标准硅太阳能电池工艺教材
太阳能电池工艺培训教材(共 53张PPT)
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扩散的目的：形成PN结
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太阳电池磷扩散方法
１．三氯氧磷（POCl3）液态源扩散 ２．喷涂磷酸水溶液后链式扩散
３．丝网印刷磷浆料后链式扩散 本公司目前采用的是第一种方法。
15磷扩散工艺过程来自清洗扩散饱和关源，退舟
装片
卸片
送片
方块电阻测量
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扩散装置示意图
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POCl3磷扩散原理
POCl3在高温下（>600℃）分解生成五氯化磷
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等离子体
等离子体:由于物质分子热运动加剧, 相互间的碰撞就会使气体分子产生 电离,这样物质就会变成自由运动并 由相互作用的正离子,电子和中性粒 子组成的混合物
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ＰＥＣＶＤ设备
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ＰＥＣＶＤ的目的
1）镀减反射薄膜(SiN) 其具有卓越的抗氧化和绝缘性能,同时具有良好的阻挡 钠离子和掩蔽金属离子和水蒸气扩散的能力,它的化学稳 定性很好,除氢氟酸和热磷酸能缓慢腐蚀外,其它酸与它基 本不起作用 2）表面钝化作用 保护半导体器件表面不受污染物质的影响,半导体表面 钝化可降低半导体表面态密度 3)钝化太阳电池的体内 在SiN膜中存在大量的 H,在烧结过程中会钝化晶体内部 悬挂键
2）用到药品：HNO3， HF， KOH 3） SPC:硅片各边的绝缘电阻>1000欧姆
《光伏电池制造工艺》课程标准
《光伏电池制造工艺》课程标准一、课程名称光伏电池制造工艺及应用二、课时与学分建议课时：64；学分：4三、课程定位本课程标准依据新能源专业标准中的人才培养目标和培养规格以及对《光伏电池制造工艺及应用》课程教学目标要求而制订，用于指导《光伏电池制造工艺及应用》课程教学与课程建设。
本课程是新能源专业的一门专业课程，是一门基于职业能力分析，以光伏电池制造工艺为引领（项目），以分解硅电池生产工艺为驱动（任务），将生产工艺与应用有机融合的理论性、实践性都较强的课程。
本课程的任务是使学生掌握硅电池生产技术方面的基本理论和基本知识，为学习后续专业课准备必要的知识，并为从事有关实际工作奠定必要的基础。
通过项目训练，使学生具备硅片的检测能力、操作电池生产设备的能力；对电池生产中出现的缺陷和问题能进行基本分析；对典型设备故障能进行排除；具备硅电池生产、调试、检测与维修的职业能力和职业素养。
通过逻辑思维能力训练，培养学生独立分析问题和解决问题的能力，自主学习能力，训练学生的创新能力。
四、课程设计思路（一）课程设计理念本课程在“校企合作、工学结合，对接光伏电池制造工的职业标准”的教学理念指导下，依据工作岗位对职业能力的需求，以“典型工作任务”为载体、以“光伏电池制造工艺及应用”为核心，选取具有实用性、代表性的加工项目作为课程内容，以加工任务及工作过程为依据组织教学，让学生在完成具体项目的过程中学会完成相应工作任务的技能，并掌握相关理论知识。
通过课程的教学，培养学生积极主动、勇于探索的自主学习方式，并注重培养学生的职业能力和终身学习与可持续性发展能力。
（二）课程设计思路本课程设计充分体现职业岗位要求与职业行为。
以工作任务为中心组织课程内容，并让学生在完成具体项目的过程中学会完成相应工作任务，构建相关理论知识，发展职业能力。
