电池片的加工工艺..ppt

电池片的加工工艺 一 单晶硅片加工工艺主要为 切断 外径滚圆 切片 倒角 研磨 腐蚀 清洗等 1 切断切断又称割断 是指在晶体生长完成后 沿垂直于晶体生长的方向切去晶体硅头尾无用部分 即头部的籽晶和放肩部分以及尾部的收尾部分 通常利用外圆切割机进行切割 刀片边缘为金刚石涂层 这种切割机的刀片厚 速度快 操作方便 但是刀缝宽 浪费材料 而且硅片表面机械损伤严重 目前 也有使用带式切割机来割断晶体硅的 尤其适用于大直径的单晶硅 2 外径滚圆在直拉单晶硅中 由于晶体生长时的热振动 热冲击等原因 晶体表面都不是非常平滑的 也就是说整根单晶硅的直径有一定偏差起伏 而且晶体生长完成后的单晶硅棒表面存在扁平的棱线 需要进一步加工 使得整根单晶硅棒的直径达到统一 以便于在后续的材料和期间加工工艺中操作 3 切片在单晶硅滚圆工序完成后 需要对单晶硅棒切片 太阳电池用单晶硅在切片时 对硅片的晶向 平行度和翘曲度等参数要求不是很高 只需对硅片的厚度进行控制 4 倒角将单晶硅棒切割成的晶片 晶片锐利边需要修整成圆弧形 主要防止晶片边缘破裂及晶格缺陷产生 5 研磨切片后 在硅片的表面产生线痕 需要通过研磨除去切片所造成的锯痕及表面损伤层 有效改善单晶硅片的翘曲度 平坦度与平行度 达到一个抛光过程处理的规格 6 腐蚀 清洗切片后 硅片表面有机械损伤层 近表面晶体的晶格不完整 而且硅片表面有金属粒子等杂质污染 因此 一般切片后 在制备太阳电池前 需要对硅片进行化学腐蚀 在单晶硅片加工过程中很多步骤需要用到清洗 这里的清洗主要是腐蚀后的最终清洗 清洗的目的在于清除晶片表面所有的污染源 二 多晶硅加工工艺主要为 开方 磨面 倒角 切片 腐蚀 清洗等 1 开方对于方形的晶体硅锭 在硅锭的切断后 要进行切方块处理 即沿着硅锭的晶体生长的纵向方向 将硅锭切成一定尺寸的长方形的硅块 2 磨面在开方之后的硅块 在硅块的表面产生线痕 需要通过研磨除去开方所造成的锯痕及表面损伤层 有效改善硅块的平坦度与平行度 达到一个抛光过程处理的规格 3 倒角将多晶硅锭切割成硅块后 硅块边角锐利部分需要倒角 修整成圆弧形 主要防止切割时 硅片的边缘破裂 崩边及晶格缺陷产生 切片与后续的腐蚀 清洗工艺几乎一致 三 电池片的加工工艺电池片加工过程中所包含的制造步骤 根据不同的电池片生产商有所不同 这里介绍的电池片加工主要包括制绒 制结 去周边层 去PSG 镀膜 印刷电极 烧结 测试包装等 单晶硅电池片 多晶硅电池片 1 制绒晶体硅太阳电池一般是利用硅切片 由于在硅片切割过程中损伤 使得硅片表面有一层10 20 m的损伤层 在太阳电池制备时首先需要利用化学腐蚀将损伤层去除 然后制备表面绒面结构 对于单晶硅而言 如果选择择优化学腐蚀剂 就可以在硅片表面形成金字塔结构 称为绒面结构 又称表面织构化 这种结构比平整的化学抛光 的硅片表面具有更好的减反射效果 能够更好地吸收和利用太阳光线 当一束光线照射在平整的抛光硅片上时 约有30 的太阳光会被反射掉 如果光线照射在金字塔形的绒面结构上 反射的光线会进一步照射在相邻的绒面结构上 减少了太阳光的反射 同时 光线斜射入晶体硅 从而增加太阳光在硅片内部的有效运动长度 增加光线吸收的机会 如图所示 为单晶硅制绒后的SEM图 高10 m的峰时方形底面金字塔的顶 对于由不同晶粒构成的铸造多晶硅片 由于硅片表面具有不同的晶向 择优腐蚀的碱性溶液显然不再适用 研究人员提出利用非择优腐蚀的酸性腐蚀剂 在铸造多晶硅表面制造类似的绒面结构 增加对光的吸收 到目前为止 人们研究最多的是HF和HNO3的混合液 其中HNO3作为氧化剂 它与硅反应 在硅的表面产生致密的不溶于硝酸的SiO2层 使得HNO3和硅隔离 反应停止 但是二氧化硅可以和HF反应 生成可溶解于水的络合物六氟硅酸 导致SiO2层的破坏 从而硝酸对硅的腐蚀再次进行 最终使得硅表面不断被腐蚀 2 制结P