太阳能电池与硅片划片切割工艺的研究.doc

太阳能电池与硅片划片切割工艺的研究一 半导体其主要特性导电能力介于导体和绝缘体之间的物体，则叫做半导体，如锗、硅、砷化镓、硫化镉等，其电阻率为10-107m半导体性能上具有如下两个显著的特点。 (1)电阻率的变化受杂质含量的影响极大，例如，纯硅中磷杂质的浓度在10261019m-3范围内变化时，它的电阻率就会从10-5m变到104m；室温下在纯硅中掺人百万分之一的硼，硅的电阻率就会从2.14X103m减小到0.004m左右。如果所含杂质的类型不同，导电类型也不同。 (2)电阻率受光和热等外界条件的影响很大，温度升高或光照时，均可使半导体材料的电阻率迅速下降。例如，锗的温度从200升高到300，其电阻率降低一半左右。一些特殊的半导体，在电场和磁场的作用下，其电阻率也会发生变化。半导体材料的种类很多，按其化学成分，可分为元素半导体和化合物半导体；按其是否含有杂质，可分为本征半导体和杂质半导体。杂质半导体按其导电类形，又分为n型半导体和p型半导体。二、半导体硅的晶体结构 自然界物质存在的形态有气态物质、液态物质和固态物质。固态物质可根据它们的质点(原子、离子和分子)排列规则的不同，分为晶体和非晶体两大类。具有确定的熔点的固态物质称为晶体，如硅、砷化镓、冰及一般金属等；没有确定的熔点、加热时在某一温度范围内就逐渐软化的固态物质称为非晶体，如玻璃、松香等。 所有晶体都是由原子、分子、离子或这些粒子集团在空间按一定规则排列而成的。这种对称的、有规则的排列，叫晶体的点阵或晶体格子，简称为晶格。最小的晶格，称为晶胞。晶胞的各向长度，称为品格常数。将晶格周期地重复排列起来，就构成为整个晶体。晶体又分为单晶体和多晶体。整块材料从头到尾都按同一规则作周期性排列的晶体，称为单晶体。整个晶体由多个同样成分、同样晶体结构的小晶体(即晶粒)组成的晶体，称为多晶体。在多晶体中，每个小晶体中的原子排列顺序的位向是不同的。非晶体没有上述特征，组成它们的质点的排列是无规则的，而是“短程有序、长程无序的排列.三、太阳能电池工作原理与特性太阳能电池的分类和结构，太阳能电池的工作原理和特性。 (一)、太阳能电池的分类太阳能电池多为半导体材料制造，发展至今，已经种类繁多，形式各样。 可用各种方法对太阳能电池进行分类，如按照结构的不同分类，按照材料的不同分类，按照用途的不同分类，按照工作方式的不同分类，等等。下面对按照结构和材料进行的分类加以介绍。 (1) 按照结构的不同可分为如下各类 1同质结太阳能电池 由同一种半导体材料所形成的pn结或梯度结称为同质结。用同质结构成的电池称为同质结太阳能电池，如硅太阳能电池。四 太阳能电池的结构 因生产制造太阳能电池的基体材料和所采用的工艺方法的不同，太阳能电池的结构也就多种多样。这里以常规硅太阳能电池为例简述太阳能电池的结构。图316是一个p型硅材料制成的p型结构常规太阳能电池的示意图。p层为基体，厚度为o205mm。基体材料称为基区层，简称基区。p层上面是n层。它又称为顶区层，有时也称为发射区层，简称顶层。它是在同一块材料的表面层用高温掺杂扩散方法制得的，因而又称为扩散层。由于它通常是重掺杂的，故常标记为。层的厚度为02o5btm。扩散层处于电池的正面。所谓正面，就是光照的表面，所以也称为光照面。p层和n层的交界面处是p-n结。五 太阳能电池的基本工作原理 太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能变换成为电能。这个把太阳能(或其他光能)变换成电能的能量转换器，就叫做太阳能电池。 太阳能电池工作原理的基础，是半导体p-n结的光生伏打效应。所谓光生伏打效应，简单地说，就是当物体受到光照时，其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。在气体、液体和固体中均可产生这种效应，但在固体尤其是在半导体中，光能转换为电能的效率特别高，因此半导体中的光电效应引起人们的格外关注，研究得最多，并发明制造出了半导体太阳能电池。 可将半导体太阳能电池的发电过程概括成如下4点；首先是收集太阳光和其他光使之照射到太阳能电池表面上。