太阳能电池制造工艺

1太阳能电池制造工艺制绒-刻蚀-镀膜2培训内容•制绒•清洗•刻蚀•去PSG•镀膜3制绒的作用•去除损伤层•形成减反射绒面（陷光结构）•单晶绒面为金字塔结构,多晶为蜂窝状结构4单晶制绒:超声清洗装片粗抛（去除表面损伤）制绒（形成绒面）清洗HCl（去金属离子）HF（去除氧化物）清洗干燥清洗5硅的晶体结构金刚石结构6硅的晶向7单晶制绒的原理各向异性目前太阳能电池所用硅片均为100面8•NaOH（氢氧化钠）•IPA（乙丙醇）•Na2SiO3（硅酸钠单晶制绒所需的化学药品9化学原理：Si+2NaOH+H2O→Na2SiO3+2H2↑Na2SiO3+H2O→H2SiO3+OH-Na2SiO3→(Na2O)x·(SiO2)y10时间和浓度对粗抛效果影响：024681012020406080100120140160180200t(s)d(um)10%15%20%30%35%时间30-180，浓度10%-35%11原材料硅片粗抛后绒面12绒面结构的二次吸收13腐蚀量和腐蚀速率随时间变化：00.10.20.30.40.50.60.70.80.91010203040506070minum/min05101520253035010203040506070etchtime(min)um14多晶制绒:装片制绒（形成绒面）碱洗水洗酸洗（HF/HCl）水洗扩散制绒机干燥水洗1516化学原理硅被HNO3氧化，反应为：用HF去除SiO2层，反应为：总反应为：4NOO2H3SiO4HNO3Si223O2H][SiFH6HFSiO26224NOO8H][SiF3HHF814HNO3Si262317工艺控制•所需药品HNO3（硝酸）HF（氢氟酸）•溶液的浓度度•溶液的温度•腐蚀时间18清洗19清洗•盐酸（HCl）的作用：去除金属离子去除表面残留的碱溶液•氢氟酸（HF）的作用去除氧化物生成疏水的表面20安全防护•盐酸强酸性易挥发•氢氟酸强腐蚀性易挥发•防护措施防护面罩耐酸碱手套21等离子体刻蚀22注意事项•单面扩散的硅片要注意正反面，镀膜面为扩散面，如果镀膜在另一面印刷时会在电池的扩散面印刷铝背场，在烧结时铝会穿过并破坏PN结23等离子刻蚀目的24什么是等离子体？•随着温度的升高，一般物质依次表现为固体、液体和气体。它们统称为物质的三态。•如果温度升高到10e4K甚至10e5K，分子间和原子间的运动十分剧烈，彼此间已难以束缚，原子中的电子因具有相当大的动能而摆脱原子核对它的束缚，成为自由电子，原子失去电子变成带正电的离子。这样，物质就变成了一团由电子和带正电的的离子组成的混合物。这种混合物叫等离子体。它可以称为物质的第四态。25等离子体的产生26等离子体刻蚀原理•等离子体刻蚀是采用高频辉光放电反应，使反应气体激活成活性粒子，如原子或游离基，这些活性粒子扩散到需刻蚀的部位，在那里与被刻蚀材料进行反应，形成挥发性生成物而被去除。它的优势在于快速的刻蚀速率同时可获得良好的物理形貌。•这种腐蚀方法也叫做干法腐蚀。27等离子体刻蚀反应28•首先，母体分子CF4在高能量的电子的碰撞作用下分解成多种中性基团或离子。•其次，这些活性粒子由于扩散或者在电场作用下到达SiO2表面，并在表面上发生化学反应。•生产过程中，CF4中掺入O2，这样有利于提高Si和SiO2的刻蚀速率。它们的离子以及CF,CF,,CF,CFCF23e429等离子体刻蚀工艺•装片在待刻蚀硅片的两边，分别放置一片与硅片同样大小的玻璃夹板，叠放整齐，用夹具夹紧，确保待刻蚀的硅片中间没有大的缝隙。将夹具平稳放入反应室的支架上，关好反应室的盖子。30工艺设置片数气体流量气压（Pa）辉光功率（瓦）反射功率CF4（sccm）O2(sccm)200-30020020100500-7000工艺步骤预抽主抽送气辉光清洗充气31•边缘刻蚀控制短路形成途径由于在扩散过程中，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。此短路通道等效于降低并联电阻。控制方法对于不同规格的硅片，应适当的调整辉光功率和刻蚀时间使达到完全去除短路通道的效果。32刻蚀工艺不当的影响LIDIshRsRedger33在等离子体刻蚀工艺中，关键的工艺参数是射频功率和刻蚀时间。•刻蚀不足：电池的并联电阻会下降。•射频功率过高：等离子体中离子的能量较高会对硅片边缘造成较大的轰击损伤，导致边缘区域的电性能变差从而使电池的性能下降。在结区（耗尽层）造成的损伤会使得结区复合增加。34•刻蚀时间过长：刻蚀时间越长对电池片的正反面造成损伤影响越大，时间长到一定程度损伤不可避免会延伸到正面结区，从而导致损伤区域高复合。•射频功率太低：会使等离子体不稳定和分布不均匀，从而使某些区域刻蚀过度而某些区域刻蚀不足，导致并联电阻下降。35检验方法•冷热探针法冷热探针法测导电型号36检验原理•热探针和N型半导体接触时，传导电子将流向温度较低的区域，使得热探针处电子缺少，因而其电势相对于同一材料上的室温触点而言将是正的。•同样道理，P型半导体热探针触点相对于室温触点而言将是负的。•此电势差可以用简单的微伏表测量。•热探针的结构可以是将小的热线圈绕在一个探针的周围，也可以用小型的电烙铁。37检验操作及判断1.确认万用表工作正常，量程置于200mV。2.冷探针连接电压表的正电极，热探针与电压表的负极相连。3.用冷、热探针接触硅片一个边沿不相连的两个点，电压表显示这两点间的电压为正值，说明导电类型为P型，刻蚀合格。相同的方法检测另外三个边沿的导电类型是否为P型。4.如果经过检验，任何一个边沿没有刻蚀合格，则这一批硅片需要重新装片，进行刻蚀。