N结的制备方法有四种 合金法 扩散法 离子注入法 薄膜生长法晶体硅太阳电池一般利用掺硼的p型硅作为基底材料 在850 左右 通过扩散五价的磷原子形成n半导体 组成p n结 三 去周边层在扩散过程中 硅片的周边表面也被扩散 形成p n结 这将导致电池的正负极连通 造成电池短路 所以需要将扩散边缘大约0 05mm 0 5mm的p n结去除 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 四 去PSG在扩散过程中 三氯氧磷与硅反应产生的副产物二氧化硅残留于硅片表面 形成一层磷硅玻璃 掺P2O5或P的SiO2 含有未掺入硅片的磷源 磷硅玻璃对于太阳光线有阻挡作用 并影响到后续减反射膜的制备 需要去除 目前电池片生产工艺中 去PSG常用的方法是酸洗 原理为利用氢氟酸与二氧化硅反应 使硅片表面的PSG溶解 五 镀减反射膜光照射到平面的硅片表面 其中一部分被反射 即使对绒面的硅表面 由于入射光产生多次反射而增加了吸收 但也有约11 的反射损失 在其上覆盖一层减反射膜层 可大大降低光的反射 增加对光的吸收 目前电池片生产工艺中 常见的镀膜工艺为PECVD 等离子增强化学气相沉积法 利用硅烷与氨气在辉光放电的情况下发生反应 在硅片表面沉积一层氮化硅减反射膜 增加对光的吸收 六 印刷电极与烧结太阳电池的关键是p n 有了p n结即可产生光生载流子 但有光生载流子的同时还必须将这些光生载流子导通出来 为了将太阳电池产生的电流引导到外加负载 需要在硅片p n结的两面建立金属连接 形成金属电极 目前 金属电极主要是利用丝网印刷技术 在晶体硅太阳电池的两面制备成梳齿状的金属电极 随后通过烧结 形成良好的欧姆接触 烧结工艺是将印刷电极后的电池片 在适当的气氛下 通过高温烧结 使浆料中的有机溶剂挥发 金属颗粒与硅片表面形成牢固的硅合金 与硅片形成良好的欧姆接触 从而形成太阳电池的上 下电极 七 测试包装为了将电池片分组 方便包装利于后期组件生产 以及分析发现制程中的问题 从而加以改善制程 在电池片的最后工艺中 我们将对电池片进行测试 测试的原理是利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 对其中的Isc Voc FF Eff Rs Rsh等进行检测 组件的生产工艺电池组件加工过程中所包含的制造工艺步骤 主要为生产准备 单片焊接 单片串接 组件敷设与检验 层压封装 装框与装接线盒 成品终测 成品清洗 成品包装入库等 常见单晶硅片 多晶硅片如图 一 生产准备电池组件的生产过程中 第一步为生产准备 准备工艺具体如下 1 电池片分捡根据 生产任务单 挑选符合要求的电池片 将电池片整理成小托 每一托电池片的数量即为一块组件中电池片的数量 2 焊带裁剪根据所生产组件的电池片的不同 依据设计图纸中所表示的尺寸裁剪相应的焊带待用 3 TPT和EVA胶膜准备使用自制的切割模具将EVA胶膜和TPT背膜切割成相应的规格并整理好 放到不同的料架上待用 4 铝合金外框根据所生产电池组件规格的不同 依据设计图纸中所表示的尺寸加工相应的铝框待用 二 单片焊接做好准备工作后 首先进行单片焊接工艺 工艺具体如下 1 来料检查对上道来料进行检查 并根据组件设计单片焊接所需涂锡带的长度要求将涂锡带裁剪成规定尺寸待用 将电池片一次取出 放入工作台上 准备焊接 2 焊接开启烙铁开关 开启加热台开关 等温度达到规定温度后开始操作 将电池片放在加热台上 一次对上下电池的主栅线进行焊接 3 检查焊好的电池片确认检查无误后流入下一道工序 填写好流程卡 三 单片串接对单片电池片上下主栅线焊接好后 进行到单片串接作业 工艺具体如下 模板选择1 对上道来料进行互捡 将电池片放入工作台指定位置 选择模板 2 电池片的焊接将焊有焊带的单片电池正极向上 分散放入模板 焊带统一朝一个方向整齐地排列在串联模板上 