太阳能工艺

- 1 -第 1 页 共 20 页晶体硅太阳能电池的制造工艺及设备苏州苏州华林科纳 华林科纳华林科纳半导体设备技术 半导体设备技术半导体设备技术有限公司 有限公司王丽娟2014-4-25 - 2 -第 2 页 共 20 页目 录铸锭 Ingot casting 锭的分割 Saw cutting 硅片的分拣 Splittering from stack 损伤层去除 Saw damage removal硅片表面构化 Texturiztion 扩散 Diffusion 旁路去除 Junction isolation 氧化物刻蚀 Oxide etching 沉积减反射膜 Antireflecting coating deposition 电极的丝网印刷 Silk screen print 烧结 Sintering 测试（ Testing and Sorting）架线（ Stringing and Connecting组件装配（ Module assemblying ）国内可以配套的设备30MW 电池片生产线平面布局图市场市场概况 概况- 3 -第 3 页 共 20 页标准的晶体硅太阳能电池制造过程通常包括以下一些阶段1 铸锭 Ingot casting 在初始阶段， 太阳能电池用硅原料一般用半导体行业的弃料。 但是随着晶体硅太阳能电池的广泛应用， 对硅原料的需求日益增大， 现在主要采用专业生产的太阳能电池级硅。多晶硅电池硅锭生产主要采用的设备是定向结晶炉，而 Cz 法拉单晶炉主要用于单晶硅太阳能电池。（ a）结晶炉 （ b）炉内的原料（ c）结晶后的状态 （ d）多晶硅锭图 1 定向结晶炉和多晶硅锭还有一些高效的太阳能级硅原料生长方法， 比较典型的是 EFG（ Edge Defined Growth ） 方法， 它可以直接生长出太阳能电池片的基片， 而无须进行实心硅锭的切割，极大地减少常规切割过程中的原料消耗，降低了成本。该方法已商业化，可能会成为未来太阳能电池原料生产方式的发展方向。此外，还有 WEB（ Dendritic Web ） 、 STR（ String Ribbon ） 等带硅生产方法也处于实用化研究之中。但是由于带硅方法存在较多的位错、 晶界、 杂质等缺陷， 所以需要一些特殊的工艺来克服。 目前， 采用带硅方法制造的太阳能电池效率能达到 14左右， 产量约占市场总量的 5。- 4 -第 4 页 共 20 页图 2 Cz 法生产单晶硅锭坩埚熔融多晶硅拉出的硅带模具图 3 EFG 原理图（ a）八边型 EFG （ b）带状 EFG c 圆柱状 EFG图 4 三种 EFG 设备- 5 -第 5 页 共 20 页（ a）八边形带硅 （ b）圆柱状带硅图 5 两种带硅产品2 锭的分割 Saw cutting 硅锭需要进行锯割来获得硅片， 过去沿用的是半导体行业的内圆锯， 为减少锯口引起的原材料损失及提高生产效率，现在普遍采用的是多线锯。图 6 生产中的多线锯图 7 一种三轴多线锯结构- 6 -第 6 页 共 20 页（ a）锯割后得到的小硅锭 （ b）锯割后得到的多晶硅片图 8 3 硅片的分拣 Splittering from stack 硅片被锯下后需要进行分拣， 将硅片放入载片器 （用 Teflon 制成或在不锈钢表面覆以 Halar 及碳增强聚丙烯涂层） ，再传送到刻蚀系统。图 9 centrotherm 公司的硅片分拣系统4 损伤层去除 Saw damage removal 在硅锭的切割过程中， 会对硅片表面造成一些损伤， 如微裂纹等， 为了避免这些损伤在后续的工艺过程中引起硅片的破坏， 通常将硅片的每个侧面在碱液中腐蚀去除约 10 微米厚的表层。主要步骤包括预清洗 用于去除硅片表层污染物，避免沾污主清洗池。主清洗 用于进行硅片表层的刻蚀同时对单晶硅片也起到一定的构化作用。酸中和 用于中和硅片表面的残余碱，消除金属污染。