3《光伏材料加工工艺》

3 3 光伏材料加工工艺光伏材料加工工艺 光伏材料加工工艺 实践报告专业学生姓名准考证号指导教师年 月目录 一 实践目的光伏材料是指能将太阳能直接转换成电能的材料 光伏材料又称太阳电池材料 只有半导体材料具有这种功能 可做太阳电池材料的材料有单晶硅 多晶硅 非晶硅 GaAs GaAlA s InP CdS CdTe等 用于空间的有单晶硅 GaAs InP 用于地面已批量生产的有单晶硅 多晶硅 非晶硅 本实践课程的主要目的就是学习光伏材料的加工工艺 掌握光伏材 料加工的流程 二 单晶硅太阳能电池简介单晶硅太阳能电池 是以高纯的单晶硅棒 为原料的太阳能电池 是当前开发得最快的一种太阳能电池 它的构造和生产工艺已定型 产品已广泛用于空间和地面 为了降低生产成本 现在地面应用的太阳能电池等采用太阳能级的 单晶硅棒 材料性能指标有所放宽 有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料 经过复 拉制成太阳能电池专用的单晶硅棒 单晶硅太阳能电池将单晶硅棒切成片 一般片厚约0 3毫米 硅片经过抛磨 清洗等工序 制成待加工的原料硅片 加工太阳能电池片 首先要在硅片上掺杂和扩散 一般掺杂物为微 量的硼 磷 锑等 扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行 这样就硅片上形成P N结 然后采用丝网印刷法 精配好的银浆印在硅片上做成栅线 经过烧 结 同时制成背电极 并在有栅线的面涂覆减反射源 以防大量的 光子被光滑的硅片表面反射掉 因此 单晶硅太阳能电池的单体片就制成了 单体片经过抽查检验 图1单晶硅太阳能电池的基本结构即可按所需 要的规格组装成太阳能电池组件 太阳能电池板 用串联和并联 的方法构成一定的输出电压和电流 最后用框架和材料进行封装 用户根据系统设计 可将太阳能电池组件组成各种大小不同的太阳 能电池方阵 亦称太阳能电池阵列 目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15 左右 实验室成果也有 20 以上的 单晶硅太阳能电池的基本结构如图1所示 三 太阳能电池片的化学清洗工艺切片要求 切割精度高 表面平 行度高 翘曲度和厚度公差小 断面完整性好 消除拉丝 刀痕和微裂纹 提高成品率 缩小刀 钢丝 切缝 降低原材料损耗 提高切割速度 实现自动化切割 具体来说太阳能硅片表面沾污大致可分为三类 1 有机杂质沾污可通过有机试剂的溶解作用 结合兆声波清洗技术 来去除 2 颗粒沾污运用物理的方法可采机械擦洗或兆声波清洗技术来去除 粒径 0 4 m颗粒 利用兆声波可去除 0 2 m颗粒 3 金属离子沾污该污染必须采用化学的方法才能将其清洗掉 硅片表面金属杂质沾污又可分为两大类 沾污离子或原子通过吸附 分散附着在硅片表面 带正电的金属离子得到电子后面附着 尤如 电镀 到硅片表 面 金属离子沾污的清楚方法如下 用H2O2作强氧化剂 使 电镀 附 着到硅表面的金属离子氧化成金属 溶解在清洗液中或吸附在硅片 表面 用无害的小直径强正离子 如H在硅片表面的金属离子 使其溶解 于清洗液中 从而清除金属离子 用大量去离子水进行超声波清洗 以排除溶液中的金属离子 由于SC 1是H2O2和NH4OH的碱性溶液 通过H2O2的强氧化和NH4OH的溶解作用 使有机物沾污变成水溶性化合物 随去离子水的冲洗而被排除 同时溶液具有强氧化性和络合性 能氧化Cr Cu Zn Ag Ni Co Ca Fe Mg等 使其变成高价离子 然后进一步与碱作用 生成 可溶性络合物而随去离子水的冲洗而被去除 因此用SC 1液清洗抛光片既能去除有机沾污 亦能去除某些金属沾污 在使用SC 