用电烙铁依次从右到左焊接电池串组 在每串串联电池组的最后一片电池主背电极上焊两根涂锡带 并露出锡带尾 在最后一串电池组主背电极上焊两根涂锡带 不露出锡带尾 并将电池片背面清扫干净 3 电池片的摆放准备好干净的玻璃板 绒面朝上 在绒面上铺设EVA并定位 按照图纸要求 将电池片串联组逐条依次放在EVA上 四 组件敷设与检验单片串接结束后 进行到组件的敷设与检验工艺 工艺具体如下 1 电池组拼接在敷设台上用汇流条拼接各串电池组 并在引出线部焊上汇流带 将拼接后多余的锡带修整干净 2 EVA与TPT的摆放在电池组件上放第二层EVA膜 按图纸要求在EVA上找出接线盒的位置 并将组件正负极引出在EVA上 在EVA上放TPT膜 并按图纸要求在TPT上找出接线盒位置 在引出口将组件正负极引出在TPT上 并固定好TPT的位置 3 检验敷设好后打开光检验箱电源 用万用表检测组件电性能 正负极连接是否正确等 做好检测记录 将组件放于周转车 流入下道工序 五 层压封装层压是电池组件制作的最为关键工艺 务必小心谨慎 具体工艺如下 1 参数设定打开层压机电源开关 按图纸设计要求进行调试 待参数达到要求后 打开层压机 2 来料检查对上道来料进行检查 将合格的电池组件居中放在高温布上 在组件上轻轻将高温布盖好 3 层压层压机打自动挡 合上层压机盖 检查上下室真空状态 层压时间达到后 取出电池组件 4 检查对层压后的电池组件进行检查 并清理周边多余的EVA和TPT 做好记录 流入下道工序 六 装框与装接线盒层压封装后 进行到组件的装框与装接线盒 具体工艺如下 1 铝合金准备按要求准备铝合金 在铝合金边框槽内打密封硅胶 用角码将四根铝合金边框连接起来 将连接好的铝合金框放到打框机上 2 装框将组件放到打框机上 并且把组件放到铝合金边框内 开启启动装置把铝合金边框压紧并在组件与铝合金边缘四周上密封硅胶 3 装接线盒按图纸要求准备接线盒 并将接线盒放置在正负电极引出线上 将引出的正负电极放置在接线盒的电极上 用电烙铁焊接好 七 成品终测装框与装接线盒结束后 应对相应的电池组件检测 并记录其性能 具体工艺如下 1 检测准备工作检测之前 根据检测需要 设定环境温度 打开测试仪电源开关 进入电脑测试程序 2 成品测试对前道工序进行外观检查 合格后进行成品测试 终测时 记录测试数据 将不同功率组件按档次分类并贴好标签 流入下一道工序 八 成品清洗在包装入库前 要对组件进行清洗 具体清洗工艺如下 1 检查工作将电池组件放在工作台上 检查上道工序的质量 2 清洗将正面的硅胶与背面TPT上的残余物清理干净 清洗后对组件进行自检 九 成品包装入库检查上道工序的质量 准备包装纸箱 按照组件玻璃面朝外放置 放置组件 最后 用胶带封住纸箱四周 在制定位置贴条码 打上包带 半导体中的杂质和缺陷能级理想的晶体结构具有完美的晶格 实际应用的半导体材料总是会出现各种破坏晶格完美性的现象 首先 原子并不是在晶格的格点静止不动 而是在其平衡位置附近振动 其次 半导体材料并不是纯净的 总是本来就含有杂质或为控制半导体材料性质人为掺入杂质 另外实际的半导体材料中有些原子组成晶格时没有按规则排列 形成各种缺陷 如点缺陷 线缺陷和面缺陷 杂质和缺陷的存在破坏了严格按周期性有规则排列的原子所产生的周期性势场 有可能在禁带中引入允许电子占据的能级 对半导体材料的性质有非常大的影响 一 施主杂质 施主能级以硅中掺入 族元素 如以掺入磷为例 每个硅原子有四个价电子 原子和原子之间以共价键方式结合 磷原子进入半导体硅后 以替位的形式存在 占据硅原子的位置 磷原子有五个价电子 其中四个价电子与周围四个硅原子的四个价电子组成四个共价键 还剩一个价电子弱束缚在磷原子核的周围 一旦接受能量 这个价电子很容易挣脱原子核的束缚 从而可以在整个晶体中运动 成为导电电子 磷原子失去电子后成为带正电的磷离子 称为正电中心 正电中心是不能移动的 