38等离子刻蚀注意点•单面扩散在镀膜结束前绝对不能搞混正反面•刻蚀前要保证硅片边缘对齐•辉光过程注意实际输出功率和反射功率以及辉光颜色39•在扩散过程中发生如下反应：•POCl3分解产生的P2O5淀积在硅片表面，P2O5与Si反应生成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。什么是磷硅玻璃？PSiOSiOP4552252322524526PClOPOCl40•氢氟酸能够溶解二氧化硅是因为氢氟酸能与二氧化硅作用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。•总反应式为：O2HSiF4HFSiO242][SiFH2HFSiF624O2H][SiFH6HFSiO262241PECVDPECVD=PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition即“等离子增强型化学气相沉积”，是一种化学气相沉积，其它的有HWCVD，LPCVD，MOCVD等。PECVD是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。42工艺流程•上料—加热-镀膜-冷却—下料43PECVD原理PECVD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（或另加发热体）使样品升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体，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。PECVD方法区别于其它CVD方法的特点在于等离子体中含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的激活能。电子与气相分子的碰撞可以促进气体分子的分解、化合、激发和电离过程，生成活性很高的各种化学基团，因而显著降低CVD薄膜沉积的温度范围，使得原来需要在高温下才能进行的CVD过程得以在低温下实现。44CVD各工艺条件的比较其它方法的沉积温度：APCVD—常压CVD，700-1000℃LPCVD—低压CVD，750℃，0.1mbar对比PECVD—300-450℃，0.1mbar45PECVD的特点PECVD的一个基本特征是实现了薄膜沉积工艺的低温化（450℃）。因此带来的好处：节省能源，降低成本提高产能减少了高温导致的硅片中少子寿命衰减46PECVD种类PECVD的种类：直接式—基片位于一个电极上，直接接触等离子体（低频放电10-500kHz或高频13.56MHz）间接式—基片不接触激发电极（如2.45GHz微波激发等离子）47PECVD种类直接式的PECVD48PECVD种类间接式的PECVD49PECVD种类•间接PECVD的特点：在微波激发等离子的设备里，等离子产生在反应腔之外，然后由石英管导入反应腔中。在这种设备里微波只激发NH3，而SiH4直接进入反应腔。间接PECVD的沉积速率比直接的要高很多，这对大规模生产尤其重要。50SiNx:H简介正常的SiNx的Si/N之比为0.75，即Si3N4。但是PECVD沉积氮化硅的化学计量比会随工艺不同而变化，Si/N变化的范围在0.75-2左右。除了Si和N，PECVD的氮化硅一般还包含一定比例的氢原子，即SixNyHz或SiNx:H。51SiNx:H简介物理性质和化学性质：结构致密，硬度大能抵御碱金属离子的侵蚀介电强度高耐湿性好耐一般的酸碱，除HF和热H3PO452SiNx在太阳电池中的应用SiNx的优点：优良的表面钝化效果高效的光学减反射性能（厚度和折射率匹配）低温工艺（有效降低成本）含氢SiNx:H可以对mc-Si提供体钝化53减反射原理（干涉）•为了使第一次反射和第二次反射光最弱他们的相干应该是相位差为半波长的奇数倍•/2=2nd•d=4/n54减反射原理（界面反射）•在可见光段可以简化为•氮化硅最佳透射折射率为空气和硅折射率乘积的平方根2222)1()1(knkn22)1()1(nnsinnn055硅的n,k与光子能量关系56半导体吸收系数57相关公式•h=6.63×10^-34普朗克常数58太阳光谱59膜厚和折射率的选择•硅的禁带宽度是1.12eV，对应于1100nm的电磁波•太阳光谱相当于6000K黑体的光谱，能量峰值在600nm左右•所以减反射中心应该在600nm•单晶硅太阳能电池氮化硅膜厚度75-80nm折射率为2.05的氮化硅薄膜，薄膜为深蓝色60钝化技术对于Mc—Si，因存在较高的晶界、点缺陷（空位、填隙原子、金属杂质、氧、氮及他们的复合物）对材料表面和体内缺陷的钝化尤为重要，除前面提到的吸杂技术外，钝化工艺一般分表面氧钝化和氢钝化。表面氧钝化：通过热氧化使硅悬挂键饱和是一种比较常用的方法，可使Si-SiO2界面的复合速度大大下降，其钝化效果取决于发射区的表面浓度、界面态密度和电子、空穴的俘获截面。在氢气氛围中退火可使钝化效果更加明显。61钝化技术氢钝化：钝化硅体内的悬挂键等缺陷。在晶体生长中受应力等影响造成缺陷越多的硅材料，氢钝化的效果越好。氢钝化可采用离子注入或等离子体处理。在多晶硅太阳电池表面采用PECVD法镀上一层氮化硅减反射膜，由于硅烷分解时产生氢离子，对多晶硅可产生氢钝化的效果。应用PECVDSi3N4可使表面复合速度小于20cm/s。62安全事项使用和维护本设备时必须严格遵守操作规程和安全规则，因为：本设备的工艺气体为SiH4和NH3，二者均有毒，且SiH4易燃易爆。设备工艺运行前和停止运行后要并对管路进行气体置换63开关机顺序•开机—{开排气系统—开加热—工艺气体置换—}{镀膜}{—关闭加热—气体置换—关闭排气系统}—关机