太阳电池制造过程中的测试工艺

太阳电池制造过程中的测试工艺袁 镇 ,贺立龙(西安创联电气科技 (集团 ) 有限责任公司 陕西 西安 710065 )摘 要 :太阳能电池是把太阳能转化为电能的装置 ,一般的太阳能电池是用半导体材料制成的 。按照晶体硅太阳电池制造的工艺流程 ,对太阳电池制造过程中各工序之间的测试项目进行了介绍 。同时 ,介绍了各测试项目的测试设备 、 测试原理以及测试过程 。关键词 :太阳电池 ;绒面 ;扩散 ;减反射膜中图分类号 : TP274 + . 5 文献标识码 :B 文章编号 :1004 2373X ( 2007 ) 122186203The Testing Process in the Fabrication of Solar CellsYUAN Zhen , H E Lilong( Xi′ an Chuanglian Electronic Component ( Group) Co. L td. ,Xi′ an ,710065 ,China)Abstract :Solar cell is a piece of equipment ,which makes use of solar energy and is made of semiconductor. According tothe fabrication process of solar cells ,introduces the testing items among processes in this paper. Simultaneity ,introduces themeasurement equipments ,measurement principles and process in these testing items.Keywords :solar cells ;textured surface ;diffusion ;anti 2reflecting film收稿日期 :2007201205晶体硅太阳能电池制造的常规工艺流程主要包括硅片清洗、 绒面制备、 扩散制结、 等离子周边刻蚀、 去 PSG( 磷硅玻璃 ) 、 PECVD 减反射膜制备、 电极 (背面电极、 铝背场和争相电极 ) 印刷及烘干、 烧结和分档测试等。同时 ,在各工序之间还有检测项目 ,主要有抽样检测制绒效果、 抽样测方块电阻、 抽样测氮化硅减反射膜厚度和折射率等项目。 本文按照晶体硅太阳能电池制造的工艺流程 ,对太阳能电池制造过程中的测试项目进行介绍。1 绒面的检测腐蚀后的硅片用去离子水冲洗干净 ,放在光学显微镜下观察硅片表面的绒面制备情况。 包括绒面的连续性 、 致密性以及表面的缺陷 (例如黄斑的出现 ) 。光学显微镜用光的反射检测表面的缺陷。能够区分物体各部分的对比度是光学显微镜的重要参数。用于现代光学显微镜增加对比度的技术是暗场和亮场探测 ,共焦的对比度以及有颜色干涉的对比度。共焦对比显微镜利用扫描技术一次观察物体上单个点 ,因此提供更好的图形对比度 ,并能更清晰地观察图形。共焦显微镜用可见光或激光扫描。 颜色干涉的对比度将一束光分成直接光束和参考光束。 直接光束被样本改变 ,然后与参考光束组合 ,根据干涉原理产生图像。2 扩散工艺的检验P2N 结是太阳能电池的心脏 ,了解并掌握测量扩散薄层方块电阻、 结深的原理和方法在太阳电池生产中是非常重要的。 将 P2N 结材料表面到 P2N 结界面的距离称为 P2N 结结深。2. 1 测方块电阻在制作太阳电池时 ,一定形状的上电极总需要一定范围的方块电阻与之相对应。在生产中 ,广泛使用四探针法来测量扩散层薄层电阻以判断扩散层质量是否符合设计要求。 四探针测量仪的测量头由 4 根彼此相距为 S 的钨丝探针组成 ,针尖在同一平面同一直线上 ,如图 1 所示 。图 1 四探针法测方块电阻原理图测量时 ,将探针压在硅片表面 ,外面两根探针通电流 I ,测量中间二根探针间的电压。 若被测样品的几何尺寸比探针间距离 S大许多倍 ,方块电阻可以用下边的等式表示 :R□ = πln ? VI = 4. 532 4 ? VI ( 1)实际的扩散片尺寸一般不很大 ,不满足式 ( 1) 的要求 ,并且实际的扩散片又有单面扩散与双面扩散之分 ,因此 ,需要对式 (1) 进行修正 ,修正后的公式为 :R□ = C? VI ( 2)681制 造 技 术 袁 镇等 :太阳电池制造过程中的测试工艺这里 C为修正因子 (或称校正因子 ) ,是由被测样品的长度 L 、 宽度 a、 厚度 d 以及探针间距 S 确定 。 修正因子 C 的数值可以查文献 [ 1 ,2 ]中的表格而得出。