第六章标准硅太阳能电池工艺

1、第六章第六章 标准硅太阳能电池工艺标准硅太阳能电池工艺 制造电池标准工艺 一. 硅材料准备。 二. 硅片制造。 三. 太阳能电池片制造。 四. 封装成太阳能电池组件。一一.硅材料准备硅材料准备硅（Silicon）：原子序数14，IVA族，硅在宇宙中的储量排在第八位。硅以化合物形式存在于在地壳中，是含量仅次于氧的第二丰富元素 （27.7%）。 性状：具有明显的金属光泽，呈灰色。结晶型的硅是暗黑蓝色的，很脆，是典型的半导体。具有金刚石的晶体结构。 熔点：熔点：1687 K（1414 C） 沸点：沸点：3173 K（2900 C）硅料按照纯度分类： （1）冶金级硅（工业硅，金属硅） （98%99%）

2、 （2）半导体级硅 （99.999%以上）5N以上 （3）太阳能级硅 6N （4）电子级硅 9N （5）超纯硅 11N（1）. 由石英砂到冶金级硅（98%99%）在电弧炉中石英砂与木炭高温还原反应： SiO2+2CSi+2CO（2）.冶金级硅到太阳能级硅（99.9999%）6N a. 四氯化硅法：（能耗大，材料利用率低） Si+2Cl2 SiCl4，蒸馏， SiCl4+2H2 Si+4HCl b.改良西门子法：（在太阳能级多晶硅制备中应用最广） Si+3HClSiHCl3+H2 SiHCl3+ H2 Si+3HCl c. 硅烷法：(成本高）Si+2Mg Mg2Si（+NH4Cl） SiH4 S

3、i二二.硅片制造硅片制造（1）. 太阳能级硅制备成单晶硅棒。 a.直拉单晶法：（多晶硅融化，掺杂B，拉出圆柱形单晶硅，直径12.5cm，长度1-2m）.b.区熔法：将多晶硅缓慢穿过高功率金属线圈，融化结晶，形成单晶（纯度高，成本高）。（2）. 切片，化学腐蚀修复机械损伤。三三.单晶硅太阳能电池片制造单晶硅太阳能电池片制造（1）超）超声波声波清洗清洗 设备要求：稳定性好，精确度高（温度、时间），操作方便（换水方便）。（2）表面腐蚀）表面腐蚀 工艺目的：去除表面损伤层和部分杂质。 工艺原理：利用硅在浓NaOH溶液中的各向同性腐蚀除去损伤层。 Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2 工艺条

4、件；生产常用NaOH溶液质量分数为20%左右，温度855，时间0.23min 具体据原始硅片的厚度和表面损伤情况而定。（3）制作绒面）制作绒面 目的；制作绒面，减少反射，提升硅片对光吸收效率。 原理；利用Si在稀NaOH溶液中的各向异性腐蚀，在硅片表面形成无数个36微米的金字塔结构，这样光照在硅片表面便会经过多次反射和折射，增加了对光的吸收。 条件；生产常用NaOH质量分数1%左右，Na2SiO3 1.5%2%，乙醇或异丙醇每次约加200400ml(50L混合液）。温度855,时间1545min，具体工艺据硅片种类、减薄后厚度和上次生产情况而定。 质量目标：绒面后硅片表面颜色深灰无亮点、均匀、

5、气泡印小，无篮脚印、白花等现象。400倍显微镜下大小符合标准，倒金字塔结构均匀。表面绒面化表面绒面化 由于硅片用由于硅片用P P型（型（100100）硅片，）硅片，可利用氢氧化钠溶液对单晶硅可利用氢氧化钠溶液对单晶硅片进行各向异性腐蚀的特点来片进行各向异性腐蚀的特点来制备绒面。当各向异性因子制备绒面。当各向异性因子1010时（所谓各向异性因子就时（所谓各向异性因子就是（是（100100）面与（）面与（111111）面单晶）面单晶硅腐蚀速率之比），可以得到硅腐蚀速率之比），可以得到整齐均匀的金字塔形的角锥体整齐均匀的金字塔形的角锥体组成的绒面。组成的绒面。绒面具有受光面绒面具有受光面积大，反射率

