太阳能电池片生产工艺

1、技术部技术部 电池片生产培训电池片生产培训 工艺流程工艺流程 清洗制绒 扩散 刻蚀 去磷硅 PECVD 印刷烧结 测试 清清 洗洗 制制 绒绒 影响绒面质量因素 化学清洗原理 安全注意事项 硅片表面处理的目的：硅片表面处理的目的： 形成起伏不平的绒面，增加硅片对形成起伏不平的绒面，增加硅片对 太阳光的吸收太阳光的吸收 去除硅片表面的机械损伤层去除硅片表面的机械损伤层 清除表面油污和金属杂质清除表面油污和金属杂质 绒面腐蚀原理绒面腐蚀原理 利用酸溶液对晶体硅在不同晶体取向上具有相同腐 蚀速率的各向同性异性腐蚀特性，在硅片表面腐蚀形 成类虫洞一样的绒面结构，就称为表面织构化。 绒面形成原理绒面形成

2、原理 l绒面的密度和它们的几何特征同时影响着太阳电池的 陷光效率和前表面产生反射损失的最低限。尺寸一般 控制在315微米。 影响绒面质量的关键因素影响绒面质量的关键因素 1.反应温度 2.溶液浓度 3.反应时间的长短 4.槽体密封程度 关键因素的分析关键因素的分析 溶液的影响溶液的影响 l制绒液中的HF、HNO3两者浓度比例决定着溶液的腐 蚀速率和绒面成情况。 l溶液温度恒时，保持HF的浓度不变，发现增加HNO3的 浓度，硅片表面发暗，绒面细小，密集，但黑丝很多， 表面复合加大。 l相反在溶液温度恒时，保持HNO3的浓度不变增加HF的 浓度时，硅片表面发亮，绒面成气泡状，整体向抛光 方向发展

3、NaOH、HNO3、HF 、 HCL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。 对磷扩散的认识 l半导体特性 l什么叫扩散 l扩散的目的 l扩散的方式 对磷扩散的认识半导体特性 硅太阳电池生产中常用的几种元素:硅（Si）、 磷（P）、硼（B）元素的原子结构模型如下： 第三层第三层4个电子个电子 第二层第二层8个电子个电子 第一层第一层2个电子个电子 Si +14 P +15 B 最外层最外层5个电子个电子 最外层最

4、外层3个电子个电子 si P B 对磷扩散的认识半导体特性 硅晶体内的共价键 硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接 在一起。硅原子的4个价电子和它相邻的4个原子 组成4对共有电子对。这种共有电子对就称为 “共价键”。 对磷扩散的认识半导体特性 硼（B）是三族元素，原子的最外层有三个 价电子，硼原子最外层只有三个电子参加共价 键，在另一个价键上因缺少一个电子而形成一 个空位，邻近价键上的价电子跑来填补这个空 位，就在这个邻近价键上形成了一个新的空位， 我们称这个空位叫“空穴”。 对磷扩散的认识半导体特性 空键空键 接受电子接受电子 空穴空穴 P型半导体（受主掺杂）型半导体（受主掺杂）-接受自由

5、电子接受自由电子 对磷扩散的认识半导体特性 磷（P）是五族元素，原子的最外层有五个 价电子，磷原子最外层五个电子中只有四个参 加共价键，另一个不在价键上，成为自由电子， 失去电子的磷原子是一个带正电的正离子，正 离子处于晶格位置上，不能自由运动，它不是 载流子。 对磷扩散的认识半导体特性 多余电子多余电子 N型半导体（施主掺杂）型半导体（施主掺杂）-提供自由电子提供自由电子 对磷扩散的认识-什么叫扩散什么叫扩散 太阳能电池的心脏是一个PN结。PN结是不 能简单地用两块不同类型（p型和n型）的半导体 接触在一起就能形成的。要制造一个PN结，必 须使一块完整的半导体晶体的一部分是P型区域， 另一部