1液时结合使用兆声波来清洗可获得更好的清洗效果 另外SC 2是H2O2和HCL的酸性溶液 具有极强的氧化性和络合性 能与氧化 以前的金属作用生成盐随去离子水冲洗而被去除 被氧化的金属离子与CL用生成的可溶性络合物亦随去离子水冲洗而 被去除 一般用HCL作为H 的 替代吸附 作 四 太阳能电池片制作工艺流程图太阳能电池片制作工艺流程如图2 所示 图2晶体硅太阳能电池片制作工艺流程具体的制作工艺说明 1 切片采用多线切割 将硅棒切割成正方形的硅片 2 清洗用常规的硅片清洗方法清洗 然后用酸 或碱 溶液将硅 片表面切割损伤层除去30 50um 3 制备绒面用碱溶液对硅片进行各向异性腐蚀在硅片表面制备绒 面 4 磷扩散采用涂布源 或液态源 或固态氮化磷片状源 进行扩 散 制成PN 5 周边刻蚀扩散时在硅片周边表面形成的扩散层 会使电池上下 电极短路 用掩蔽湿法腐蚀或等离子干法腐蚀去除周边扩散层 6 去除背面PN 7 制作上下电极用真空蒸镀 化学镀镍或铝浆印刷烧结等工艺 先制作下电极 然后制作上电极 铝浆印刷是大量采用的工艺方法 8 制作减反射膜为了减少入反射损失 要在硅片表面上覆盖一层 减反射膜 制作减反射膜的材料有MgF2 SiO2 Al2O3 SiO Si3N4 TiO2 Ta 2O5等 工艺方法可用真空镀膜法 离子镀膜法 溅射法 印刷法 PECVD法 或喷涂法等 9 烧结将电池芯片烧结于镍或铜的底板上 10 测试分档按规定参数规范 测试分类 生产电池片的工艺比较复杂 一般要经过硅片检测 表面制绒 扩 散制结 去磷硅玻璃 等离子刻蚀 镀减反射膜 丝网印刷 快速 烧结和检测分装等主要步骤 这里介绍的是晶硅太阳能电池片生产的一般工艺与设备 1 硅片检测硅片是太阳能电池片的载体 硅片质量的好坏直接决定 了太阳能电池片转换效率的高低 因此需要对来料硅片进行检测 该工序主要用来对硅片的一些技术参数进行在线测量 这些参数主 要包括硅片表面不平整度 少子寿命 电阻率 P N型和微裂纹等 该组设备分自动上下料 硅片传输 系统整合部分和四个检测模块 其中 光伏硅片检测仪对硅片表面不平整度进行检测 同时检测硅片 的尺寸和对角线等外观参数 微裂纹检测模块用来检测硅片的内部 微裂纹 另外还有两个检测模组 其中一个在线测试模组主要测试 硅片体电阻率和硅片类型 另一个模块用于检测硅片的少子寿命 在进行少子寿命和电阻率检测之前 需要先对硅片的对角线 微裂 纹进行检测 并自动剔除破损硅片 硅片检测设备能够自动装片和卸片 并且能够将不合格品放到固定 位置 从而提高检测精度和效率 结 结深一般为0 3 0 5um 结 常用湿法腐蚀或磨片法除去背面PN 结 2 表面制绒单晶硅绒面的制备是利用硅的各向异性腐蚀 在每平方 厘米硅表面形成几百万个四面方锥体也即金字塔结构 由于入射光在表面的多次反射和折射 增加了光的吸收 提高了电 池的短路电流和转换效率 硅的各向异性腐蚀液通常用热的碱性溶液 可用的碱有氢氧化钠 氢氧化钾 氢氧化锂和乙二胺等 大多使用廉价的浓度约为1 的氢氧化钠稀溶液来制备绒面硅 腐蚀 温度为70 85 为了获得均匀的绒面 还应在溶液中酌量添加醇类如乙醇和异丙醇 等作为络合剂 以加快硅的腐蚀 制备绒面前 硅片须先进行初步表面腐蚀 用碱性或酸性腐蚀液蚀 去约20 25 m 在腐蚀绒面后 进行一般的化学清洗 经过表面准备的硅片都不宜在水中久存 以防沾污 应尽快扩散制 结 3 扩散制结太阳能电池需要一个大面积的PN结以实现光能到电能的 转换 而扩散炉即为制造太阳能电池PN结的专用设备 管式扩散炉主要由石英舟的上下载部分 废气室 炉体部分和气柜 部分等四大部分组成 扩散一般用三氯氧磷液态源作为扩散源 把P型硅片放在管式扩散炉的石英容器内 在850 