太阳能电池吸收具有一定能量的光子，激发出非平衡载流子(光生载流子)一电子空穴对。这些电子和空穴应有足够的寿命，六 太阳能电池的基本特性 (一)太阳能电池的极性硅太阳能电池一般制成p+n型结构或n+p结构，如图4所示。 其中，第一个符号，即p+和n+，表示太阳能电池正面光照层半导体材料的导电类型；第二个符号，即n和p，表示太阳能电池背面衬底半导体材料的导电类型。太阳能电池的电性能与制造电池所用半导体材料的特性有关。在太阳光或其他光照射时，太阳能电池输出电压的极性，p型一侧电极为正，n型一侧电极为负。当太阳能电池作为电源与外电路连接时，太阳能电池在正向状态下工作。当太阳能电池与其他电源联合使用时，如果外电路的正极与电池的p电极连接，负极与电池的n电极连接，则外电源向太阳能电池提供正向偏压；如果外电源的正极与电池的n电极连接，负极与p电极连接，则外电源向太阳能电池提供反向偏压。 (二)太阳能电池的电流一电压特性太阳能电池的电路及等效电路如图5所示。其中，只RL为电池的外负载电阻。当RL=0，所测的电流为电池的短路电流。所谓短路电流Icc，就是将太阳能电池置于标准光源的照射下，在输出端短路时，流过太阳能电池两端的电流。测量短路电流的方法，是用内阻小于1电流表接在太阳能电池的两端。ISC值与太阳能电池的面积大小有关，面积越大，ISC值越大。一般来说，1cm2硅太阳能电池的ISC值约1630mA。同一块太阳能电池，其ISC与人射光的辐照度成正比；当环境温度升高时，ISC值略有上升，一般温度每升高1，ISC值约上升78A。当RL时，所测得的电压为电池的开路电压。所谓开路电压Uoc，就是将太阳能电池置于100mWCm2光源照射下，在两端开路时，太阳能电池的输出电压值。可用高内阻的直流毫伏计测量电池的开路电压。太阳能电池的开路电压，与光谱辐照度有关，与电池面积的大小无关。在100mWCm2的光谱辐照度下，硅太阳能电池的开路电压为450600mV，高可达690mV。当入射光谱辐照度变化时，太阳能电池的开路电压与人射光谱辐照度的对数成正比，当环境温度升高时，太阳能电池的开路电压值将下降，一般温度每上升1，Uoc值约下降23mV。ID(二极管电流)为通过p-n结的总扩散电流，其方向与ISC相反。RS为串联电阻，它主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻和电极与硅表面间接触电阻所组成。RSh旁漏电阻，它是由硅片的边缘不清洁或体内的缺陷引起的。一个理想的太阳能电池，串联电阻RS很小，而并联电阻RSh很大。由于RS和RSh是分别串联和并联在电路中的，所以在进行理想的电路计算时，它们可以忽略不计。此时，流过负载的电流为IL根据以上两式作图，可得到太阳能电池的电流一电压关系曲线，如图6所示。这个曲线，可简称为I-U曲线，或伏安曲线。 图6，曲线1，是二极管的暗伏安关系曲线，即无光照时太阳能电池的I-U曲线；曲线2，是电池接受光照后的I-U曲线，它可由无光照时I-U曲自向第四象限位移ISC。经过坐标交换，最后可得到常用的光照太阳能电?的电流电压特性曲线，如图7所示。太阳能电池的电流电压特性曲线显示了通过太阳能电池(组件)传送的电流Im与电压Um在特定的太阳辐照度下的关系。 如果太阳能电池(组件)电路短路，即Uo，此时的电流为短路电流Isc如果电路开路，即I=o，此时的电压为开路电压Uoc太阳能电池(组件)的输出功率等于流经该电池(组件)的电流与电压的乘积，即PIU 当太阳能电池(组件)的电压上升时，例如通过增加负载的电阻值或电池(组件)的电压从0(短路条件下)开始增加时，电池(组件)的输出功率亦从0始增加；当电压达到一定值时，功率可达到最大，这时当阻值继续增加时，功率将跃过最大点，并逐渐减少至o，即电压达到开路电压Uoc。电池(组件)输出功率达到最大的点，称为最大功率点；该点所对应的电压，称为最大功率点电压Um，又称为最大工作电压；该点所对应的电流，称为最大功率点电流Im又称为最大工作电流；该点的功率，则称为最大功率Pm。 