太阳能电池工艺培训资料.ppt

1 太阳能电池的概念 太阳能电池 就是将太阳能转化为电能的半导体器件 2 太阳能电池工艺流程 制绒清洗 扩散 刻蚀 去PSG PECVD 丝网印刷 烧结 测试分档 分选 包装 制绒和清洗 4 概述 硅片表面处理的目的 5 硅片表面的机械损伤层 6 制绒 表面织构化 单晶硅片表面的金字塔状绒面 单晶硅片表面反射率 7 绒面腐蚀原理 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密布的表面形貌 就称为表面织构化 角锥体四面全是由 111 面包围形成 反应式为 Si 2KOH H2O K2SiO3 2H2 8 绒面光学原理 制备绒面的目的 减少光的反射率 提高短路电流 Isc 最终提高电池的光电转换效率 陷光原理 当光入射到一定角度的斜面 光会反射到另一角度的斜面 形成二次或者多次吸收 从而增加吸收率 9 绒面光学原理 陷光原理图示 10 影响绒面质量的关键因素 KOH浓度异丙醇浓度制绒槽内硅酸钾的累计量制绒腐蚀的温度制绒腐蚀时间的长短槽体密封程度 异丙醇的挥发程度 11 化学清洗原理 HF去除硅片表面氧化层 HCl去除硅片表面金属杂质 盐酸具有酸和络合剂的双重作用 氯离子能与Pt2 Au3 Ag Cu Cd2 Hg2 等金属离子形成可溶于水的络合物 12 注意事项 扩散 太阳电池制造的核心工序 14 扩散的目的 形成PN结 PN结 太阳电池的心脏 15 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本公司目前采用的是第一种方法 太阳电池磷扩散方法 16 磷扩散工艺过程 17 扩散装置示意图 18 POCl3磷扩散原理 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 5POCl33PCl5 P2O5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 5Si5SiO2 4P 19 在有氧气的存在时 POCl3热分解的反应式为 4POCl3 3O22P2O5 6Cl2POCl3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 POCl3磷扩散原理 20 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 Cl2 其反应式如下 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 POCl3磷扩散原理 21 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 22 在太阳电池扩散工艺中 扩散层薄层电阻 方块电阻 是反映扩散层质量是否符合设计要求的重要工艺指标之一 方块电阻也是标志进入半导体中的杂质总量的一个重要参数 扩散层薄层电阻及其测量 23 方块电阻的定义 考虑一块长为l 宽为a 厚为t的薄层如右图 如果该薄层材料的电阻率为 则该整个薄层的电阻为 当l a 即为一个方块 时 R t 可见 t 代表一个方块的电阻 故称为方块电阻 特记为R t R l a t t l a 刻蚀 刻蚀的目的 在扩散过程中 硅片表面和四周都生长一层PN结 若不去除边缘的PN结 制成的电池片因为边缘漏电而无法使用 扩散时硅片表面形成了一层磷硅玻璃 磷硅玻璃不导电 为了形成良好的欧姆接触 减少光的反射 在沉积减反射膜之前 必须把磷硅玻璃腐蚀掉 26 湿法刻蚀原理 利用HNO3和HF的混合液体对硅片表面进行腐蚀 去除边缘的N型硅 使得硅片的上下表面相互绝缘 27 1 工序步骤刻边 碱洗 酸洗 去PSG 吹干2 用到药品 HNO3 HF KOH3 SPC 硅片各边的绝缘电阻 1000欧姆刻蚀宽度 0 5 1 5um滚轮速度范围0 5 1 5m min 注 前清洗速度最好不要超过1 35m min 速度过快 一方面硅片清洗或吹不干净 PECVD容易出现白点片 另一方面碎片高 有时碎片会堵住喷淋口 清洗后出现脏片 4 去磷硅玻璃主要反应方程式1 SiO2 4HF SiF4 2H2O2 SiF4 HF H2SiF6 28 刻蚀中容易产生的问题及检测方法 1 刻蚀不足 边缘漏电 并联电阻 Rsh 下降 严重可导致失效检测方法 测绝缘电阻2 过刻 正面金属栅线与P型硅接触 造成短路检测方法 称重及目测 29 什么是磷硅玻璃 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 30 磷硅玻璃的去除 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 去除磷硅玻璃工艺 甩干 清洗液配制 将各槽中破损硅片等杂质清除 用去离子水将各槽壁冲洗干净 1号槽中注入一半深度的去离子水 加入13瓶商品氢氟酸 再注入去离子水至溢流口下边缘 向2号槽中注满去离子水 装片 经等离子刻蚀过的硅片 经检验合格后插入承片盒 注意 经过磷扩散处理的表面 面向承片盒的背面放置 严禁装反 每盒25片 扣好压条 装入包塑不锈钢提篮 开机 根据 磷腐槽操作规程 作业指导书打开电源 压缩空气 氮气和去离子水 设定1槽时间1分钟 2槽时间6分钟 投片清洗 按照 磷腐槽操作规程 作业指导书的规定确定设备自动运行的前提条件都得到满足 将装满硅片的包塑不锈钢提篮推至0号位 按下控制板上 自动运行 按钮 设备即开始自动运行 甩干 打开离心干燥机的电源 压缩空气 氮气和去离子水 根据下表所列工艺参数设置甩干机工作条件 将装有硅片的承片盒放入离心干燥机 按照设备操作规程进行离心干燥 37 去除磷硅玻璃的目的 1 磷硅玻璃的存在使得硅片在空气中表面容易受潮 导致电流的降低和功率的衰减2 死层的存在大大增加了发射区电子的复合 会导致少子寿命的降低 进而降低了Voc和Isc 3 磷硅玻璃的存在使得PECVD后产生色差 38 检验标准当硅片从HF槽出来时 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 当硅片从出料口流出时候 如果发现尾部有部分水珠 HF槽中可以适当补些HF 去PSG原理 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 SiNx H减反射膜 41 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 42 PECVD PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition即 等离子增强型化学气相沉积 是一种化学气相沉积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 PECVD 43 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 44 等离子体 等离子体 由于物质分子热运动加剧 相互间的碰撞就会使气体分子产生电离 这样物质就会变成自由运动并由相互作用的正离子 电子和中性粒子组成的混合物 45 设备 46 的目的 1 镀减反射薄膜 SiN 其具有卓越的抗氧化和绝缘性能 同时具有良好的阻挡钠离子和掩蔽金属离子和水蒸气扩散的能力 它的化学稳定性很好 除氢氟酸和热磷酸能缓慢腐蚀外 其它酸与它基本不起作用2 表面钝化作用保护半导体器件表面不受污染物质的影响 半导体表面钝化可降低半导体表面态密度3 钝化太阳电池的体内在SiN膜中存在大量的H 在烧结过程中会钝化晶体内部悬挂键 47 的原理 3SiH4 4NH3 Si3N4 12H2 3SiH4 SiH3 SiH2 SiH3 6H2NH3 NH2 NH 3H 丝网印刷与烧结 49 丝网印刷原理 丝网印刷是通过刮条挤压丝网弹性形变后将浆料漏印在需要印刷的材料上的一种印刷方式 这也是目前普遍采用的一种电池工艺 50 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Analogpase 12正面电极印刷浆料 Ag浆如DupontPV147 51 背面电极及电场图示 52 正面栅线图示 53 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 54 烧结的目的 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 55 烧结对电池片的影响 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 56 安全事项 灼热的表面有烫伤的危险危险电压有电击或烧伤的危险有害或刺激性粉尘 气体导致人身伤害设备运转时打开或移动固定件有卷入的危险 57 根据不同的电性能分档