整个过程采用全自动（不需人的介入避免污染） 、在线检测（通过检测刻蚀前后的栽片台重量变化）及输入输出缓冲区（保证过程的连续性） 。- 7 -第 7 页 共 20 页（ a）滚刷 （ b）机械手图 10 一种湿法刻蚀设备图 11 centrotherm 公司的刻蚀系统5 硅片表面构化 Texturiztion 在太阳能电池生产中， 刻蚀具有两个作用， 即去除在锯条切割过程中产生的表面缺陷， 同时进行硅片表面的构化。 构化的目的就是延长光在电池表面的传播路径， 从而提高太阳能电池对光的吸收效率。 构化的主要方法可以分为干法和湿法两种。 后者是目前应用最广泛的刻蚀方法， 即用碱 （ NaOH 、 KOH ） 或酸液 （ HNO 3、HF） 对硅片表面进行腐蚀。 而干法主要有机械构化法和 RIE（ Reactive Ion Etching ）等方法，这两种方法在工业化应用上还存在一些困难。（ a）用 NaOH 进行的硅片表面构化 （ b）用酸进行的硅片表面构化图 12 构化后硅片表面的 SEM 照片- 8 -第 8 页 共 20 页由于硅片的内部结构不同， 各向异性的碱液刻蚀主要用于晶向分布均匀的单晶硅，而晶向杂乱的多晶硅采用各向同性的酸液刻蚀会有更好的构化效果。（ a）硅片表面构化示意图 （ b）构化表面的光捕捉原理图 13 太阳能电池表面构化结构及原理6 扩散 Diffusion 在太阳能电池的制造中，基片通常为 p 型掺杂。为形成 PN 结，磷常被用来作为太阳能电池的 n 型掺杂物。 它的扩散是通过高温过程来实现的， 一般有两种形式管式炉和带式炉。 硅片石英舟工艺气体石英管 加热区（ a）管式扩散炉 IR Lamp 传送带工艺气体硅片 石英窗（ b）带式扩散炉 图 14 太阳能电池常用的两种扩散方式 管式炉主要用于气相扩散，通常使氮气通入装有液态 POCL 3 的石英泡内，将 POCL 3 带入反应室， 典型的工艺温度为 900950℃ ， 也可用于固相扩散， 这种- 9 -第 9 页 共 20 页方式可以在硅片的两面和边缘生成 PN 结；带式炉主要用于固相扩散，通常用丝网印刷、 旋涂、 CVD 等方法将胶状扩散源置于硅片上， 进入反应室后， 先在 600℃处理数分钟通过燃烧去除扩散源中的有机物，然后在 950℃、氮气氛中处理约15 分钟。这种方式只在硅片的一面和边缘生成 PN 结。管式炉的反应环境比较干净， 无金属污染， 也可以在一批次中处理多个硅片，而在带式炉的反应过程中， 环境气体可能进入， 而且金属网带也会带来金属污染，但是这种方式便于实现生产的自动化。 如何将管式和带式的优点结合是目前扩散方式改进的方向。在扩散过程完成后，一般会在硅片表面形成一层非晶或磷硅玻璃，需要用HF 酸腐蚀去除，以免影响后面的工艺进行。（ a）带式扩散炉 （ b）管式扩散炉图 15 两种扩散炉产品7 旁路去除 Junction isolation 以管式扩散为例， 由于在扩散过程中硅片边缘也形成了 n 型区， 使得硅片的前后面电学连通， 电池片内部形成旁路分流， 导致太阳能电池无法正常工作。 所以必须去除硅片边缘的 n 区，将前后面隔离。 通常采用的工艺是将扩散后的电池片紧密地压在一起， 只露出边缘， 然后采用等离子体刻蚀来进行。 在工业生产中， 也有采用激光切割方法来去除硅片边缘n 区的。 扩散后的硅片 刻蚀 前叠 放在一起的硅片 刻蚀后的硅片刻蚀 后叠 放在一起的硅片n 区p 区护板图 16 等离子体旁路去除过程示意图 - 10 -第 10 页 共 20 页图 17 等离子体旁路去除设备 8 氧化物刻蚀 Oxide etching 在沉积减反射膜之前， 需要用 HF 酸去除硅片表面在扩散过程中产生的磷硅玻璃（ PSG Phosphorous Silicate Glass） 。现在国际上也正在研究用等离子体刻蚀进行同样的工作。 