硅电池生成工艺基础知识

硅电池生成工艺基础知识

一、光伏理论知识

1.1光生伏特效应：

1839年，法国Becqueral第一次发现，在光照条件下，某些系统的两端具有电

压，用导线将两端连接起来后，有电流输出，这就是光生伏特效应

(photovoltaics,简称PV)。

1954年，贝尔试验室Chapin等人开发出效率为6%日勺单晶硅太阳电池，现代硅

太阳电池时代从此开始。

L2太阳能电池的应用

太阳能电池在航空航天、工农业、生活中随地可见。

神州五号飞船上的太阳能帆板

太阳能飞行器光伏供电的通信基站

太阳能充电器太阳能路灯

L3太阳能电池的分类

太阳能电池日勺分类，如图示。

单晶硅多晶硅

二.硅太阳能电池工作原理与构造

2.1太阳能电池发电的原理

太阳能电池发电的原理重要是半导体的光电效应。当光线照射太阳电池表面时,

一部分光子被硅材料吸取；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成

为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的

作用下，将会有电流流过外部电路产生一定时输出功率。这个过程日勺实质是：

光子能量转换成电能的过程。

2.2硅（半导体）材料中P-N结的形成

硅材料是一种半导体材料，太阳能电池发电的原理重要就是运用这种半导

体的光电效应。一般半导体的分子构造是这样的：图1中，正电荷表达硅原子,

负电荷表达围绕在硅原子旁边的四个电子。当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼

（黑色或银灰色固体，熔点2300℃,沸点3658℃,密度2.34克/厘米，硬度仅

次于金刚石，在室温下较稳定，可与氮、碳、硅作用，高温下硼还与许多金属

和金属氧化物反应，形成金属硼化物。这些化合物一般是高硬度、耐熔、高导

电率和化学惰性的物质。)、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在一种空

穴。

在图2中，正电荷表达硅原子，负电荷表达围绕在硅原子旁边的四个电子，而

黄色的表达掺入的硼原子，由于硼原子周围只有3个电子，因此就会产生如图

所示的蓝色的空穴，这个空穴由于没有电子而变得很不稳定，轻易吸取电子而

中和，形成P(positive)型半导体。(在半导体材料硅或错晶体中掺入三价

元素杂质可构成缺壳粒的P型半导体，掺入五价元素杂质可构成多出壳粒的N

型半导体。)

同样，掺入磷原子后来，由于磷原子有五个电子，因此就会有一种电子变得非

常活跃，形成N(negative)型半导体。黄色日勺为磷原子核，红色日勺为多出的

电子，如图2所示。

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P型半导体中具有较多的空穴，而N型半导体中具有较多日勺电子，这样，当P