6、分是N型区域。也就是在晶体内部实现P 型和N型半导体的接触。 对磷扩散的认识-什么叫扩散什么叫扩散 制造PN结，实质上就是想办法使受主杂质 （P型），在半导体晶体内的一个区域中占优势， 而使施主杂质（N型）在半导体内的另外一个区 域中占优势，这样就在一块完整的半导体晶体中 实现了P型和N型半导体的接触 。 对磷扩散的认识-什么叫扩散什么叫扩散 制作太阳电池的硅片是P型的，也就是说在制 造硅片时，已经掺进了一定量的硼元素，使之成 为P型的硅片。如果我们把这种硅片放在一个石 英容器内，同时对此石英容器内加热到一定温度， 并将含磷的气体通入这个石英容器内，这时施主 杂质磷可从化合物中分解出来，在容器

7、内充满着 含磷的蒸汽。 对磷扩散的认识-什么叫扩散什么叫扩散 在硅片周围包围着许许多多的磷的分子，因 此磷原子能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。在 有磷渗透的一面就形成了N型，在没有渗透的一 面是原始P型的， 这样就达到了在硅片内部形 成了所要的PN结。-这就是所说的扩散。 PN结结太阳电池的心脏太阳电池的心脏 扩散的目的：形成PN结 太阳电池磷扩散方法太阳电池磷扩散方法 三氯氧磷（POCl3）液态源扩散 喷涂磷酸水溶液后链式扩散 丝网印刷磷浆料后链式扩散 目前采用的是第一种方法。 扩散装置示意图扩散装置示意图 总体结构分为四大部分： 控制部分 推舟净化部

8、 电阻加热炉部分 气源部分 排 风 气源柜 炉体 柜 计算机控 制柜 推舟 机构 排废口 净化操作 台 总电源进 线 进气 扩散装置示意图扩散装置示意图 扩散炉气路系统 压缩空气 O2N2N2 影响扩散的因素影响扩散的因素 l管内气体中杂质源的浓度 l扩散温度 l扩散时间 POCl3 简介简介 POCl3是目前磷扩散用得较多的一种杂质源 l无色透明液体，具有刺激性气味。如果纯度不 高则呈红黄色。 l比重为1.67，熔点2，沸点107，在潮湿空气 中发烟。 lPOCl3很容易发生水解，POCl3极易挥发。升温 下与水接触会反应释放出腐蚀有毒易燃气体。 POCl3 简介简介 lPOCl3液态源扩散

9、方法具有生产效率较高，得到 PN结均匀、平整和扩散层表面良好等优点，这对 于制作具有大面积结的太阳电池是非常重要的。 等离子体刻蚀 l等离子体的原理及应用 l等离子刻蚀原理 l等离子刻蚀过程及工艺控制 l检验方法及原理 什么是等离子体？什么是等离子体？ l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。 l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

10、物叫。它可以称为物质的第四 态。 等离子体的产生等离子体的产生 等离子体刻蚀原理等离子体刻蚀原理 l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 。（这是各向同性反应） l这种腐蚀方法也叫做干法腐蚀。 等离子体刻蚀反应等离子体刻蚀反应 l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。 l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。 l生产过程中，C

11、F4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,CFCF 23 e 4 等离子体刻蚀工艺等离子体刻蚀工艺 l装片 在待刻蚀硅片的两边，分别放置一片与 硅片同样大小的塑料夹板，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。 l工艺参数设置 负载容量 （片） 工作气体流量（sccm） 气压 （Pa） 辉光功率 （W） 反射功率 （W） CF4O2N2 80035080120150600-8004以下 工作阶段时间（分钟）辉光颜色 预抽主抽充气辉光充气 腔体内呈乳白色，腔 壁处呈淡紫色 1-3

12、0秒12262 *可根据生产实际做相应的调整 边缘刻蚀控制边缘刻蚀控制 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。 刻蚀工艺不当的影响刻蚀工艺不当的影响 L I D I sh R s R edge r 刻蚀时间 l刻蚀时间不足：电池的并联电阻会下降。 l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

13、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。 检验操作及判断检验操作及判断 1.确认万用表工作正常，量程置于200mV。 去除磷硅玻璃去除磷硅玻璃 l在扩散过程中发生如下反应： lPOCl3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： l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？什么是磷硅玻璃？ PSiOSiOP4552 252 32252 4526PClOPOCl 磷硅玻璃的去除磷硅玻璃的去除 l氢氟酸是无色透明的液体，具有较弱的酸性、 易挥发性和很强的腐蚀性。但氢氟酸具有一个 很重要的特性是它能

