太阳能电池工艺简介及厂房建设总结1

太阳能电池片工艺简介及厂房建设总结本文章主要侧重于太阳能电池的生产工艺及厂房及建设探讨，欢迎批评指正。一、工艺简介及设备环境要求太阳能电池片生产工艺分为：制绒清洗（扩散前清洗）→扩散→扩散后清洗→刻蚀→ PECVD→丝网印刷→烧结→分类检测→封装，以下就各工艺进行详细分析及说明。扩散前清洗的目的在于制绒，就是把相对光滑的原材料硅片的表面通过强酸和强碱腐蚀，使其凸凹不平，变得粗糙，形成漫反射，减少直射到硅片表面的太阳能的损失。相关设备有无锡瑞宝，德国 RENA ，深圳捷佳创。所使用的介质有 HF， HCL ， HNO3 ， NaOH ， Na2SiO3 和乙醇等。动力源有自来水，纯水，压缩空气，氮气，工艺冷却水，废水，热排风和酸排风。制绒的流程：单晶硅绒面的制备是利用硅的各向异性腐蚀，在每平方厘米硅表面形成几百万个四面方锥体也即金字塔结构。由于入射光在表面的多次反射和折射，增加了光的吸收，提高了电池的短路电流和转换效率。硅的各向异性腐蚀液通常用热的碱性溶液，可用的碱有氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂和乙二胺等。大多使用廉价的浓度约为1%的氢氧化钠稀溶液来制备绒面硅，腐蚀温度为 70-85℃。为了获得均匀的绒面，还应在溶液中酌量添加醇类如乙醇和异丙醇等作为络合剂，以加快硅的腐蚀。制备绒面前，硅片须先进行初步表面腐蚀，用碱性或酸性腐蚀液蚀去约 20～ 25μ m，在腐蚀绒面后，进行一般的化学清洗。经过表面准备的硅片都不宜在水中久存，以防沾污，应尽快扩散制结腐蚀制绒区环境要求：温度要求： 23± 2℃ 湿度要求： 55± 10%；十万级可满足车间要求。不同设备厂家高度也不同 RENA 制绒设备的规格为 7584*4540*3065 ，因此一般设计 3.5~4 米吊顶。地坪采用 >2mm 环氧树脂即可，无防静电要求。腐蚀制绒区排气（ 18 个排气口）排风量（ PP or PVC） ：普通漂洗排风 3000m3/h+ 酸排 4290m3/h+ 碱排 450m3/h /台有酸 /碱废液，排放酸性约 19m3/h,碱性液体约 8m3/h 压缩空气 6Bar， 224NM3/h/ 台 管道采用不锈管纯水：电子级 1 级， 3.6m3/h/台 管道采用 CL-PVC 自来水流量 2.4m3/h,，平均 0.06m3/h/ 台管道采用 PPR 冷却循环水：供水压力 5Bar，进水温度 18℃，接口流量 2.4m3/h/ 台管道不锈管。RENA 清洗机功率： 19.5KW 捷佳创功率： 90KW 扩散的目的在于形成 PN 结。硅片含硼，是 P 型结物质，需要往里面掺杂磷，使电子发生移动，形成 PN 结空穴。所使用的介质有 POCL3， N2， O2。使用的设备是高温扩散炉，厂商有 SVCS， TEMPRESS，长沙 48 所等。动力源有压缩空气，氮气，工艺冷却水，热排风和有机排风。扩散的流程：太阳能电池需要一个大面积的 PN 结以实现光能到电能的转换，而扩散炉即为制造太阳能电池 PN 结的专用设备。管式扩散炉主要由石英舟的上下载部分、废气室、炉体部分和气柜部分等四大部分组成。扩散一般用三氯氧磷液态源作为扩散源。把 P 型硅片放在管式扩散炉的石英容器内，在 850---900 摄氏度高温下使用氮气将三氯氧磷带入石英容器，通过三氯氧磷和硅片进行反应，得到磷原子。经过一定时间，磷原子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，形成了 N 型半导体和 P 型半导体的交界面，也就是 PN 结。