太阳能电池(组件)的输出功率取决于太阳辐照度、太阳光谱分布和太阳能电池(组件)的工作温度，因此太阳能电池(组件)的测量须在标准条件(STC)下进行，测量标准被欧洲委员会定义为101号标准，其条件是：光谱辐照度，1000Wm2光谱，AM1.5：电池温度，25。在该条件下，太阳能电池(组件)所输出的最大功率被称为峰值功率，在以瓦为计算单位时称为峰瓦，用符号W。表示。七 太阳能电池生产制造工艺 近些年来，全世界生产应用最多的太阳能电池是由单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池构成的晶体硅太阳能电池，其产量占到当前世界太阳能电池总产量的90以上。它们工艺技术成熟，性能稳定可靠，光电转换效率高，使用寿命长，已进人工业化大规模生产。因此，本节对地面用晶体硅太阳能电池的一般生产制造工艺进行介绍。 晶体硅太阳能电池生产制造工艺包括的内容范围有宽狭之分。宽的内容范围，包括硅材料的制备、太阳能电池的制造和太阳能电池组件的封装三个部分。狭的内容范围，仅包括太阳能电池的制造。下面按照宽的内容范围加以介绍，即不但包括太阳能电池的制造，还包括硅材料的制备和太阳能电池组件的封装。硅材料的制备八 太阳能电池的制造 制造晶体硅太阳能电池包括扩散制结、制作电极和蒸镀减反射膜3个主要工序。太阳能电池与其他半导体器件的主要区别，是需要一个大面积的浅结实现能量转换。电极用来输出电能。减反射膜的作用是使电池的输出功率进一步提高。为使电池成为有用的器件，在电池的制造工艺中还包括去除背结和腐蚀周边两个辅助工序，一般来说，结特性是影响电池光电转换效率的主要因素，电极除影响电池的电性能外还关乎电池的可靠性和寿命的长短。常规晶体硅太阳能电池的生产制造工艺流程如图14所示。(一)硅片的选择硅片是制造晶体硅太阳能电池的基本材料，它可以由纯度很高的硅棒、硅锭或硅带切割而成。硅材料的性质在很大程度上决定成品电池的性能。选择硅片 九、太阳能电池组件的封装 单体太阳能电池的输出电压、电流和功率都很小，一般来说，输出电压只有05V左右，输出功率只有12W，不能满足作为电源应用的要求。为提高输出功率，需将多个单体电池合理地连接起来，并封装成组件。在需要更大功率的场合，则需要将多个组件连接成为方阵，以向负载提供数值更大的电流、电压输出。太阳能电池的单体、组件和方阵，如图15所示。为保证组件在室外条件下使用2025a以上，必须要有良好的封装，以满足使用中对防风、防尘、防湿、防腐蚀等条件的要求。研究试验表明，电池的失效，问题往往出在组件的封装上，如：由于封装材料与电池分离，使光接触变坏，因而电池效率下降；由于密封不好，造成组件进入湿气；由于连接单体电池之间的导电带焊接工艺不当，造成焊接不牢或者助焊剂变色等。所以组件封装是整个太阳能电池生产制造的重要工艺，其成本约占总成本的13左右。对地面用硅太阳能电池组件的一般要求为：工作寿命长，应在2025a以上；有良好的封装和电绝缘性能；有足够的机械强度，能经受运输和使用中发生的振动、冲击和热应力；紫外辐照下的稳定性好；因组合引起的效率损失小；可靠性高，单体电池及互连条失效率小；封装成本低。 (一)组件单体电池的连接方式将单体电池连接起来主要有串联和并联两种方式，也可以同时采用这种方式而形成串、并联混合连接方式，如图16所示。如果每个单体电池的性能是一致的，多个单体电池的串联连接，可在不改变输出电流的情况下，使输出电压成比例的增加；并联连接方式，则可在不改变输出电压的情况下，使输出电流成比例的增加；而串、并联混合连接方式，则既可增加组件的输出电压，又可增加组件的输出电流。（二）组件的封装结构（三）组件的封装材料上盖板 黏结剂 底板 边框(四)组件封装的工艺流程 不同结构的组件有不同的封装工艺。平板式硅太阳能电池组件的封装工艺流程，如图17所示。可将这一工艺流程概述为：组件的中间是通过金属导电带焊接在一起的单体电池，电池上卞两侧均为EVA膜，最上面是低铁钢化白玻璃，背面是PVF复合膜。将各层材料按顺序叠好后，放人真空层压机内进行热压封装。最上层的玻璃为低铁钢化白玻璃，透光率高，而且经紫外线长期照射也不会变色。