型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。

当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导为日勺交界面区域里会形成一种

特殊日勺薄层，界面日勺P型一侧带负电，N型一侧芍正电。这是由于P型半导体

多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。P区的空穴会自发扩散到N区,

N区日勺电子会自发扩散到P区，由于电子和空穴的相向，本来展现电中性的P

型半导体在界面附近就富集负电荷（由于一部分空穴扩散到N区去了），类似的，

本来展现电中性的N型半导体在界面附近就富集正电荷（由于一部分电子扩散到

P区去了），这样就形成了一种有N指向P的“内电场”，从而制止电子和空穴

扩散时进行。到达平衡后，就形成了这样一种特殊的薄层形成电势差，从而形

成PN结。当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区

中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形

成电势差，这就形成了电源。下面就是这样的电源图。

由于半导体不是电日勺良导体，电子在通过p-n结后假如在半导体中流动，电阻

非常大，损耗也就非常大。但假如在上层所有涂上金属，阳光就不能通过，电

流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖p-n结（如图梳状电极），以增长入

射光的面积。

此外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池运用。为此，科学

家们给它涂上了一层反射系数非常小时保护膜（如图），实际工业生产基本都

是用化学气相沉积沉积一层氮化硅膜，厚度在1000埃左右。将反射损失减小到

5%甚至更小。一种电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将诸多电

池（一般是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。

三、硅片生产工艺

3.1硅片生产措施

单晶硅硅棒生产措施

目前单晶硅硅棒生产措施重要有CZ法（直拉法），FZ法（区熔法）。

（1）CZ法是运用旋转着日勺籽晶从母病中的熔体中提拉制备出单晶的措施，又

称直拉法。目前国内太阳电池单晶硅硅片生产厂家大多采用这种技术。

（2）区域熔化是对锭条的一部份进行熔化，熔化的部分称为熔区，当熔区从头

到尾移动一次后，杂质随熔区移到尾部。运用这种措施可以进行多次提纯，一

次一次移动熔区以到达最佳的提纯效果，但由于液固相转变温度高，能耗大，

多次区熔提纯成本高。区熔法有水平区熔和悬浮区熔，前者重要用于错提纯及

生长错单晶，硅单晶的生长则重要采用悬浮区熔法，生长过程中不使用增埸，

熔区悬浮于多晶硅棒和下方生长出的单晶之间。由于悬浮区熔时，熔区呈悬浮

状态，不与任何物质接触，因而不会被沾污。此外，由于硅中杂质的分凝效应

和蒸发效应，可获得高纯单晶硅。目前航天领域用时太阳电池所用硅片重要用

这种方式生长。

多晶硅锭生产措施

多晶硅锭生产措施重要有浇铸、热互换法及布里曼法、电磁铸锭法这三种。