14、够溶解二氧化硅，因此不 能装在玻璃瓶中。 l在半导体生产清洗和腐蚀工艺中，主要就利用 氢氟酸的这一特性来去除硅片表面的二氧化硅 层。 l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。 l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。 l总反应式为： O2HSiF4HFSiO 242 SiFH2HFSiF 624 O2HSiFH6HFSiO 2622 注意事项注意事项 l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。 l不得用手直接接触硅片和承载盒。 l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

15、色。 l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。 检验标准检验标准 l当硅片从1号槽氢氟酸中提起时，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。 l甩干后，抽取两片硅片，在灯光下目测：表面 干燥，无水迹及其它污点。 SiNx:H减反射膜减反射膜 PECVD技术技术 目录目录 v SiNx:H简介 v SiNx:H在太阳电池中的应用 v PECVD原理 v光学特性和钝化技术 v系统结构及安全事项 SiNx:H简介简介 v正常的SiNx的Si/N之比为0.75，即Si3N4。 v但是PECVD沉积氮化硅的化学计量

16、比会 随工艺不同而变化，Si/N变化的范围在 0.75-2左右。 v除了Si和N，PECVD的氮化硅一般还包含 一定比例的氢原子 v即SixNyHz或SiNx:H。 SiNx:H简介简介 v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H3PO4 SiNx:H简介简介 vSi/N比对SiNx薄膜性质的影响 电阻率随x增加而降低 折射率n随x增加而增加 腐蚀速率随密度增加而降低 SiNx在太阳电池中的应用在太阳电池中的应用 v自从1981年（Hezel），SiNx开始应用于晶体 硅太阳电池： * 减反射膜 * 钝化薄膜（n+发射极）

17、 SiNx在太阳电池中的应用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 SiNx在太阳电池中的应用在太阳电池中的应用 PECVD vPECVD =Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition 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

18、的薄 膜。 PECVD 等离子体定义等离子体定义 地球上，物质有三态，即：固，液，气。 其共同点是由原子或分子组成，即基本单元是原子和 分子，且为电中性。 等离子体：气体在一定条件下受到高能激发，发生电 离，部分外层电子脱离原子核，形成电子、正离子和 中性粒子混合组成的一种形态，这种形态就称为等离 子态，即第四态。 等离子体从宏观来说也是电中性，但是在局部可以为 非电中性。 PECVD原理原理 vPECVD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

19、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。 CVD各工艺条件的比较各工艺条件的比较 v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 ，0.1mbar PECVD的特点的特点 PECVD的一个基本特征是实

20、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 PECVD种类种类 vPECVD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） PECVD种类种类 直接式的PECVD PECVD种类种类 PECVD种类种类 间接式的PECVD PECVD种类种类 l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

21、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。 光学参数光学参数 光学参数光学参数 v厚度的均匀性厚度的均匀性(nominal 约约70 nm) 同一硅片 +/- 5% 同一片盒内的硅片 +/- 5% 不同片盒内的硅片 +/- 5% v折射率折射率 (nominal 约约2.1) 同一硅片 +/- 0.5% 同一片盒内的硅片 +/- 0.5% 不同片盒内的硅片 +/- 0.5% 钝化技术钝化技术 v对于McSi，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

22、表面氧钝化和氢钝化。 v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。 钝化技术钝化技术 v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PECVD Si3N4可使表面复合速度 小于20cm/s。 二氧化硅膜和氮化

23、硅膜的比较二氧化硅膜和氮化硅膜的比较 v热氧化二氧化硅和PECVD氮化硅钝化效果的比较 二氧化硅膜和氮化硅膜的比较二氧化硅膜和氮化硅膜的比较 v从比较图中看出：二氧化硅膜的表面复合速率明显高 于氮化硅膜，也就是说氮化硅膜的钝化效果比二氧化 硅膜好。若表面氧钝化采用在氢气氛围中退火，钝化 效果会有所改善。 钝化技术钝化技术 钝化技术钝化技术 系统结构系统结构 系统结构系统结构 炉体系统： 加热系统、温度测量系统、炉控系统、 炉冷却系统、安全系统。 安全事项安全事项 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： v本设备的工艺气体为SiH4和NH3，二者均有毒，且 SiH4易燃易爆。