EVA膜中加有抗紫外剂和固化剂，在热压处理过程中固化形成具有一定弹性的保护层，并保证电池与钢化玻璃紧密接触。PVF复合膜具有良好的耐光、防潮、防腐蚀性能。经层压封装后，再于四周加上密封条，装上经过阳极氧化的铝合金边框以及接线盒，即成为成品组件。最后，要对成品组件进行检验测试，测试内容主要包括开路电压、短路电流、填充因子以及最大输出功率等。 硅片划片切割工艺概况 用激光来划片切割硅片是目前最为先进的，它使用精度高、而且重复精度也高、工作稳定、速度快、操作简单、维修方便。 激光最大输出W（可调）、激光波长为.m、切割厚度.mm、光源是用Nd：YAG晶体组成激光器、是单氪灯连续泵浦、声光调Q、并用计算机控制二维工作台可预先设定的图形轨迹作各种精确运动。 部件分析： 操作可分为外控与内控。 计算机操作系统有专用软件设立工作台划片步骤实现划片目标。 电源控制盒供应激光电源、Q电源驱动、水冷系统的输入电源进行分配及自控，当循环水冷系统出现故障时，自动断开激光电源及Q电源驱动盒的供电。 激光电源盒点燃氪灯的自动引燃恒流电源。 Q电源驱动盒产生射频信号并施加到Q开关晶体对激光进行有无控制和Q调制。 激光糸统氪灯将电能转化为光能，在聚光腔内反射到Nd：YAG晶体棒上，输出镜与全反镜组成光谐振腔，使光振荡放人形成激光，经反射镜与聚焦镜，到达加工工件表面。当光谐振镜片偏差或腔内各光学器件端面污染或氪灯老化，均会影响激光输出。 调Q晶体 Q电源驱动盒输出射频信号至调Q晶体，对激光进行偏转或调制，控制激光输出或关断，以提高激光的峰值功率。当调Q晶体略偏移或调Q工作电源太小，调Q效果会明显下降。 水循环系统 本机冷却用水建议使用去离子水或纯水，并应保持其纯净。 本机电光转换率3，极大部分电能会以热能形式由水循环冷却带走。旦无水循环冷却会立即损坏激光器，水循环系统可提供本机水循环功能。无水或水路堵塞时，会立即输出关机保护信号给电源控制盒，切断激光电源盒供电，同时报警提示灯(红灯)亮，以警示用户，同时会有蜂呜器发山蜂鸣声，以提示用户及时补充冷却水。9 压缩机制冷系统 本机采用优质变频控制压缩机制冷系统，可随时根据水循环系统中水温变化来控制压缩机自动变频工作，使水循环系统中水温能保持在一个极小范围内波动，从而保证本机能长时间稳定可靠的输出激光。一旦制冷系统出现问题，水温超出设备正常工作范围，本机报警提示灯(黄灯)亮，以警示用户及时检查。10 工件操作平台接收计算机控制信号，对工件精确移动定位，同时输出激光控制信号，确保激光对加工工件准确加工。11 外控操作模式12 开机步骤 (1) 确认2紧急制动旋钮处于正常状态，打开1电源开关。此时，报警提示灯(红灯)会点亮，以提示水路未循环：面板5电源指示灯点亮。 ( 2) 按住3水循环启动按钮并持续儿秒，可听到机器水循环启动声音，此时报警提示灯(红灯)会熄灭。等待510秒，冷却水充分循环后，6水循环指示灯点亮。 (3) 当6水循环指示灯点亮后，启动4制冷系统按钮，并等待7制冷系统指示灯点亮。 (4) 确认当8激光电源充电指示灯点亮后，按下激光电源12-氪灯启动按钮。此时，可观察到14氪灯电流显示表显示会暂时归零：此时氪灯延时5-6秒后，激光电源会自动点燃氪灯，14氪灯电流显示表会显示此时氪灯，电流为69A70A。 (5) 按F 15声光电源启动按钮。(6) 启动计算机，调出划片操作程序。(7) 确认：工作平台X，Y轴信号线连接无误，按F16：工作平台启动按钮。(8) 当工作平台复位自检正常，适当调：13氪灯电流调节旋钮，使氪灯电流至合适数值，即可开始工作。(9) 工作结束，按上述程序逆向关机。13 注意事项1、严禁无水或水循环不正常情况下，启动激光电源和调Q电源。2、不允许Q电源空载工作(即调Q电源输出注意事项)3、出现异常现象，首先关闭激光电源和电源开关再行检查。4、请勿在氪灯点燃前启动其它组件，以防止高压窜入!5、注意激光电源输出端(阳极)接线，以防止与其它电器间打火。6、更换氪灯后，应保证氪灯两端与电极接触良好，严禁松脱。7、保持机内循环冷却水干净，定期清洗水箱并更换干净去离子水或纯水。8、本机水循环水温设定需根据环境综合考虑，应尽量保证与环境温度温差不要太大