太阳能电池工艺培训资料

1太阳能电池的概念太阳能电池：就是将太阳能转化为电能的半导体器件2太阳能电池工艺流程制绒清洗扩散刻蚀去PSGPECVD丝网印刷烧结测试分档分选包装制绒和清洗4概述形成起伏不平的绒面，增加硅片对太阳光的吸收去除硅片表面的机械损伤层清除表面油污和金属杂质硅片表面处理的目的：5硅片表面的机械损伤层硅片机械损伤层6制绒：表面织构化单晶硅片表面的金字塔状绒面00.10.20.30.40.50.60.730040050060070080090010001100Wavelength(nm)Reflectancesmoothtexture单晶硅片表面反射率7绒面腐蚀原理利用低浓度碱溶液对晶体硅在不同晶体取向上具有不同腐蚀速率的各向异性腐蚀特性，在硅片表面腐蚀形成角锥体密布的表面形貌，就称为表面织构化。角锥体四面全是由〈111〉面包围形成。反应式为：Si+2KOH+H2O→K2SiO3+2H2↑8绒面光学原理制备绒面的目的：减少光的反射率，提高短路电流（Isc），最终提高电池的光电转换效率。陷光原理：当光入射到一定角度的斜面，光会反射到另一角度的斜面，形成二次或者多次吸收，从而增加吸收率。9绒面光学原理陷光原理图示：10影响绒面质量的关键因素1.KOH浓度2.异丙醇浓度3.制绒槽内硅酸钾的累计量4.制绒腐蚀的温度5.制绒腐蚀时间的长短6.槽体密封程度、异丙醇的挥发程度11化学清洗原理OH2SiFHHF6SiO2622HF去除硅片表面氧化层：HCl去除硅片表面金属杂质：盐酸具有酸和络合剂的双重作用，氯离子能与Pt2+、Au3+、Ag+、Cu+、Cd2+、Hg2+等金属离子形成可溶于水的络合物。12注意事项KOH、HCl、HF都是强腐蚀性的化学药品，其固体颗粒、溶液、蒸汽会伤害到人的皮肤、眼睛、呼吸道，所以操作人员要按照规定穿戴防护服、防护面具、防护眼镜、长袖胶皮手套。一旦有化学试剂伤害了员工的身体，马上用纯水冲洗30分钟，送医院就医。扩散太阳电池制造的核心工序14扩散的目的：形成PN结PN结——太阳电池的心脏15１．三氯氧磷（POCl3）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本公司目前采用的是第一种方法。太阳电池磷扩散方法16清洗饱和装片送片扩散关源，退舟方块电阻测量卸片磷扩散工艺过程17扩散装置示意图18POCl3磷扩散原理POCl3在高温下（600℃）分解生成五氯化磷（PCl5）和五氧化二磷（P2O5），其反应式如下：5POCl33PCl5+P2O5生成的P2O5在扩散温度下与硅反应，生成二氧化硅（SiO2）和磷原子，其反应式如下：2P2O5+5Si5SiO2+4P19在有氧气的存在时，POCl3热分解的反应式为：4POCl3+3O22P2O5+6Cl2POCl3分解产生的P2O5淀积在硅片表面，P2O5与硅反应生成SiO2和磷原子，并在硅片表面形成一层磷-硅玻璃，然后磷原子再向硅中进行扩散。POCl3磷扩散原理20由上面反应式可以看出，POCl3热分解时，如果没有外来的氧（O2）参与其分解是不充分的，生成的PCl5是不易分解的，并且对硅有腐蚀作用，破坏硅片的表面状态。但在有外来O2存在的情况下，PCl5会进一步分解成P2O5并放出氯气（Cl2）其反应式如下：生成的P2O5又进一步与硅作用，生成SiO2和磷原子，由此可见，在磷扩散时，为了促使POCl3充分的分解和避免PCl5对硅片表面的腐蚀作用，必须在通氮气的同时通入一定流量的氧气。2522510ClO2P5O4PCl2过量OPOCl3磷扩散原理21影响扩散的因素管内气体中杂质源的浓度扩散温度扩散时间22在太阳电池扩散工艺中，扩散层薄层电阻（方块电阻）是反映扩散层质量是否符合设计要求的重要工艺指标之一。