这种方法制出的 PN 结均匀性好 ,方块电阻的不均匀性小于百分之十 ,少子寿命可大于 10ms。制造 PN 结是太阳电池生产最基本也是最关键的工序。因为正是 PN 结的形成，才使电子和空穴在流动后不再回到原处，这样就形成了电流，用导线将电流引出，就是直流电。扩散区环境要求：温度要求： 23± 2℃ 湿度要求： 55± 10%；扩散对环境要求稍微高一点，一般来说万级可满足车间要求，万级以上没有必要。一般设计 4 米吊顶。地坪采用 2mm 环氧树脂即可，无防静电要求。扩散炉 Tempress（操作区和炉区各 3 个排气口）热气排风量（不锈钢） ： 1500m3/h/台 酸气排风量（建议采用特氟龙） ： 500m3/h/ 台压缩空气 7Bar，管道 1/4” 管道采用不锈管真空： 18（ in-Hg ） ，接口管 0.25in，流量： 0.27m3/h/ 台冷却循环水：供水压力 5Bar，进水温度 15-20℃，接口流量 2.4m3/h/ 台管道不锈管。扩散炉，每管可按 40KW 电热计算扩散后清洗的目的在于洗去扩散时形成的磷硅玻璃（此工艺也称为去 PSG，去磷硅玻璃） ，即 SiO2 和 P2O5 的混合物，所以扩散后清洗机又叫做去磷硅玻璃清洗机。动力源有氮气，压缩空气，纯水， HF，热排风，酸排风，废水等。设备有深圳捷佳创、 RENA 。去 PSG 流程：该工艺用于太阳能电池片生产制造过程中，通过化学腐蚀法也即把硅片放在氢氟酸溶液中浸泡，使其产生化学反应生成可溶性的络和物六氟硅酸，以去除扩散制结后在硅片表面形成的一层磷硅玻璃。在扩散过程中，POCL 3 与 O2 反应生成 P2O5 淀积在硅片表面。 P2O5 与 Si 反应又生成 SiO2 和磷原子，这样就在硅片表面形成一层含有磷元素的 SiO 2，称之为磷硅玻璃。去磷硅玻璃的设备一般由本体、清洗槽、伺服驱动系统、机械臂、电气控制系统和自动配酸系统等部分组成，主要动力源有氢氟酸、氮气、压缩空气、纯水，热排风和废水。氢氟酸能够溶解二氧化硅是因为氢氟酸与二氧化硅反应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。刻蚀的目的在于把硅片的边缘 PN 结断开，防止短路。目前国内所使用的设备几乎都是长沙 48 所的。动力源有 CF4， N2， NH 3，热排风，有机排风。等离子刻蚀流程：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。因此，必须对太阳能电池周边的掺杂硅进行刻蚀， 以去除电池边缘的 PN 结。 通常采用等离子刻蚀技术完成这一工艺。 等离子刻蚀是在低压状态下，反应气体 CF4 的母体分子在射频功率的激发下，产生电离并形成等离子体。等离子体是由带电的电子和离子组成，反应腔体中的气体在电子的撞击下，除了转变成离子外，还能吸收能量并形成大量的活性基团。活性反应基团由于扩散或者在电场作用下到达 SiO2 表面，在那里与被刻蚀材料表面发生化学反应，并形成挥发性的反应生成物脱离被刻蚀物质表面，被真空系统抽出腔体。扩散后清洗区环境要求：温度要求： 23± 2℃ 湿度要求： 55± 10%；十万级可满足车间要求。设备的规格为 7966*4540*3065 ，一般设计 3.5~4 米吊顶。地坪采用 2mm 环氧树脂即可，无防静电要求。