900摄氏度高温下使用氮气将三氯氧磷带入石英容器 通过三氯氧磷 和硅片进行反应 得到磷原子 经过一定时间 磷原子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 形成了N型半导体和P型半导体的 交界面 也就是PN结 这种方法制出的PN结均匀性好 方块电阻的不均匀性小于百分之十 少子寿命可大于10ms 制造PN结是太阳电池生产最基本也是最关键的工序 因为正是PN结的形成 才使电子和空穴在流动后不再回到原处 这 样就形成了电流 用导线将电流引出 就是直流电 4 去磷硅玻璃该工艺用于太阳能电池片生产制造过程中 通过化学 腐蚀法也即把硅片放在氢氟酸溶液中浸泡 使其产生化学反应生成 可溶性的络和物六氟硅酸 以去除扩散制结后在硅片表面形成的一 层磷硅玻璃 在扩散过程中 POCL3与O2反应生成P2O5淀积在硅片表面 P2O5与Si反应又生成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 去磷硅玻璃的设备一般由本体 清洗槽 伺服驱动系统 机械臂 电气控制系统和自动配酸系统等部分组成 主要动力源有氢氟酸 氮气 压缩空气 纯水 热排风和废水 氢氟酸能够溶解二氧化硅是因为氢氟酸与二氧化硅反应生成易挥发 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 5 等离子刻蚀由于在扩散过程中 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 因此 必须对太阳能电池周边的掺杂硅进行刻蚀 以去除电池边缘 的PN结 通常采用等离子刻蚀技术完成这一工艺 等离子刻蚀是在低压状态下 反应气体CF4的母体分子在射频功率的 激发下 产生电离并形成等离子体 等离子体是由带电的电子和离子组成 反应腔体中的气体在电子的 撞击下 除了转变成离子外 还能吸收能量并形成大量的活性基团 活性反应基团由于扩散或者在电场作用下到达SiO2表面 在那里与 被刻蚀材料表面发生化学反应 并形成挥发性的反应生成物脱离被 刻蚀物质表面 被真空系统抽出腔体 6 镀减反射膜抛光硅表面的反射率为35 为了减少表面反射 提高 电池的转换效率 需要沉积一层氮化硅减反射膜 现在工业生产中常采用PECVD设备制备减反射膜 PECVD即等离子增强型化学气相沉积 它的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 利用辉光放电使样品升温到预定的温度 然后通 入适量的反应气体SiH4和NH3 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即氮化硅薄膜 一般情况下 使用这种等离子增强型化学气相沉积的方法沉积的薄 膜厚度在70nm左右 这样厚度的薄膜具有光学的功能性 利用薄膜干涉原理 可以使光的反射大为减少 电池的短路电流和 输出就有很大增加 效率也有相当的提高 7 丝网印刷太阳电池经过制绒 扩散及PECVD等工序后 已经制成P N结 可以在光照下产生电流 为了将产生的电流导出 需要在电池 表面上制作正 负两个电极 制造电极的方法很多 而丝网印刷是目前制作太阳电池电极最普遍 的一种生产工艺 丝网印刷是采用压印的方式将预定的图形印刷在基板上 该设备由 电池背面银铝浆印刷 电池背面铝浆印刷和电池正面银浆印刷三部 分组成 其工作原理为利用丝网图形部分网孔透过浆料 用刮刀在丝网的浆 料部位施加一定压力 同时朝丝网另一端移动 油墨在移动中被刮刀从图形部分的网孔中挤压到基片上 由于浆料的粘性作用使印迹固着在一定范围内 印刷中刮板始终与 丝网印版和基片呈线性接触 接触线随刮刀移动而移动 从而完成 