方块电阻也是标志进入半导体中的杂质总量的一个重要参数。扩散层薄层电阻及其测量23方块电阻的定义考虑一块长为l、宽为a、厚为t的薄层如右图。如果该薄层材料的电阻率为ρ，则该整个薄层的电阻为当l=a（即为一个方块）时，R=ρ/t。可见，（ρ/t）代表一个方块的电阻，故称为方块电阻，特记为R□=ρ/t(Ω/□)R=ρ*l/(a*t)=ρ/t*l/a刻蚀刻蚀的目的：在扩散过程中，硅片表面和四周都生长一层PN结，若不去除边缘的PN结，制成的电池片因为边缘漏电而无法使用。扩散时硅片表面形成了一层磷硅玻璃，磷硅玻璃不导电，为了形成良好的欧姆接触，减少光的反射，在沉积减反射膜之前，必须把磷硅玻璃腐蚀掉。26湿法刻蚀原理:利用HNO3和HF的混合液体对硅片表面进行腐蚀,去除边缘的N型硅,使得硅片的上下表面相互绝缘。271）工序步骤刻边→碱洗→酸洗（去PSG）→吹干2）用到药品：HNO3，HF，KOH3）SPC:硅片各边的绝缘电阻1000欧姆刻蚀宽度：0.5-1.5um滚轮速度范围0.5～1.5m/min(注:前清洗速度最好不要超过1.35m/min，速度过快，一方面硅片清洗或吹不干净，PECVD容易出现白点片；另一方面碎片高，有时碎片会堵住喷淋口，清洗后出现脏片)4）去磷硅玻璃主要反应方程式1:SiO2+4HF=SiF4+2H2O2:SiF4+HF=H2SiF628刻蚀中容易产生的问题及检测方法:1.刻蚀不足：边缘漏电，并联电阻(Rsh)下降，严重可导致失效检测方法：测绝缘电阻2.过刻:正面金属栅线与P型硅接触,造成短路检测方法：称重及目测29什么是磷硅玻璃？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。PSiOSiOP4552252322524526POClOPOCl30磷硅玻璃的去除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去除磷硅玻璃工艺甩干清洗液配制装片开机投片清洗清洗液配制将各槽中破损硅片等杂质清除，用去离子水将各槽壁冲洗干净。1号槽中注入一半深度的去离子水，加入13瓶商品氢氟酸，再注入去离子水至溢流口下边缘。向2号槽中注满去离子水。装片经等离子刻蚀过的硅片，经检验合格后插入承片盒。注意，经过磷扩散处理的表面，面向承片盒的背面放置，严禁装反。每盒25片，扣好压条，装入包塑不锈钢提篮开机根据《磷腐槽操作规程》作业指导书打开电源、压缩空气、氮气和去离子水。设定1槽时间1分钟，2槽时间6分钟。投片清洗按照《磷腐槽操作规程》作业指导书的规定确定设备自动运行的前提条件都得到满足。将装满硅片的包塑不锈钢提篮推至0号位，按下控制板上“自动运行”按钮，设备即开始自动运行。甩干打开离心干燥机的电源、压缩空气、氮气和去离子水。根据下表所列工艺参数设置甩干机工作条件。将装有硅片的承片盒放入离心干燥机，按照设备操作规程进行离心干燥。循环1循环2温度℃N2压力(MPa)空气压力(MPa)SpeedTimeSpeedTime200RPM1分钟550RPM8分钟120℃0.5~0.70.5~0.737去除磷硅玻璃的目的：1)磷硅玻璃的存在使得硅片在空气中表面容易受潮，导致电流的降低和功率的衰减2)死层的存在大大增加了发射区电子的复合，会导致少子寿命的降低，进而降低了Voc和Isc。3)磷硅玻璃的存在使得PECVD后产生色差。38检验标准当硅片从HF槽出来时，观察其表面是否脱水，如果脱水，则表明磷硅玻璃已去除干净；如果表面还沾有水珠，则表明磷硅玻璃未被去除干净。当硅片从出料口流出时候，如果发现尾部有部分水珠，HF槽中可以适当补些HF。OH2SiFHHF6SiO2622去PSG原理：注意事项在配制氢氟酸溶液时，要穿好防护服，戴好防护手套和防毒面具。不得用手直接接触硅片和承载盒。