（1）浇铸法将熔炼及凝固分开，熔炼在一种石英砂炉衬日勺感应炉中进行，

熔融日勺硅液浇入一种石墨模型中，石墨模型置于一种升降台上，周围用电隹加

热，然后以Imm/min的速度下降。其特点是熔化和结晶在两个不一样的培墉中

进行，这种生产措施可以实现半持续化生产，其溶化、结晶、冷却分别位于不

一样的地方，可以有效提高生产效率，减少能源消耗。缺陷是由于熔融和结晶

使用不一样的母墉，会导致二次污染，此外由于有用墉翻转机构及引锭机构，

使得其构造相对较复杂。

10

5.红外测温仪

6.上部腔体

7.扶梯

8.下部腔体

9.机架

10.红外测温仪

11.氮气控制器

12.上部镰作台

13.真空压力控制装置

14.电源箱

浇筑法硅锭炉示意图

（2）热互换法及布里曼法都是把熔化及凝回置于同一增埸中（防止了二

次污染），其中热互换法是将硅料在培炳中熔化后，在卅埸底部通冷却水或冷

气体，在底部进行热量互换，形成温度梯度，促使晶体定向生长。下图为一种

使用热互换法日勺结晶。炉示意图该炉型采用顶底加热，在熔化过程中，底部用

一种可移动日勺热开关绝热，结晶时则将它移开以便将卅埸底部的热量通过冷却

台带走，从而形成温度梯度。

石墨绝热材料

顶部加热源

底部热源支持台

冷■却台热开关

热互换法结晶炉炉内构造示意图

（3）电磁铸锭法日勺特点是不使用增埸，硅料通过加料装置进入加热区，通过感

应加热使硅料熔融，当硅液向下移离开加热区后，结晶生长，如此通过不停加

料，不停将结晶好的硅锭往下移，就可以实现持续生长，锭子高度可达1〜

2mo但用这种措施生产日勺硅锭晶粒尺寸小，横截面小，因此容量也不大。

3.2单晶和多晶硅锭的比较

单晶和多晶硅锭的生长措施比较

单晶的转换效率高，但产能低、能耗大；多晶日勺转换效率相对较低，但能

耗低、产能大，适合于规模化生产。

单晶日勺FZ及CZ措施与多晶定向凝固生长措施日勺比较如下表所示

序号单晶多晶

1原材料纯度规定高可用单晶硅头尾料、单晶硅等

2每公斤硅锭能耗高能耗低

3生产效率低生产效率高

4提纯效果稳定、高提纯效果视热场而定，多种炉型最

纯效果不一样，有的甚至很低

5转换效率高比单晶硅低约1.5%"2%

6圆形需切割成准方形方形

7高度和现行线切割机线网宽度配和现行线切割机线网宽度不匹配，

合程度好未充足发挥线切割机功能

3.2.2单晶硅与多晶硅的外观比较

多晶硅硅片相对于单晶硅硅片，有明显的多晶特性，表面有一种个晶粒形状,

而单晶硅硅片表面颜色一致。

单晶硅硅片由于使用硅棒原因，四角有圆形大倒角，而多晶硅硅片一般采用小

倒角。

单晶硅硅片多晶硅硅片

3.3CZ法（直拉法）生产单晶硅工艺流程

单晶直径在生长过程中可受到温度，提拉速度与转速，出塌跟踪速度与转速,

保护气体日勺流速等原因的影响。其中温度重要决定能否成晶，而速度将直接影

响到晶体的内在质量，而这种影响却只能在单晶拉出后通过检测才能获知，温

度分布合适的热场，不仅单晶生长顺利，并且品质较高；假如热场的温度分布

不是很合理，生长单晶日勺过程中轻易产生多种缺陷，影响质量，状况严重的出现

变晶现象生长不出来单晶。因此在投资单晶生长企业的前期，一定要根据生长

设备，配置出最合理的热场，从而保证生产出来的单晶日勺品质。

11）炉传，日括石芟切格.石手均堪.加诺左桀处秆.炉壁..

〔2）晶娥用培拉升旋鞋机椅，包括把1a央线.吊线及拉升旋修元件.