图 18 湿法刻蚀设备 9 沉积减反射膜 Antireflecting coating deposition 减反射膜主要用来减少硅片表面对光的反射， 一定厚度的减反射膜可以引起入射光和反射光的干涉，从而减少光的反射，它的原理如图 15 所示。 对于单晶硅电池，一般采用 APCVD 沉积 TiO 2 作为减反射膜。而对于多晶硅电池来说，则常采用 PECVD 沉积氮化硅作为减反射膜。这是因为多晶硅太阳能电池材料中的各种缺陷，如晶界、位错、微缺陷和材料中的杂质碳和氧，以及工艺过程中玷污的过渡族金属造成电池转换效率较低， 因此需要在制造过程中采用合适的吸杂、 钝化工艺来提高多晶硅电池性能。 研究发现， 在氢气氛中退火可使钝化效果更加明显。而在 PECVD 沉积氮化硅的过程中具有加氢的效果，所以在多晶硅太阳能电池制造中采用 PECVD 沉积氮化硅具有双重作用，既可成膜，又可钝化。研究表明， PECVD 的钝化效果与氧化钝化的效果是近似的，因此可以取消专一的钝化工艺从而减少了工艺步骤。另外， PECVD 的反应温度低（ T＜ 500℃ ） ，有利于提高太阳能电池的寿命。- 11 -第 11 页 共 20 页减反射膜p 区n 区（ a）硅片结构示意（单 PN结） （ b）沉积减反射膜后的硅片 图 19 带有反射膜的太阳能电池片 图 20 减反射膜的工作原理 在工业上， 有两种 PECVD 技术被广泛用于氮化硅的淀积工艺， 一种是 remote PECVD ，另外一种是 direct PECVD 。从工艺上考虑，前者在淀积氮化硅的过程中， 对电池表面的损伤几乎可以忽略， 因此对电池表面的钝化效果较为理想， 研究表明，当应用 remote PECVD 沉积 Si3N4 时可使表面载流子的复合速度小于20cm/s。而 direct PECVD 产生的等离子体对电池表面直接轰击，电池表面的损伤较大， 所以对表面的钝化效果不佳。 但是电池表面损伤层利于氢原子在硅片内部的扩散，从而加强了电池体内钝化效果；从结构上考虑， remote PECVD 中的等离子体发生室与反应室分离， 所以电极与硅片没有直接接触， 更利于实现连续式工业化生产。对于 Direct Plasma 选用的频率，高频（ 13.56MHz ）和低频（ 10500kHz ）相比，高频更利于钝化作用，但是不利于生成均匀的沉积层。硅片 石墨电极NH3SiH 4 射频电源（ a） direct Plasma - 12 -第 12 页 共 20 页射 频天 线天线NH 3 SiH4硅片载台b remot Plasma 图 21 direct Plasma PECVD 和 remote Plasma PECVD 的结构简图德国 centrotherm 公司的 PECVD 设备采用了一种较新颖的管式结构，利于实现工业化大批量生产。如图 22 所示，它采用的石墨载片舟与射频电源可以分离，从而可以进行多个载片舟轮换操作（我公司未来的太阳能电池专用管式PECVD 可以考虑采用这种方式） ，从而有效减少生产辅助时间。图 22 centrotherm 公司的 PECVD 设备结构示意图图 23 centrotherm 公司 PECVD 设备的载片舟- 13 -第 13 页 共 20 页应该指出的是， 国际上的一些公司推出了高生产率连续式减反射膜沉积设备（包括 PECVD 和 PVD 设备） ， 如图 24 所示。 其中， 德国 RothRou 公司的 SINA XL 的生产率达到了 2025 片 /小时（ 150 150mm） ，这说明了该类设备今后的发展方向。（ a） Rothrou 公司 PECVD 镀膜设备 （ b） Appliedfilrms 公司非晶硅电池镀膜 PVD 设备（ c） OTB engineering 公司的 PECVD 镀膜设备图 24 三种连续式减反射膜镀膜设备10 电极的丝网印刷 Silk screen print 晶体硅太阳能电池片电极的制作方法一般有真空蒸镀和丝网印刷两种方法，真空蒸镀具有低接触电阻、 低体电阻率、 小线宽等优点， 为获取高性能太阳能电池在实验室中都采用该方法。 