扩散后清洗 /刻蚀间（ 17 个排气口）排风量（ PP or PVC） ：普通漂洗排风 3000m3/h+ 酸排 4730m3/h+ 碱排 450m3/h /台有酸 /碱废液，排放酸性约 19m3/h,碱性液体约 8m3/h 压缩空气 6Bar， 160NM3/h/ 台 管道采用不锈管纯水：电子级 1 级， 3.0m3/h/台 管道采用 CL-PVC 自来水流量 2.4m3/h,，平均 0.06m3/h/ 台管道采用 PPR 冷却循环水：供水压力 5Bar，进水温度 18℃，接口流量 2.4m3/h/ 台管道不锈管。RENA 清洗机功率： 19.5KW 捷佳创功率： 90KW PECVD 的目的在于镀氮化硅薄膜，增加折射率，同时掺杂 H 元素，使缺陷减少，还可以保护硅片。所用设备有德国的 ROTH&RAW 平板式 PECVD 设备，还有 CENTROTHERMO 的管式 PECVD 设备。动力源有 SiH4 ， NH3 ，氮气，压缩空气，工艺冷却水，热排风，硅烷排风等。PECVD 流程：抛光硅表面的反射率为 35%,为了减少表面反射 ,提高电池的转换效率 ,需要沉积一层氮化硅减反射膜。现在工业生产中常采用 PECVD 设备制备减反射膜。 PECVD 即等离子增强型化学气相沉积。它的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，利用辉光放电使样品升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体 SiH4 和 NH3 ， 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即氮化硅薄膜。 一般情况下， 使用这种等离子增强型化学气相沉积的方法沉积的薄膜厚度在 70nm 左右。 这样厚度的薄膜具有光学的功能性。利用薄膜干涉原理，可以使光的反射大为减少，电池的短路电流和输出就有很大增加，效率也有相当的提高。PECVD 环境要求：温度要求： 23± 2℃ 湿度要求： 55± 10%；十万级可满足车间要求。设备的规格为 22500*13700*2900 ，一般设计 3.5~4 米吊顶。地坪采用 2mm 环氧树脂即可，无防静电要求。PECVD 真空镀膜PECVD 本身无排气措施，由于真空泵房吸入 SiH4 气体，因此排风量（不锈钢，严格采用双层套管） ： DN50 共 4 个接口， PECVD 泵房烷气排风量（不锈钢） ：设计 1500m3/h，硅烷排气需设置焚烧塔。压缩空气 6Bar， 12NM3/h/ 台 管道采用不锈管，压缩空气含油 <0.1um rath&rauPECVD 设备功率约 390KW ，平均功率约 320KW ，其中有 26KW 电热丝网印刷的目的在于印刷导电电极。 先印背面， 再印正面。 目前国内大多数厂家使用设备是意大利的 BACCINI印刷线。动力源有真空，压缩空气，热排风，有机排风等。电功率： Baccini 96KW 烧结的目的是把电极烧结在 PN 结上。高温烧结可以使电极穿透氮化硅膜，形成合金。所用设备有美国DESPACH 等。动力源有压缩空气，工艺冷却水，热排风，有机排风等。烧结 Despetch 功率： 111KW 分类检测的目的在于把电池片按照效率进行分类。目前国内大多数厂家使用设备是意大利的 BACCINI 检测仪。动力源有真空，压缩空气。分检电功率： 10KW 最后一道工艺就是热塑包装。印刷烧结流程：经过丝网印刷后的硅片，不能直接使用，需经烧结炉快速烧结，将有机树脂粘合剂燃烧掉，剩下几乎纯粹的、由于玻璃质作用而密合在硅片上的银电极。当银电极和晶体硅在温度达到共晶温度时，晶体硅原子以一定的比例融入到熔融的银电极材料中去，从而形成上下电极的欧姆接触，提高电池片的开路电压和填充因子两个关键参数，使其具有电阻特性，以提高电池片的转换效率。