《晶硅太阳电池工艺》PPT课件.ppt

P型单晶硅太阳电池工艺 joe 2 目录 TestwafersTexturingCleaningbeforediffusionDiffusionEdgeisolationandremovePSGPECVDScreenprintingandfiringSEsolarcellsintroduce joe 3 来料检验 现在有的电池生产公司会有这道生产工序 因为优质硅片在市场上常常处于 有价无市 的状态 缺货严重 许多硅片制造商经常会用硅棒的 头尾料 来以次充好 卖给下游电池制造商 所以加上这道工序用来检验硅片的质量 此道工序主要检验硅片的厚度 少子寿命 表面平整度 是否有微裂纹 电阻率 表面油污等 同时具有插片功能 可将硅片插入25片一盒的晶片盒中 我所知的设备供应商是韩国的fortix公司 这种设备插片速度不是很快 所以平时也只是用来做抽查检验 大部分硅片还是手工插入晶片盒流入下一工序 joe 4 texturing 第二道工序是制绒 为了提高单晶硅太阳电池的光电转换效率 工业生产中通常采用碱与醇的混合溶液对 100 晶面的单晶硅片进行各向异性腐蚀 在表面形成类似 金字塔 状的绒面结构 陷光结构 有效的增强了硅片对入射太阳光的吸收 从而提高光生电流 显微镜下的绒面结构图 joe 5 国内一般采用深圳捷佳创in line制绒机 我所见的该厂家的制绒机有单槽产200 300和400片三种 制绒槽的材料有PVC树脂和不锈钢两种 工艺条件视硅片表面质量而定 以200片一槽不锈钢材质的设备为例 硅片表面油污较少易于制出绒面 碱浓度可在0 8 1 2 之间 醇添加6 10升即可 硅酸钠500克 反应时间18 25分钟 反应温度80 82度 若表面较脏 工艺的变数就很大了 反应时间一般是延长至40分钟 同时加大碱浓度 甚至在制绒前采用高浓度碱液腐蚀的 粗抛 工艺 由于受原材料影响较大 所以制绒工艺很不稳定 需要很有经验的工艺人员在场控制 制绒工艺所用的化学辅料现在普遍是NaOH 异丙醇和硅酸钠 有个别公司不用硅酸钠 texturing joe 6 扩散前清洗 制绒后会进行扩散制结 在扩散前要进行酸洗 洗去硅片表面附着的金属离子 主要采用盐酸溶液 清洗机一般采用捷佳创和北京七星华创的 清洗作业还要用到HF溶液 洗去硅片表面上的薄氧化层 硅片经过两种酸液的清洗顺序没有严格要求 一般是先经过HCl 再经过HF joe 7 diffusion joe 8 diffusion 扩散的主要目的是制作PN结 在掺硼的P型硅片上用三氯氧磷进行扩散 三氯氧磷 磷源 呈液态 放在扩散炉后面 一般源温为18 25度 通过载气N2传进扩散炉体 三氯氧磷与氧气在炉内反应生成磷扩散进硅片表面下0 3 0 5um 同时通保护N2 调节气流 保证扩散结的均匀性 目前大多数厂商采用中电48所和北京七星华创的国产扩散炉 国产炉扩散的均匀性不好 气流量大 炉口密封性不好 常有绿色的偏磷酸生成 国外Centrotherm公司生产的扩散炉也有少数公司采用 效果很好 缺点是编辑新扩散工艺不方便 要求工艺人员会计算机编程语言才能编写工艺程序 以下是我编写的一个扩散工艺recipe 采用了小气流量扩散工艺 stepTimeTemperatureN2flowO2flowsourcegas1loading152stability86010slm3oxidation8min86015slm2slm4firstdiffusion15min8601810 8slm5drivein10860180 56seconddiffusion108601810 87cooldown至810258unload15 joe 9 扩散结的在线检测手段主要有两种 四探针测方块电阻和测少子寿命 不同生产商对方块电阻的要求不同 看重短路电流的生产商要求方块电阻在45 50之间 而看重开路电压的生产商会要求方块电阻在35 40之间 diffusion 左图为四探针测方阻 右图为少子寿命测试仪 joe 10 EdgeisolationandremovePSG 扩散后 我们只希望硅片上面存在PN结 可是扩散后的硅片在侧面也存在PN结 侧面的N型区是不需要的 因为它是导致成品电池反向漏电的一个原因 所以要去掉侧边的N型区 过去采用的办法是等离子刻蚀 将硅片上下表面用夹具挡住 只留出侧边放入等离子刻蚀机进行干刻 刻蚀气体为CF4和O2 比例10 1即可 刻蚀后 用冷热探针接触硅片边缘 显示 P 即可 或用万用表的触笔测试边缘 