6、低的特点。可提积大，反射率低的特点。可提高单晶硅太阳电池的短路电流，高单晶硅太阳电池的短路电流，从而提高太阳电池的光电转换从而提高太阳电池的光电转换效率效率。 金字塔形角锥体的表面积金字塔形角锥体的表面积S0S0等于等于四个边长为四个边长为a a正三角形正三角形S S之和之和 由此可见有绒面的受光面积比光由此可见有绒面的受光面积比光面提高了倍即面提高了倍即1.7321.732倍。倍。20a3a23a214S绒面受光面积绒面受光面积 当一束强度为当一束强度为E0E0的光投射到图中的的光投射到图中的A A点，产生反射光点，产生反射光1 1和进和进入硅中的折射光入硅中的折射光2 2。反射光。反射光1

7、 1可以继续投射到另一方锥的可以继续投射到另一方锥的B B点，点，产生二次反射光产生二次反射光3 3和进入半导体的折射光和进入半导体的折射光4 4；而对光面电池就；而对光面电池就不产生这第二次的入射。经计算可知还有不产生这第二次的入射。经计算可知还有11%11%的二次反射光可能的二次反射光可能进行第三次反射和折射，由此可算得绒面的反射率为进行第三次反射和折射，由此可算得绒面的反射率为9.04%9.04%。绒面反射率绒面反射率（4）扩）扩散散 目的；形成PN结。 原理；（POCl3液态源高温扩散），POCl3在高温下经过一系列化学反应生成单质P，P在高温下扩散进入硅片表面，与本已经掺B的硅形成P

8、N结。 4POCl3+3O22P2O5+6Cl2 2P2O5+5Si5SiO2+4P 扩散炉扩散炉 设备要求： 精确度高可准确控制反应管的实际工艺温度 和气流量。用于长时间连续工作、高精度、高稳定性、自动控制。 （5）刻）刻蚀蚀 目的；去除周边短路环和磷硅玻璃。 原理：在辉光放电条件下，CF4和O2生成等离子体，交替对周边作用，使周边电阻增大。 CF4C4+4F- O22O2- F+SiSiF4 SiF4挥发性高，随即被抽走。 工艺条件：CF4O2=101 板流：0.350.4A 板压：1.52KV 压强：80120Pa 刻蚀时间：1016min质量目标;刻边电阻大于5K，刻边宽度12mm间。

9、等离子体刻蚀机等离子体刻蚀机 设备要求：工艺重复性好，刻蚀速度快、均匀性好 。密封性能好、操作安全（6）表面镀膜）表面镀膜 PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ） 目的：表面钝化和减少光的反射，降低载流子复合速度和增加光的吸收。 原理：硅烷与氨气反应生成氮化硅淀积在硅片表面形成减反射膜。反应过程中有大量的氢离子注入，使硅片中悬挂键饱和，达到表面钝化和体钝化的目的，有效降低了载流子的复合，提高了电池的短路电流和开路电压。 SiH4+NH3Si3N4+10H2SiN钝化与钝化与APCVD淀积淀积TiO2 钝化发射区钝化发射区: :热氧化生

10、长一层热氧化生长一层10nm25nm厚厚SiOSiO2 2, ,使表面层使表面层非晶化非晶化, , 使表面趋于稳定使表面趋于稳定, ,减少了发射区表面复合减少了发射区表面复合, ,提高了提高了太阳电池对蓝光的响应太阳电池对蓝光的响应, ,增加了短路电流密度增加了短路电流密度Jsc,Jsc, 减少了减少了反向饱和电流密度反向饱和电流密度, ,从而提高了太阳电池开路电压从而提高了太阳电池开路电压VocVoc。在此基础上，生长在此基础上，生长TiOTiO2 2减反射膜。减反射膜。 TiOTiO2 2减反射膜是用减反射膜是用APCVDAPCVD(atmospheric pressure CVD)设备生

