印刷头压力在范围内尽可能的小。,背面Al浆可焊电极印刷,丝网材质：不锈钢丝网目数：320目丝直径：2328m丝网厚度：46m膜厚：15m膜和丝网总厚度：6063m,背面场印刷参数,上述参数会根据浆料的粘稠度、网版性能、背面场印刷量做出适当调整。而影响所印铝浆的厚度因素有：丝网目数、网线直径、开孔率、乳胶层厚度、印刷头压力、印刷头硬度、印刷速度及浆料粘度。,背面电极及电场图示,背面图形的优缺点,图1：缺点：焊条为长条状，浪费了AgAl浆优点：一旦出现碎片后，可以顺利的划成碎片图2：优点：可以大大节省AgAl浆，降低成本缺点：一旦出现碎片后，断成小片，利用率大大降低,背面图形的优缺点,图3：优点：与铝背场形成良好的欧姆接触，铝浆料和银浆料有细栅线的重叠部分，这样可以大大提高效率和填充因子。总结：尽量减少铝浆与银铝浆的重叠部分，在显微镜下观察两者重叠部分严重发黑，即大量的有机溶剂没有充分挥发，这样就严重影响电池效率和填充因子。,正面栅线设计,丝网材质：不锈钢丝网目数：280目线直径：30m丝厚度：50m膜厚：15m膜和丝网的总厚度：65m静态张力：26N,正面电极的印刷参数,参数的调整以图形完整、线条饱满、印刷浆料重量适当为基准。,正面栅线设计,正面栅线设计,细栅线数：44最边缘的细栅线到电池边缘的距离为1.7mm0.125441.72432.7125两根细栅线之间的距离为2.7mm主栅线的宽度1.5mm,丝网版的存放方式,水平方式：将同一规格的丝网印版，放置在版架的一层内，可重叠放置。竖立方式：将丝网印版竖立在版架上的版槽内，较大的网版最好采用竖立存放方式，以防丝网印版下垂。不管采用那种存放方式，都要重视网版的防尘