印刷行程 8 快速烧结经过丝网印刷后的硅片 不能直接使用 需经烧结炉快 速烧结 将有机树脂粘合剂燃烧掉 剩下几乎纯粹的 由于玻璃质 作用而密合在硅片上的银电极 当银电极和晶体硅在温度达到共晶温度时 晶体硅原子以一定的比 例融入到熔融的银电极材料中去 从而形成上下电极的欧姆接触 提高电池片的开路电压和填充因子两个关键参数 使其具有电阻特 性 以提高电池片的转换效率 烧结炉分为预烧结 烧结 降温冷却三个阶段 预烧结阶段目的是使浆料中的高分子粘合剂分解 燃烧掉 此阶段 温度慢慢上升 烧结阶段中烧结体内完成各种物理化学反应 形成 电阻膜结构 使其真正具有电阻特性 该阶段温度达到峰值 降温 冷却阶段 玻璃冷却硬化并凝固 使电阻膜结构固定地粘附于基片 上 9 外围设备在电池片生产过程中 还需要供电 动力 给水 排水 暖通 真空 特汽等外围设施 消防和环保设备对于保证安全和持续发展也显得尤为重要 一条年产50MW能力的太阳能电池片生产线 仅工艺和动力设备用电 功率就在1800KW左右 工艺纯水的用量在每小时15吨左右 水质要求达到中国电子级水GB T11446 1 1997中EW 1级技术标准 工艺冷却水用量也在每小时15吨左右 水质中微粒粒径不宜大于10 微米 供水温度宜在15 20 真空排气量在300M3 H左右 同时 还需要大约氮气储罐20立方米 氧气储罐10立方米 考虑到特殊气体如硅烷的安全因素 还需要单独设置一个特气间 以绝对保证生产安全 另外 硅烷燃烧塔 污水处理站等也是电池片生产的必备设施 五 太阳能电池组件封装工艺流程组件线又叫封装线 封装是太阳 能电池生产中的关键步骤 没有良好的封装工艺 多好的电池也生 产不出好的组件板 电池的封装不仅可以使电池的寿命得到保证 而且还增强了电池的 抗击强度 产品的高质量和高寿命是赢得可客户满意的关键 所以组件板的封 装质量非常重要 太阳能电池组件封装工艺流程如下电池检测 正面焊接 检验 背 面串接 检验 敷设 玻璃清洗 材料切割 玻璃预处理 敷设 层压 去毛边 去边 清洗 装边框 涂胶 装角键 冲孔 装 框 擦洗余胶 焊接接线盒 高压测试 组件测试 外观检验 包装入库在这里简单的介绍一下工艺的作用 1 电池测试由于电池片制作条件的随机性 生产出来的电池性能不 尽相同 所以为了有效的将性能一致或相近的电池组合在一起 所 以应根据其性能参数进行分类 电池测试即通过测试电池的输出参 数 电流和电压 的大小对其进行分类 以提高电池的利用率 做出质量合格的电池组件 2 正面焊接是将汇流带焊接到电池正面 负极 的主栅线上 汇流 带为镀锡的铜带 我们使用的焊接机可以将焊带以多点的形式点焊 在主栅线上 焊接用的热源为一个红外灯 利用红外线的热效应 焊带的长度约为电池边长的2倍 多出的焊带在背面焊接时与后面的电池片的背面电极相连 3 背面串接背面焊接是将36片电池串接在一起形成一个组件串 我 们目前采用的工艺是手动的 电池的定位主要靠一个膜具板 上面 有36个放置电池片的凹槽 槽的大小和电池的大小相对应 槽的位 置已经设计好 不同规格的组件使用不同的模板 操作者使用电烙 铁和焊锡丝将 前面电池 的正面电极 负极 焊接到 后面电池 的背面电极 正极 上 这样依次将36片串接在一起并在组件串 的正负极焊接出引线 4 层压敷设背面串接好且经过检验合格后 将组件串 玻璃和切割 好的EVA 玻璃纤维 背板按照一定的层次敷设好 准备层压 玻璃事先涂一层试剂 primer 以增加玻璃和EVA的粘接强度 敷设时保证电池串与玻璃等材料的相对位置 调整好电池间的距离 为层压打好基础 敷设层次由下向上玻璃 EVA 电池 EVA 玻璃纤维 背板 5 组件层压将敷设好的电池放入层压机内 通过抽真空将组件内的 空气抽出 然后加热使EV