丝网印刷的质量要低于真空蒸镀， 但是考虑到工业化生产的产量和成本， 丝网印刷更可行， 所以现在工业上都是采用丝网印刷的方法进行的。 从电阻率、 价格、 可行性等方面考虑， 一般在电池片的前面用银作为接触金属电极。 铜虽然具有与银类似的电学特性， 但是由于在随后的热处理过程中， 铜的高扩散性将导致硅片的金属污染， 所以铜是不适用的。 在制作时， 将含有银的粘性敷料通过丝网附着在硅片表面上形成网状图案，然后用 100℃ 200℃的温度进行干燥，去除敷料中的有机成分。 电池片后面电极的制作方法与前面相同， 但是敷料成份和图案有所不同。 对于单 PN 节的太阳能电池，硅片的后面是 P 型硅半导体，而银不能和 P 型硅形成欧姆连接，所以敷料中需要加入铝（但是铝不能进行焊接，不能单独使用） 。 太阳能电池电极图案的选择主要基于几个原因。 对于前面， 采用网格图案是为了增加光的有效接收面积。 对于后面， 尽管整体图案的电学性能更好， 但是为了节省敷料， 同时避免在后续热处理过程中整体图案由于电极与硅片的热膨胀系- 14 -第 14 页 共 20 页数不同可能引起的破坏，电池后面电极也采用了网格图案。 框架刮板硅片敷料丝网图 25 丝网印刷原理图 图 26 丝网印刷后的太阳能电池片 图 27 centrotherm 公司的带有干燥设备的印刷机- 15 -第 15 页 共 20 页图 28 干燥系统原理图11 烧结 Sintering 烧结过程用于使丝网印刷上的电极与硅半导体区形成可靠的电学连接。 由于在丝网印刷之前硅片表面沉积了减反射膜， 所以当时印刷上的电极并未与硅基底形成电学连接，这必须通过烧结过程来实现。 硅片电极减反射膜图 29 烧结过程示意图图 30 Centrotherm 公司烧结设备结构简图12 测试（ Testing and Sorting ） 制造出来太阳能电池片需要进行测试，将电学指标（如功率、电流等）相近的电池片分组，为后续的组件生产作准备。 - 16 -第 16 页 共 20 页图 31 Centrotherm 公司的测试设备 13 架线（ Stringing and Connecting ） 架线就是通过焊接将同一组件内的电池连接起来，如图 32 所示。 硅片Bus bar Tabs 图 32 架线过程示意图 图 33 太阳能电池的架线系统 14 组件装配（ Module assemblying ） 太阳能电池组件必须能够承受一定外力、防潮湿、抗冲击、电绝缘，户外使用寿命在 20 年以上。 太阳能电池组件是一种三明治结构，即由多层组成。它的外层为一层2mm-3mm 厚的低铁含量钢化玻璃用于保证一定机械强度，内层中的电池片阵列被包在两层约 0.5mm 厚的封装材料之间，这种封装材料常用 EVA （ copolymer ethylene vinyl acetate ）, EVA 是一种热敏材料。底层是一种复合塑料层，起隔潮、防腐作用，也有厂商使用玻璃作底层。 在层压过程中，先将组件加热到 120， EVA 熔化并将电池片阵列包裹。继续- 17 -第 17 页 共 20 页加热至 150， EVA 中的长分子链产生横向交联，增加了强度。冷却后，即可完成层压过程。 