电阻大于5000欧亦可 现今一些大公司引进了德国的RENA湿法刻蚀设备 使硅片在滚轮上漂浮通过硝酸 硫酸 氢氟酸的混合溶液 利用 虹吸原理 使硅片边缘吸入酸液腐蚀掉N型区 同时硅片背面的绒面结构被腐蚀平整 大规模生产后证明 湿法刻蚀相对于干法刻蚀 将电池效率提高了0 15 0 2 等离子刻蚀后会进行去 磷硅玻璃 清洗 因为扩散后 硅片表面会生长一层含磷的二氧化硅层 称为 磷硅玻璃 清洗溶液为HF溶液 浓度在5 左右 RENA设备整合了去磷硅玻璃这一步 边缘腐蚀后 硅片会漂到HF溶液中 这里顺便提一下 国外的公司进行边缘刻蚀采用了激光刻蚀 用激光将硅片边缘切除达到去N型区的目的 这一步在做成成品电池后进行 激光器加在了烧结炉和Berger测试仪之间 后面会提及 国内也尝试过这种办法 但是激光刻蚀国内公司使用总是不稳定 所以很少有公司添加了这种设备 拥有这种设备的公司一般只是在等离子刻蚀不完全时加上激光刻蚀 防止反向漏电大现象 joe 11 EdgeisolationandremovePSG joe 12 PECVD 镀膜的原理相信大家都很清楚 单晶硅电池镀膜的主要作用是减反射和钝化硅片表面悬挂键 国内厂商所用的镀膜设备主要有两种 Roth Rau公司的板式镀膜机和Centrotherm的管式镀膜机 此外 中电48所采用自主制造的管式镀膜机 南京中电采用了ATON的PVD镀膜 后面附上了板式PECVD设备的一些图片 很遗憾没有管式设备的全貌图 右边小角是管式设备镀膜装硅片所用的石墨舟 商业化生产单晶硅电池镀膜主要是镀单层氮化硅 厚度控制在75 80nm 折射率在2 0 2 1之间 在线检测设备为椭偏仪 joe 13 PECVD 板式PECVD joe 14 PECVD 镀膜的工艺气体只有硅烷和氨气 板式镀膜采用MWgenerator 激发频率较大 所以氨气用量较小 管式设备采用HF 高频 generator 频率不超过13 56MHz 氨气难电离 所以氨气消耗量很大 板式设备氨气与硅烷的比例对电池的效率影响较大 以效率为17 的P型单晶硅电池为例 氨气与硅烷的比例一般控制在2 3 1左右 总气流量为2500sccm 一般来说 在一定范围内 硅烷量多一些 钝化效果更好些 管式设备氨气量耗费大致在每batch100L左右 流量为5L min 硅烷流量450 550sccm即可 反应温度在400 450度 功率2600 3000W 不同公司的工艺参数会有些许不同 实际的镀膜效果来看 管式设备做出的电池效率比板式的高0 2 0 3 多晶硅电池采用这两种设备镀膜 做出的电池效率差距更明显 从QE谱图上看 管式设备做出的电池短波响应更高一些 joe 15 Screenprintingandfiring 镀膜后做金属电极的方法很多 国内厂商商业化生产大多采用AMATBaccini的丝网印刷设备 将金属浆料通过不锈钢网版印到硅片上 背面主要印背电极和背场 烘箱烘干后翻片 再在上表面印正电极 通过烧结工艺使正面金属浆料穿透氮化硅膜与硅片表面形成欧姆接触 joe 16 joe 17 joe 18 左图为软件工艺参数更改界面 常被更改的是以下四个参数 snap off称为丝网间距 down stop称为刮板高度 pressure是印刷压力 printingspeed是印刷速度 修改OFFSETS框内的X Y Theta值可以保证在硅片上印刷图形的准确 丝网印刷设备组成部分较多 详细介绍起来十分繁琐 如有兴趣可共同研究 这里不做更详细的介绍了 joe 19 firing 烧结是丝网印刷后电池制造的最后一道工序 国内生产商采用的烧结炉主要来自三个厂商 Centrotherm BTU和Despatch joe 20 firing 以Centrotherm烧结炉为例 以下是它的一个典型的工艺参数配置HTO 烘干区350380400度FF 快速烧结区450500550625820840度 前四个区烧结背电极和铝背场 后两个区烧结正电极 银电极 传送带的速度为5000mm min电池方块电阻为47ohm 方块快速烧结区采用红外灯管加热 具体样式请见下图 joe 21 IRlamp joe 22 丝网印刷到测试整个过程具体的工艺流程如下 1 印背电极 材料为银铝浆或银浆烘干2 印背电场 材料为铝浆 烧结后会用铝进入硅片背面 形成P P结构 拉大了内电势 提高了开路电压 同时兼有背部铝吸杂的作用 烘干3 翻片 印正电极 材料为银浆4 烧结5 Berger测试电池片性能参数主要参数为Isc