上述电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称为施主电离 电离过程所需的最小能量就是它的电离能 族杂质在硅中电离时 能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心 称它们为施主杂质或型杂质 用能带图表示就是 掺入的磷在能带中形成施主能级 此能级位于禁带中间 称为杂质能级 当电子得到能量后 就从施主能级上跃迁到导带成为导电电子 所以施主能级位于离导带底的下方处 二 受主杂质 受主能级以硅中掺入 族元素 如掺入硼为例 硼原子进入半导体硅后 也是以替位的形式存在 占据硅原子的位置 硼原子有三个价电子 当它与周围四个硅原子形成共价键时 还缺少一个价电子 只好从别处的硅原子中夺取一个价电子来形成共价键 于是会在硅晶体的共价键中产生一个空穴 而硼原子在接受一个电子后 成为带负电的硼离子 称为负电中心 负电中心也是不能移动的 空穴由于静电引力作用弱束缚在硼离子的周围 一旦接受能量 空穴就很容易挣脱硼离子的束缚 从而可以在整个晶体中运动 成为导电空穴 上述空穴脱离杂质的束缚成为导电空穴的过程称为受主电离 掺入的杂质电离时能够使价带中的导电空穴增多 称它们为受主杂质或型杂质 用能带图表示就是 掺入的硼在能带中形成施主能级 这个能级也位于禁带中间 同样是杂质能级 当空穴得到能量后 就从受主能级上跃迁到价带成为导电空穴 所以受主能级位于离价带顶的上方处 1 深能级杂质 深能级在半导体硅中掺入 族杂质后在禁带中形成浅能级 其他各族元素掺入硅后也会在硅中形成能级 如果产生的施主杂质能级距离导带底较远 受主杂质能级距离价带顶较远 即靠近禁带中心 这些能级称为深能级 相应的杂质称为深能级杂质 室温下深能级杂质基本不电离 而如果电离时能够产生多次电离 在禁带中引入多个能级 这些能级可能是施主能级 也可能是受主能级 还可能同时引入施主能级和受主能级 深能级杂质含量一般极少 而且较深 它们对半导体材料的电子和空穴浓度影响没有浅能级杂质显著 但它们对电子和空穴的复合作用比浅能级杂质强 可以成为有效的电子和空穴的复合中心 影响非平衡少数载流子的寿命 2 缺陷 缺陷能级理想的晶体是原子有规则地周期性重复排列的完美晶体 没有杂质和缺陷 实际的晶体中存在各种破坏晶体完美性的现象 如点缺陷 线缺陷和面缺陷 这些缺陷也可能在禁带中引入相应能级 即缺陷能级 这些缺陷能级和杂质引入的深能级一样 会影响少数载流子的寿命 对于太阳能光电材料而言 则会影响太阳能光电转换效率 因此 太阳能光电材料不仅需要尽量提高纯度 减少杂质能级 而且需要晶体结构尽量完整 减少晶体缺陷 从而提高太阳能光电转换效率 统计规律 在涉及粒子数目非常多时 我们感兴趣的只是这些粒子作为一个整体的统计学状态 而不是其中某一个粒子的状态 粒子的统计特征可以用粒子所遵循的统计规律来描述 在假设粒子之间不存在相互作用的前提下 通常有三种分布函数用来确定粒子在有效能态中的分布规律 麦克斯韦 波耳兹曼分布函数 这种分布认为粒子是可以被一一区分开的 而且对每个能态所能容纳的粒子数没有限制 分布函数为 玻色 爱因斯坦分布函数 这种分布认为粒子是全同粒子 不能被一一区分开 不过每个能态所能容纳的粒子数没有限制 分布函数为 费米 狄拉克分布函数 这种分布也认为粒子是全同粒子 不能被一一区分开 而且每个量子态中只允许容纳一个粒子 分布函数为 是电子的费米分布函数 它描述的是热平衡状态下电子在允许的量子态上分布规律的统计分布函数 也可以用来表示被电子填充的量子态占总量子态的比率 只要知道了费米能级的数值 在一定温度下 电子各量子态上的统计分布就完全确定了 费米能级 就一个由费米子组成的微观体系而言 每个费米子都处在各自的量子能态上 费米子按照一定的规则 例如泡利原理等 填充在各个可供占据的量子能态上 并且这种填充过程中每个费米子都占据最低