11、长设备生长的的, ,它通过钛酸异丙脂与纯水产生水解反应来生长它通过钛酸异丙脂与纯水产生水解反应来生长TiOTiO2 2薄膜。薄膜。 折射率：折射率： SiSi3 3N N4 4 1.9 1.9， TiOTiO2 2 2.3 (100nm 2.3 (100nm）反射率）反射率4.0%4.0%PECVD（德）工艺步骤及条件（德）工艺步骤及条件 工艺步骤：分17步。进舟慢抽真空快抽真空调压恒温恒压检漏调压淀积淀积淀积抽真空稀释尾气清洗抽真空抽真空充氮退舟。 条件：温度480，淀积压强200Pa，射频功率1800W，抽空设定压强0.5pa，进出舟设定15%。 质量目标：淀积后表面颜色深蓝且均匀。管式管

12、式PECVD 设备要求：管内气氛均匀、恒温区温度均匀稳定。气路系统、工艺管、真空系统密封可靠，使用安全 。工艺稳定性和重复性好，精确度高，射频频率稳定。（7）电极印）电极印刷刷 目的；印刷电极和背场，使电流能够输出，提升电池转换效率。 原理：给硅片表面印刷一定图形的银浆或铝浆，通过烧结后形成欧姆接触，使电流有效输出。正面电极通常印成栅线状，是为了克服扩散层的方块电阻且使光线有较高的透过率。背面电极布满大部分或整个背面，目的是克服由于电池串联而引起的电阻。丝网印刷工艺步骤及要求丝网印刷工艺步骤及要求 工艺步骤：背极（银浆） 烘干背场（铝浆） 烘干栅极（银浆) 烘干(金属掩膜法，光刻法）。 要求：

13、背极厚度小于20微米，烘干温度设定160 200。 背场厚度2035微米，具体根据片源而定。烘干温度160240，具体根据浆料确定。 栅极要求印刷图案完整、清晰、均匀、对称，无 漏浆及较大断线。烘干温度160240，具体据浆料确定。丝网印刷机丝网印刷机印刷达标的电池片印刷达标的电池片（8）烧）烧结结 目的：形成烧结合金和欧姆接触及去除背结。 原理： 烧结合金是指高温下金属和硅形成的合金，主要有正栅的银硅合金、背场的铝硅合金、背电极的银铝合金。 烧结过程实际上是一个高温扩散过程，是一个对硅掺杂的过程，需加热到铝硅共熔点（577）以上。经过合金化后，随着温度的下降，液相中的硅将重新凝固出来，形成含

14、有少量铝的结晶层，它补偿了N层中的施主杂质，从而得到以铝为受主杂质的P层，达到了消除背结的目的。烧结工艺条件烧结工艺条件 烧结工艺较为灵活，设定时应考虑以下因素： 烧结炉的特点，如烧结温区数目，高温区长度，带速设定等等。 原始硅片的电阻率。 绒面后硅片厚度。 扩散后方块电阻 印刷背场厚度。网带式烧结炉网带式烧结炉 设备要求：网带运行平稳、温度均匀、可温度均匀、可靠性高。节能靠性高。节能环保，气流稳环保，气流稳定，能提供理定，能提供理想燃烧环境且想燃烧环境且及时排出废气。及时排出废气。太阳能电池片结构太阳能电池片结构 太阳能电池分为单晶电池和多晶电池，但是它们的结构基本一样，都有以下部分组成单晶

15、电池多晶电池铝硅形成背面硅基体扩散层蓝色氮化硅绒面表面主栅线表面细栅线电池片测试 主要测试太阳电池的基本特性：主要测试太阳电池的基本特性： 开路电压开路电压VOC、短路电流、短路电流ISC、填充因子、填充因子FF、能量转换效率、能量转换效率。 FF为电池的填充因子为电池的填充因子(Filling Factor), 它定义为电池具有最大输出功率它定义为电池具有最大输出功率(Pm,)时的电流时的电流(Ipm)和电压和电压(Vpm)的乘积与电池的短路电流和开路电压乘积的比值，的乘积与电池的短路电流和开路电压乘积的比值， 较高较高 的的 短短 路路电流和开路电压是产生较高能量转换效率的基础。如果两个电

16、池电流和开路电压是产生较高能量转换效率的基础。如果两个电池的短路电流和开路电压完全相同，制约其效率大小的参数就是填的短路电流和开路电压完全相同，制约其效率大小的参数就是填充因子。充因子。 能量转换效率是光电池的最重要性能指标，它为光电池将入射能量转换效率是光电池的最重要性能指标，它为光电池将入射光能量转换成电能的效率。光能量转换成电能的效率。四四.太阳能电池封装成电池组件太阳能电池封装成电池组件电池组件电池组件定义： 具有外部封装及内部连接、能单具有外部封装及内部连接、能单独提供直流电输出的最小不可分割的太阳能电池独提供直流电输出的最小不可分割的太阳能电池组合装置，组合装置，即即多个单体太阳能