（3）气氛压力控制，包甚、体液是拄制.真空居施及压力头就阕，

（4）抬别不统；包括侪刻感括器及小躺捽制东坛•

直拉单晶炉及其基本原理

单晶硅硅棒生成生成过程单晶炉

单晶硅硅棒

3.4多晶硅硅片加工工艺流程

生烟内装料继续K晶

熔化并开始K晶

破锭

上角凝固

铸锭完成

O

电池片工艺

切片多晶硅片

1.装炉（装料）

2.加热溶化硅材料（16〜21h）

3.生长（0.2mm/min,22~27h）

4.退火处理（3~4h）

5.停炉冷却（8~13h）

硅片的检测

尺寸：边长、对角、厚度、倒角

性能：导电类型、少子寿命、电阻率、

外观：硅片外观、包装外观

3.5晶体硅太阳电池生产的工艺流程

硅片清洗等离子刻蚀去磷硅玻璃

如1仇£

检测分级口烧结c—I丝网印刷—I减反射膜制

3.5.1晶体化学表面处理（清洗制绒）

硅片机械损伤层

约10微米

清洗

在硅片的切割生产过程中会形成厚度达10微米左右日勺损伤层，且也许引入某些

金属杂质和油污。假如损伤层清除局限性，残存缺陷在后续的高温处理过程中

向硅片深处继续延伸，会影响到太阳电池日勺性能。

清洗日勺目日勺：（1）清除硅片表面日勺机械损伤层；（2）清除表面油污和金属杂

质；（3）形成起伏不平日勺绒面，减小太阳光日勺反射。

单晶硅片的清洗采用碱液腐蚀的技术，碱液与硅反应生成可溶于水日勺化合物,

同步在表面形成“金字塔”状的绒面构造。多晶硅片的清洗则采用酸液腐蚀技

术，酸液与硅反应生成可溶于水的化合物，同步形成的绒面构造是不规则的半

球形或者蚯蚓状的“凹陷”。

(1)工序环节

制绒f碱洗(去多孔硅，中和酸)f酸洗一吹干

(2)SPC4-6微米

(3)常用物品：HN03.HF,HCL

制绒工序最忌讳日勺就是污染，可清除硅片表面金属离子(Fe,Au,Mg,Ca)、油

污、手指印。

磷扩散

磷扩散原理

把P型硅片放在一种石英容器内，同步将含磷日勺气体通入这个石英容器内，

并将此石英容器加热到一定的温度，这时施主杂质磷可从化合物中分解出来,

在容器内充斥着含磷的蒸汽，在硅片周围包围着许许多多的含磷的分子。磷化

合物分子附着到硅片上生成磷原子。由于硅片的原子之间存在空隙，使磷原子

能从四面进入硅片日勺表面层，并且通过硅原子之间的空隙向硅片内部渗透扩

散。

假如扩散进去的磷原子浓度高于P型硅片本来受主杂质浓度，就使得?型

硅片靠近表面日勺薄层转变成为n型，n型硅和p型硅交界处就形成了pn结。

磷扩散的目的：（1）制备太阳电池日勺关键:p-n结；（2）吸除硅片内部的部分金属

杂质。

磷扩散的措施：（1）三氯氧磷（P0C13）液态源扩散（2）喷涂磷酸水溶

液后链式扩散（3）丝网印刷磷浆料后链式扩散

目前行业上普遍采用第一种措施，这种措施具有生产效率较高，得到的pn结均

匀、平整和扩散层表面良好等长处，非常适合制作大面积的太阳电池。

POCk在高温下（>60（TC）分解生成五氯化磷（PC15）和五氧化二磷（P。）：

POCI3>600度►PCI5+P2O5

生成的P2O5又深入与硅作用，生成Si02和磷原子，这一层物质叫做磷-硅玻璃

（psg）,然后磷原子再向硅中进行扩散。

2P205+5Si-----------►5SiO2+4P

POC13液态源扩散措施具有生产效率较高，得到PN结均匀、平整和扩散层表面

良好等长处，这对于制作具有大面积结的太阳电池是非常重要日勺。

背面及周围刻蚀

扩散后的硅片除了表面的一薄层n型硅外，在背面以及周围均有n型硅薄层,

而晶体硅太阳电池实际只需要表面日勺n型硅，因此须清除背面以及周围的n型

硅薄层。背面以及周围刻蚀的措施：酸液腐蚀（湿法刻蚀）、等离子体刻蚀

（干法刻蚀）。刻蚀中轻易产生的问题日勺：刻蚀局限性导致电池的并联电咀下

降；过度刻蚀引起正面金属栅线与P型硅接触,导致短路。

背面以及周围刻蚀日勺目日勺：（1）清除硅片背面和周围的pn结；（2）清除表面

的磷硅玻璃。磷硅玻璃是扩散过程中的反应产物：一层含磷原子的二氧化硅。

PECVD镀氮化硅（SiN）薄膜

PECVD（PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition即"等离子增强型

化学气相沉积”，是一种化学气相沉积日勺镀膜技术）借助微波或射频等使具有

薄膜构成原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子化学活性很强，很

轻易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。等离子体中具有大量高能量的

电子，它们可以提供化学气相沉积过程所需日勺激活能，大大减少薄膜沉积所需

的温度。SiN薄膜作为减反射膜可减小入射光日勺反射；在SiN薄膜的沉积过程

中，反应产物氢原子进入到SiN薄膜内以及硅片内，起到了钝化缺陷的作生。

n型硅

p型硅

PECVD

SiZ薄膜

太阳电池表面的深蓝色SiN薄膜

SiN薄膜的物理性质和化学性质：构造致密，硬度大；能抵御碱金属离子的

侵蚀；介电强度高；耐湿性好；耐一般口勺酸碱，除HF和热113Po4。

PECVD的长处：节省能源，减少成本；提高产能；减少了高温导致日勺硅片中少

子寿命衰减；PECVD日勺一种基本特性是实现了薄膜沉积工艺的低温化

(<450℃)o

丝网印刷与烧结

SiZ薄月莫

n型础

p型石圭

E|J届I

银浆料

银铝浆料