24、 v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。 丝网印刷与烧结丝网印刷与烧结 丝网印刷的发展史丝网印刷的发展史 v 丝网印刷技术从本上世纪70年代开始产生并发展， 由于其相对简单的生产工艺，在市场上确立了优势。 而丝网印刷也有各种不同的制造工艺，其中我们运用 的是一种最简单的工艺，它也被一些生产厂商和实验 室改进并提高。 但是所有的改进和变化都是为了获得更高的转换效 率和更低的成本，所以许多的改进工艺已经运用于经 济生产活动，而更多的还只是停留在实验室阶段。 丝网印刷原理丝网印刷原理 v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

25、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， 这就是称它为丝网印刷而不叫蚕丝网印刷或绢印的原因，因为不 仅仅蚕丝用作丝网材料，尼龙、聚酯纤维、棉织品、棉布、不锈 钢、铜、黄铜和青铜都可以作为丝网材料。 电池片丝网印刷的三步骤电池片丝网印刷的三步骤 v背电极印刷及烘干 浆料：Ag /Al浆 如Ferro

26、 3398 v背电场印刷及烘干 浆料：Al浆 如Ferro FX53-038 v正面电极印刷及烘干 浆料：Ag浆 如Ferro CN33-462 在整个生产中所处位置在整个生产中所处位置 背面背面AgAlAgAl浆可焊电极印刷浆可焊电极印刷 丝网的材质：不锈钢丝网 1. 目数：280目 目数的定义：单位面积（英寸或cm）上丝网孔 的数量。 2. 丝直径：4653m 3. 丝网厚度：8290m 4. 膜厚：15m 5. 静态张力：25N 背面电极印刷参数背面电极印刷参数 在印刷图形完好时，印刷头压力在范围内尽可能的 小。 背面背面AlAl浆可焊电极印刷浆可焊电极印刷 丝网材质：不锈钢丝网 1.目

27、数：320目 2.丝直径：2328m 3.丝网厚度：46m 4.膜厚：15m 5.膜和丝网总厚度：6063m 背面场印刷参数背面场印刷参数 上述参数会根据浆料的粘稠度、网版性能、背面场印刷 量做出适当调整。而影响所印铝浆的厚度因素有：丝网 目数、网线直径、开孔率、乳胶层厚度、印刷头压力、 印刷头硬度、印刷速度及浆料粘度。 背面电极及电场图示背面电极及电场图示 背面图形的优缺点背面图形的优缺点 v图1： 缺点：焊条为长条状，浪费了AgAl浆 优点：一旦出现碎片后，可以顺利的划成碎片 v图2： 优点：可以大大节省AgAl浆，降低成本 缺点：一旦出现碎片后，断成小片，利用率大大降低 背面图形的优缺点

28、背面图形的优缺点 v图3： 优点：与铝背场形成良好的欧姆接触，铝浆料和银浆料有细栅线的 重叠部分，这样可以大大提高效率和填充因子。 总结：尽量减少铝浆与银铝浆的重叠部分，在显微镜下 观察两者重叠部分严重发黑，即大量的有机溶剂没有 充分挥发，这样就严重影响电池效率和填充因子。 正面栅线设计正面栅线设计 丝网材质：不锈钢丝网 1.目数：280目 2.线直径：30 m 3.丝厚度：50 m 4.膜厚：15 m 5.膜和丝网的总厚度：65 m 6.静态张力：26N 正面电极的印刷参数正面电极的印刷参数 参数的调整以图形完整、线条饱满、印刷浆料重量 适当为基准。 正面栅线设计正面栅线设计 正面栅线设计正面栅线设计 v细栅线数：44 v最边缘的细栅线到电池边缘的距离为1.7mm 0.125441.72432.7125 v两根细栅线之间的距离为2.7mm v主栅线的宽度1.5mm 丝网版的存放方式丝网版的存放方式 v水