17、电池互联封装后成多个单体太阳能电池互联封装后成为组件。为组件。 作用：作用： 单个太阳能电池（单个太阳能电池（125mm2）往往因为输出电）往往因为输出电压太低（压太低（0.55V），输出电流不合适（），输出电流不合适（4.5A），），晶体硅太阳能电池本身又比较脆，不能独立抵御晶体硅太阳能电池本身又比较脆，不能独立抵御外界恶劣条件，因而在实际使用中需要把单体太外界恶劣条件，因而在实际使用中需要把单体太阳能电池进行串、并联，并加以封装，接出外连阳能电池进行串、并联，并加以封装，接出外连电线，成为可以独立作为光伏电源使用的电线，成为可以独立作为光伏电源使用的太阳能太阳能电池组件电池组件(Solar

18、 Module或或PV Module，也称光，也称光伏组件伏组件)。太。太 光伏组件输出：光伏组件输出：12V or 24 V ，8*9片片 or 8*12 片，片，180W or 230 W. 太阳能电池组件生产流程太阳能电池组件生产流程 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。 流程： 1、电池检测、电池检测(分片分片)2、正面焊接、正面焊接检验检验3、背面、背面串接串接检验检验4、叠层

19、（玻璃清洗、材料（、叠层（玻璃清洗、材料（TPT、EVA）检验、玻璃预处理、敷设）检验、玻璃预处理、敷设） 5、中道检验（过程检、中道检验（过程检验）验）6、层压（去毛边）、层压（去毛边）7、装边框（涂胶、装、装边框（涂胶、装角键、冲孔、装框、擦洗余胶）角键、冲孔、装框、擦洗余胶）8、焊接接线盒、焊接接线盒9、高压测试、高压测试10、组件测试、组件测试11、外观检验、外观检验12、包、包装入库装入库 1.1.电池检验（分片）电池检验（分片） 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

20、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 2.2.正面焊接正面焊接 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。 3.3.背面串接背面串接 背面串接：背面焊接是将72片电池串接在一起形成一个组件串，电池的定位主要靠一个膜具板，上面有72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

21、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72片串接在一起并在组件串的正负极焊接出引线。 4 4 叠层叠层 叠层：背面串接好且经过检验合格后，将组件串、钢化玻璃和切割好的EVA、背板（TPT）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、背板TPT）。 封装结构图电池片玻璃 采用厚度为3.2mm0.2mm低铁钢化绒面玻璃(又称为白玻璃)。在太阳电池光谱响应的波长

22、范围内(320-1100nm)透光率达91%以上。 采用加有抗紫外剂、抗氧化剂和固化剂的厚度为0.5mm的EVA （乙烯与醋酸乙烯脂的共聚物）（乙烯与醋酸乙烯脂的共聚物）膜层作为封粘材封粘材料。料。EVA是一种热融胶粘剂，常温下无粘性而具抗粘性，以便操作，经过一定条件热压便发生熔融粘接与交联固化，并变的完全透明。固化后的EVA能承受大气变化且具有弹性，它将晶体硅片组“上盖下垫”，将硅晶片组包封，并和上层保护材料玻璃，下层保护材料TPT（聚氟乙烯复合膜），利用真空层压技术粘合为一体。 TPT（聚氟乙烯复合膜），用在组件背面，作为背面保护（聚氟乙烯复合膜），用在组件背面，作为背面保护封装材料。厚度封装材料。厚度0.17mm0.35mm，5 5 中道检验（过程检验）中道检验（过程检验） 中道检验：过程检验 层压前检验人员负责对层叠好后待压组件进行100%目检 检验范围在观察架区域。要求在观察架上无组件检验时可在层叠区域观察层叠员工是否按标准操作（存在过程检验） 发现问题时，请在“中检工序检查记录表”上清楚记录。如有异常问题，请及时反馈,并使相关人员进行返工处理 保