太阳能工艺资料

- 1 -第 1 页 共 18 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概况- 2 -第 2 页 共 18 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%。- 3 -第 3 页 共 18 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- 4 -第 4 页 共 18 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- 5 -第 5 页 共 18 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) （选片）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 （ NaOH、 KOH ） 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） 。- 6 -第 6 页 共 18 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) （制绒）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 （ HNO3、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- 7 -第 7 页 共 18 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 POCL3的石英泡内， 将POCL3带入反应室，典型的工艺温度为 900~950℃ ，也可用于固相扩散，这种方- 8 -第 8 页 共 18 页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) （刻边机）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 - 9 -第 9 页 共 18 页图 17 等离子体旁路去除设备 8 氧化物刻蚀( Oxide etching) （ 磷硅玻璃清洗机）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) （ PECVD）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 20 所示。 对于单晶硅电池，一般采用 APCVD 沉积 TiO2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。- 10 -第 10 页 共 18 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 Si 3N4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（ 10~500kHz）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NH3+SiH 4 射频电源（ a） direct Plasma - 11 -第 11 页 共 18 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- 12 -第 12 页 共 18 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 Roth&Rou 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） Roth&rou 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- 13 -第 13 页 共 18 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- 14 -第 14 页 共 18 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。 - 15 -第 15 页 共 18 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。 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。