具体测试步骤 :( 1) 按要求接好测量线路 ;( 2) 将被测样品表面用金钢砂研磨 (单晶硅样品 ) ,处理后就可以获得新磨的测试面 ,以使探针和样品实现校好的欧姆接触 ;( 3) 四探针的中心点在样品的中心 ;( 4) 用恒流源对被测样品加以一定的电流 ,利用已较好的电位差计测出 V 23 ;( 5) 用千分尺及读数显微镜测量样品的几何尺寸 ,决定是否进行修正 ;( 6) 观察光照对样品测试结果的影响。2. 2 结深测量在测量结深时 ,首先要对 P2N 结表面进行染色显示 ,以明确 P 区和 N 区的界面位置。采用电解水氧化法显示P2N 结。( 1) 电解水氧化法显示 P2N 结的原理电解水氧化法显示 P2N 结的实验装置如图 2 所示 。把经过磨角暴露 P2N 结的硅片接在电解水电路的阳极上 ,并将需要显结的那一部分硅片浸于水中 ,在水溶液中 ,由于水分子电离生成一定浓度的 H + 离子和 O H2离子 ,当电路接通时 ,在阳极硅片上放电的同时生成了二氧化硅 ,其反应方程为 :4O H - + Si → SiO2 + 2 H2 O ( 3)这是一个电化学反应过程 阳极氧化 ,随着电解电压的增高 ,水分子激烈地被电离 ,在阳极表面不断有氧气生成。 经电解水氧化后 ,阳极硅片上的 N 区和 P 区分别生长了厚度不同的 SiO2 薄膜 ,由于 SiO2 薄膜厚度不同 ,所以呈现出的颜色也不同 ,因此在显微镜下就能清楚地看到N 区、 P区及其分界面 P2N 结的位置。图 2 电解水氧化法显示 P2N 结电解液一般是自来水。由于自来水中存在着各种负离子 ,这些负离子能提供电解电流 ,对氧化显结反应起着催化作用。 在寒冷的冬天 ,为了加强这种催化作用 ,可在自来水中加入极少量的 NaO H ,这时在电解电压下 ,可得到满意的电解电流。( 2) 磨角法测量 P2N 结结深为了使结深测量面比较准确 ,应把硅片固定在特制的磨角器上 ,利用磨角器磨出如图 3 所示斜面 ,使测量面得到了放大。 磨角器的斜角 θ 一般在 1° ～ 5° 之间 ,经磨角和显结后 ,用测微目镜测得 b 和 c ,得到 ( c - b) ,根据下面公式即可求得结深 X j 。Xj = a ? tg θ = ( c - b) ? tg θ ( 4)值得注意的是 P2N 结显示的清晰度和结深测量的精度与磨角的工艺水平密切相关 ,因此磨好的斜面应平整光洁 ,斜面与表面的交线平直清晰。图 3 磨角法测量 P2N 结结深具体测试方法和步骤 :首先 ,对单扩散的硅试片进行磨角 ;其次 ,电解水氧化显结 ,测试装置如图 2 所示 ,阴极用铂丝 ,电解液用自来水。 显结后的硅片可直接放在显微镜下对放大的斜面进行测量 ,重复测量 3 次 ,然后利用公式进行计算 ,求出结深的平均值。3 减反射膜折射率和厚度的测量采用等离子体增强化学气象沉积 ( Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition ,PECVD ) 技术在电池表面沉积一层氮化硅 (SiN X) 减反射膜 ,不但可以减少光的反射 ,而且因为在制备 SiN X 减反射膜过程中大量的氢原子进入 ,能够起到很好的表面钝化和体钝化的效果。 SiN X 薄膜起到增强对光的吸收性的同时 ,氢原子对太阳能电池起到很好的表面和体内钝化作用 ,从而提高了电池的短路电流和开路电压。膜厚和折射率是减反射膜最重要的参数 ,了解测量薄膜参数的基本原理和方法是太阳电池制造中的基本要求。椭偏法测量膜厚是非破坏性测量 ,测量精度高 ,应用范围广 。 在硅片制造厂 ,这是种领先的膜厚测量方法 [ 3 ] 。由激光器发出一定波长 (λ = 6 328 埃 ) 的激光束 ,经过起偏器后变为线偏振光 ,并确定其偏振方向。再经过 1/ 4波长片 ,由于双折射现象 ,使其分解成互相垂直的 P 波和 S 波 ,成为椭圆偏振光 ,椭圆的形状由起偏器的方位角决定 。椭圆偏振光以一定角度入射到样品上 ,经过样品表面和多层介质 ( 包括衬底 2介质膜 2空气 ) 的来回反射与折射 ,总的反射光束一般仍为椭圆偏振光 ,但椭圆的形状和方位改变了。 一般用 Ψ 和 Δ 来描述反射时偏振状态的变化 ,其定义为 :RPRS= tg ψ eiΔ ( 5)781《现代电子技术》 2007 年第 12 期总第 251 期 集 成 电 路 式 ( 5) 中 tgψ 的物理意义是 P 波和 S 波的振幅之比在反射前后的变化 ,称为椭偏法的振幅参量。 Δ 的物理意义是 P 波和 S波的相位差在反射前后的变化 ,称为椭偏法的相位参量。 