当硅片在1号槽氢氟酸溶液中时，不得打开设备照明，防止硅片被染色。硅片在两个槽中的停留时间不得超过设定时间，防止硅片被氧化。SiNx:H减反射膜41SiNx: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H3PO442PECVD=PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition即“等离子增强型化学气相沉积”，是一种化学气相沉积PECVD是借助微波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。PECVD43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。本设备运行时会产生微波辐射，每次维护后和停机一段时间再开机前都要检测微波是否泄漏。44等离子体等离子体:由于物质分子热运动加剧,相互间的碰撞就会使气体分子产生电离,这样物质就会变成自由运动并由相互作用的正离子,电子和中性粒子组成的混合物45ＰＥＣＶＤ设备46ＰＥＣＶＤ的目的1）镀减反射薄膜(SiN)其具有卓越的抗氧化和绝缘性能,同时具有良好的阻挡钠离子和掩蔽金属离子和水蒸气扩散的能力,它的化学稳定性很好,除氢氟酸和热磷酸能缓慢腐蚀外,其它酸与它基本不起作用2）表面钝化作用保护半导体器件表面不受污染物质的影响,半导体表面钝化可降低半导体表面态密度3)钝化太阳电池的体内在SiN膜中存在大量的H,在烧结过程中会钝化晶体内部悬挂键47ＰＥＣＶＤ的原理3SiH4+4NH3→Si3N4+12H2↑3SiH4→SiH3+SiH2+SiH3+6H2NH3→NH2+NH+3H丝网印刷与烧结49丝网印刷原理丝网印刷是通过刮条挤压丝网弹性形变后将浆料漏印在需要印刷的材料上的一种印刷方式，这也是目前普遍采用的一种电池工艺。50电池片丝网印刷的三步骤背电极印刷及烘干浆料：Ag/Al浆如Ferro3398背电场印刷及烘干浆料：Al浆如Analogpase-12正面电极印刷浆料：Ag浆如DupontPV14751背面电极及电场图示52正面栅线图示53丝网印刷原理丝网印刷是把带有图像或图案的模版被附着在丝网上进行印刷的。通常丝网由尼龙、聚酯、丝绸或金属网制作而成。当承印物直接放在带有模版的丝网下面时，丝网印刷油墨或涂料在刮刀的挤压下穿过丝网中间的网孔，印刷到承印物上（刮刀有手动和自动两种）。丝网上的模版把一部分丝网小孔封住使得颜料不能穿过丝网，而只有图像部分能穿过，因此在承印物上只有图像部位有印迹。换言之，丝网印刷实际上是利用油墨渗透过印版进行印刷的，54烧结的目的干燥硅片上的浆料，燃尽浆料的有机组分，使浆料和硅片形成良好的欧姆接触。55烧结对电池片的影响相对于铝浆烧结，银浆的烧结要重要很多，对电池片电性能影响主要表现在串联电阻和并联电阻，即FF的变化。铝浆烧结的目的使浆料中的有机溶剂完全挥发，并形成完好的铝硅合金和铝层。局部的受热不均和散热不均可能会导致起包，严重的会起铝珠。背面场经烧结后形成的铝硅合金，铝在硅中是作为P型掺杂，它可以减少金属与硅交接处的少子复合，从而提高开路电压和短路电流，改善对红外线的响应。56安全事项灼热的表面有烫伤的危险危险电压有电击或烧伤的危险有害或刺激性粉尘、气体导致人身伤害设备运转时打开或移动固定件有卷入的危险57根据不同的电性能分档，以便于组件的制造。测试的目的581,吸收光子,产生电子空穴对2,电子孔穴对被内建电场分离,在PN结两端产生电势3,将PN结用导线连接,形成电流光生伏特效应59温度(T)25±2℃光强(E)1000±50W/㎡光谱分布:AM1.5电性能测试条件60太阳电池电性能参数Isc:短路电流Voc:开路电压Impp最大电流Vmpp最大电压Pmpp：最大功率Rs