钢化玻璃EVA 层电池片阵列背板框架图 34 太阳能电池组件结构 a 铺设 EVA层 b 层压 c 组件装配 d 组件产品 图 35 太阳能电池组件的生产 电池片生产线配套设备清单电池片生产线配套设备清单 - 18 -第 18 页 共 20 页主要工艺设备配制 序号 工艺过程 所用设备 数量 设备厂商 1 硅片清洗 超声波清洗机 1 华林科纳 2 磷扩散 扩散炉（双管） 1 华林科纳 3 电阻率测试 电阻率测试仪 1 华林科纳 4 去 PSG漂洗 清洗腐蚀机 1 华林科纳 5 等离子周边刻蚀 等离子刻蚀机 1 华林科纳 6 减反射膜制备 PECVD（双管） 1 华林科纳 7 背面电极印刷及烘干 丝网印刷机及烘干炉 1 进口 可国产化 8 铝背场印刷及烘干 丝网印刷机及烘干炉 1 进口 （可国产化）9 正向电极印刷及烘干 丝网印刷机及烘干炉 1 进口 （可国产化）10 烧结 烧结炉 1 华林科纳 11 分档测试 测试台 2 国产 平面布局图平面布局图（ （ 30MW） （） （略 略 ）市场概况市场概况 11． 世界太阳能能源市场世界太阳能能源市场 太阳能发电被认为是二十一世纪最重要的新能源。从远期看，太阳能能源将取代常规能源， 成为日常主要能源； 从近期看， 太阳能发电可以作为常规能源的补充， 解决特殊应用领域， 如通信、 信号电源和边远无电地区民用生活用电需求。无论从环境保护，还是从能源战略上都具有重大的意义。 太阳能发电产业自 20 世纪 80 年代以来得到了迅速发展， 近几年更出现供不应求的局面，其发展更加迅速。据统计数据显示，世界太阳能发电从 1998 年的154.9 兆瓦增加到 2003 年的 742.28 兆瓦， 年平均增长率为 36.8 ％， 目前世界太阳能发电累积装机容量已经超过 1500MWp。 尽管目前世界太阳能发电累积装机容量不到世界电力装机总容量的千分之一。 但是作为一种可再生的清洁能源， 专家预测太阳能发电将在二十一世纪前半期超过核电成为最重要的基础能源之一。同时到 2050 年，太阳能发电将达到世界总发电量的 10～ 20％，这是一个非常大的发展空间。 - 19 -第 19 页 共 20 页如果按照目前 36.8增长率增长， 到 2009 年世界太阳能电池的年生产规模将达到 4865MWp，需要新增设备投资规模达 3300MWp。 2004 年， 全球太阳能产业进入了一个前所未有的跳跃式发展年， 整个行业从源头产品的硅片到终端产品组件出现了供不应求的局面， 这一局面极大刺激了全球太阳能产业的发展。 2． 国内太阳能能源市场国内太阳能能源市场 全国人大于 2005 年 2 月 8 日通过可再生能源法 ，这标志着国内的可再生能源的发展进入了一个全新的发展时期。 可再生能源法的诞生，将直接推动国内可再生能源的发展， 特别是为以太阳能能源为代表的可再生能发展提供了一条法律的准绳和发展的规范。 在全国人大十届三次会议上，温家宝总理的政府工作报告特别提出了“循环经济”和“节约型社会”的产业导向。与环保相关的新能源、新材料、三废治理等行业将得到政策的进一步扶持。 这对于以太阳能能源为代表的可再生能源的发展提供了新的发展机遇。 目前，国内太阳能能源的发展如同世界市场一样面临前所未有机遇。在太阳能电池生产方面， 国内太阳能电池的主要产品是单晶硅太阳能电池及多晶硅太阳能电池，国内（截至 2004 年）晶体硅太阳能电池的生产能力 45MWp,非晶硅太阳能电池的生产能力是 24.5MWp。 根据中国可再生能源项目办公室的预测， 到 2010 年太阳能电源的年生产目标是达到 650MWp；到 2020 年达到 2740MWp,累计装机将达到 30GWp。 苏州华林科纳半导体设备技术有限公司苏州华林科纳半导体设备技术有限公司 SUZHOU CSE SEMICONDUCTOR EQUIPMENT TECHNOLOGY CO., LTD.SUZHOU CSE SEMICONDUCTOR EQUIPMENT TECHNOLOGY CO., LTD. 地址地址 苏州工业园区独墅湖高等教育区若水路 398 号电话电话 18112237969 王丽娟 王丽娟王丽娟 邮箱邮箱 cselily329gmail.comcselily329gmail.com - 20 -第 20 页 共 20 页