烧结炉分为预烧结、烧结、降温冷却三个阶段。预烧结阶段目的是使浆料中的高分子粘合剂分解、燃烧掉，此阶段温度慢慢上升；烧结阶段中烧结体内完成各种物理化学反应，形成电阻膜结构，使其真正具有电阻特性，该阶段温度达到峰值；降温冷却阶段，玻璃冷却硬化并凝固，使电阻膜结构固定地粘附于基片上。印刷烧结环境要求：温度要求： 23± 2℃ 湿度要求： 55± 10%；十万级可满足车间要求。设计 3.5~4 米吊顶。地坪采用 2mm 环氧树脂即可，无防静电要求。丝网印刷、烧结炉、测试、分检丝网印刷有机排风量（不锈钢） ： 3600CMH / 条线烧结炉排风量（不锈钢） ： 6700CMH/ 条线压缩空气 6Bar， 130NM3/h/ 台 管道采用不锈管丝印和测试分拣真空： 720mmHg，流量： 100m3/h/条线烧结炉纯水：电子级 1 级， 0.1m3/h/ 台 管道采用冷却循环水：供水压力 5Bar，进水温度 18℃，接口流量 2.5m3/h/ 台管道不锈管。二、厂房建设经验总结以 50MW 生产线为例。电源是整个工厂的首要条件，仅工艺和动力设备用电功率就在 1800KW ， 25WM 设备功率约 1100KW 左右，必须有可靠的电能供应。 PECVD 设备、扩散炉、制冷机、空压机、空调风机和循环水泵是用电功率较大的设备。工艺纯水的用量在 15 吨 /小时左右，水质标准都要达到中国电子级水的技术指标 GB/T11446.1-1997 中 EW-1 级。工艺冷却水用量也在 15 吨 /小时左右，供水温度宜在 15-20℃，供水压力 5 巴左右，应有可靠的温度，供水压力控制，最好采用变频泵。压缩空气用量在 400NM3/H 左右，如果空气品质要求较高，如需要达到压缩空气质量等级的 1 级甚至更高要求，建议使用无油空压机。如果露点温度要求苛刻，干燥机建议使用组合式。真空排气量在 300M3/H 左右，水环式真空泵虽然便宜，但是效率下降的也快，不推荐使用。氮气和氧气如果靠近大的气体供应站，一般采用液体储罐供应的方式，初投资低，氮气储罐 20 立方米左右，氧气 10 立方米足够。特殊气体如硅烷等，考虑安全因素，单独设置一个特气间还是很有必要的。空调系统的空气处理方式则视具体土建情况而言，可以采取组合式空气处理机组集中处理，也可以采用干盘管进行分散处理。生产车间除扩散区外，温湿度均只要满足人体舒适性即可，建议冬夏能有一定变化，这样既可节能，又让人能适应室内外温度变化，不易感冒。扩散区由于对洁净度要求较高，需要设计独立的空气处理系统，主要关注的是洁净度，该区散热量也较大。酸排气一般采用湿式洗涤、中和的处理方式。有机排气一般采用干式吸附法处理。热排风可以不用处理，直接排放即可。硅烷处理要谨慎，否则容易起火。整个施工试车过程中，特别要注意的是水，气通入设备之前除做好强度严密性试验，确保无渗漏外；务必保证清洗、吹扫试验要干净彻底，否则，设备一旦被污染，再次清洗不但代价昂贵，甚至会造成重大损失。二次配管时，某些设备的特殊需要，则根据业主的要求和初投资而定，如扩散炉具有较强腐蚀性的高温酸性排风；供强酸、强碱、特气的多层管路， PECVD 、刻蚀机的隔声泵房等。工厂建成以后，最重要的就是运行维护。太阳能电池厂房动力保障是一个复杂的系统，需要至少 2-4 名理论功底扎实，动手能力强、富有高度责任感的工程师核心队伍，经常对各动力系统进行巡察，及时分析和解决出现的问题，甚至适时提出改造方案；否则不能及时发现隐患，很可能等问题出现时导致停产。