椭偏仪的结构图如图 4 所示 。图 4 椭偏仪的结构图在波长、 入射角 、 衬底等参数一定时 ,ψ 和 Δ 是膜厚 d和折射率 n1 的函数 。 对一定厚度的某种膜 ,旋转起偏器总可以找到某一方位角 , 使反射光变为线偏振光。 这时再转动检偏器 , 当检偏器的方位角与样品上的反射光的偏振方向垂直时 ,光束不能通过 ,出现消光现象 。 消光时 ,Δ 和 ψ 分别由起偏器的方位角 P 和检偏器的方位角 A 决定。 把 P值和 A 值分别换算成 Δ 和 ψ 后 , 再利用公式和图表就可得到氮化硅膜的折射率 n1 和膜厚度 d。椭偏仪能测量几十埃量级厚度的不同类型的薄膜 [4 ] 。这种材料包括介质、 金属和覆盖的聚合物。最基本的要求是膜层为透明或半透明的。具体测试步骤 :( 1) 接通激光电源 ,转动反射光管 ,使与入射光管夹角为 140° ( Ф = 70° ) ,然后将位置固定 ;( 2) 把样品放在样品台 ,使光经样品反射后能进入反射光管 ;( 3) 把 λ / 4 波片的快轴成 + 45° 放置 ,并把起偏器、 检偏器的方位先置零 ,同时转动起偏器和检偏器找出第一个消光位置 ,并从起偏器和检偏器上分别读出起偏角 P1 和检偏角 A1 ,并记录下来 ;( 4) 把起偏器转到大约 - P1 处 ,与第一次转动检偏器相反的方向转动检偏器 (同时轻动检偏器 ) ,找出第二个消光位置 ,读出起偏角 P2 及检偏角 A2 ;( 5) 将 1/ 4 波片的快轴成 - 45° 放置 ,重复 (3) , ( 4) 步骤 ,分别测出 P3 , A3 , P4 , A4 。4 电池性能测试目前 ,国际上通用的测量方法 ,是采用标准电池法 ,亦即选一片太阳电池 ,首先在某一特定的标准状态 ( 光源 ) 下进行短路电流数值的测定 ,然后用他作参考电池去校准测试时所用光源的光强 ,再用此光强测量其他的被测电池。把作为参考的电池在一定的光源状态下 ,确定短路电流的过程叫作标定。 而利用标准电池的数据 ,去获得其他电池的数据的对比过程简称为复现。一般说来 ,太阳电池效率的测量问题可归结为标定参考电池 ,和在一定光源下用标准电池复现的问题。5 结 语不同批硅片在进行规模化生产之前 ,必须进行工艺调试 ,百分百测试。根据测试结果调整工艺参数 ,以期达到最佳工艺参数设置。当工艺稳定之后 ,各工序之间的测试项目则根据实际情况进行 ,意在减少由于测试过程中所引起的碎片发生。参 考 文 献[1 ] 安其霖 ,曹国深 ,李国欣 ,等 . 太阳电池原理与工艺 [ M ]. 上海 :上海科学技术出版社 ,1984.[2 ] 赵富鑫 ,魏彦章 . 太阳电池及其应用 [ M ]. 北京 :国防工业出版社 ,1985.[3 ] Semiconductor Industry Association , The National Technol 2ogy Roadmap for Semiconductors : Technology Needs , ( SanJose ,CA :SIA 1997 ) ,1997.[4 ] DeJule R. Advances in Thin Film Measurements. Semicon2ductor International ,1998.作者简介 袁 镇 男 ,1968 年出生 ,陕西西安人 ,工程师 。 主要从事技术研究工作 。(上接第 185 页 )语言 ,借助于 CPLD 实现设计 ,体现了现代数字电路设计系统芯片化 、 芯片系统化的设计思想 ,使用户根据需要自行构造逻辑功能的数字集成电路变得方便而简洁。在可编程集成电路的开发过程中 ,基于 系统编程 技术及 其CPLD 芯片的自顶向下分层次、 模块化设计方法 ,已成为研制及开发数字系统最理想的选择 ,体现了硬件电路软件设计的思路 ,是现代数字电路设计方法的一个趋势 。参 考 文 献[1 ] 姜立东 . V HDL 语言程序设计及应用 [ M ]. 北京 :北京邮电大学出版社 ,2001.[2 ] 尹常永 . EDA 技术与数字系统设计 [ M ]. 西安 : 西安电子科技大学出版社 ,2004.[3 ] 潘松 , 黄继业 . EDA 技术实用教程 [ M ]. 北京 : 科学出版社 ,2003.[4 ] 王晓峰 可编程逻辑器件及硬件描述语言的 EDA 方法 [J ].长春大学学报 ,2005 ( 8) :14216.作者简介 王淑文 女 ,1963 年出生 ,天津市人 ,副教授 。 主要研究方向为电子技术及应用 。881制 造 技 术 袁 镇等 :太阳电池制造过程中的测试工艺