1、以光伏电池制造工艺及应用岗位工作过程分析为基础，根据实际工作岗位的需求开发课程，以岗位技能性知识为主，适度够用的原理与概念为辅；主要解决学生专业技术的掌握及实际应用能力的积累；2、以“典型生产任务”为教学内容，以工艺技术为核心，突出“理论必需，应用为主”，构建课程教学内容；3、实训设计有利于理解原理与概念，有利于培养学生独立思考能力，动手能力、知识贯穿能力；4、将专业综合能力、组织协调等职业素质的培养纳入课程教学内容。
硅太阳能电池的设计课件PPT
2021/4/14
应用光伏学
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§ 2.3 光学特性 表面制绒
在硅表面制绒，可以与减反射膜相结合，也可以单独使 用，都能达到减小反射的效果。因为任何表面的缺陷都能增 加光反弹回表面而不是离开表面的概率，所以都能起到减小 反射的效果。
2021/4/14
应用光伏学
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§ 2.3 光学特性 表面制绒
表面制绒有几种方法。一块单晶硅衬底可以沿着晶体表面 刻蚀便能达到制绒效果。如果表面能恰当符合内部原子结构的 话，硅表面的晶体结构将变成由金字塔构成的表面。下图画出 了一个这样的金字塔结构，用电子显微镜拍摄的硅表面制绒。 这种制绒方式叫“随机型金字塔”制绒，通常在单晶硅电池制 造上使用。
短路电流。因为开路电压VOC受短路电流的影响，VOC随着光 强呈对数上升。再者，因为填充因子也随着VOC的提高而提高， 所以填充因子同样随着光强的增加而提高。因光强的增加而额
外上升的VOC和FF使聚光太阳能电池获得更高的效率。
为获得最高效率，在设计单节太阳能电池时，应注意几项 原则：
1. 提高能被电池吸收并生产载流子的光的数量。
为了让pn结能够吸收所有的光生载流子，表面复合和 体复合都要尽量减到最小。对于硅太阳能电池，要达到这样 的效果，所需条件为： 载流子必须在与pn结距离小于扩散长度的区域产生，才能扩 散到pn结并被收集。 对于局部高复合区域（比如，没有钝化的表面和多晶硅的晶 界），光生载流子与pn结的距离必须小于与高复合区域的距 离。相反，在局部低复合区域（比如钝化的表面），光生载 流子可以与低复合区域距离更近些，因为它依然能扩散到pn 结并被收集，而不会复合。
2021/4/14
应用光伏学
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§ 2.5 光学特性 光陷阱
第六章 标准硅太阳能电池工艺
切片
在切割中，对钢线施加 适当的张力，使钢线来回 拉动。 钢线带动浆料（油及 SiC），使其对晶棒进行切 割。浆料不仅是研磨剂， 还带走研磨中的热量。占 整个切片成本的25%~35%。 太阳能电池厚度为 200~280μm 。 钢 线 直 径 180μm ， 碳 化 硅 为 5~30μm 。
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使用线切割机进行切片
有良好的光电转换效率；
有长期的稳定性；
硅太阳能电池的种类
单晶硅： 硅原子排列是周期性的，且朝 同一个方向。 晶格缺陷较少，用作太阳能电 池材料时转换效率高。 多晶硅： 由许许多多不同排列方向的单 晶粒组成。 晶界缺陷使得转换效率降低，但 成本相对较低。
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非晶硅： 排列松散，没有规则。 目前全球生产的太阳能电池90%以上使 用的是结晶硅，10%使用了薄膜技术。在 结晶硅太阳能电池中，多晶硅太阳能电池 占了50%以上，单晶硅占40%左右。
单晶硅原子的价带结构。每个硅 原子的最外层都有四个电子，与 相邻原子共享电子对。
单晶硅通常被制成大的圆筒形硅锭， 然后切割成圆形或半方的太阳能电 池。还需将边缘切掉，便于装入模 块。
生产单晶硅片的制作工艺
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单晶硅片的制备
生长单晶硅的方法：CZ法（Czochralski） FZ法（Float Zone 浮融法） CZ 拉晶法： Czochralski于1917年发明。 理论转换效率24.7%。
第六章 标准硅太阳能电池工艺
南京理工大学 材料科学与工程学院
1
内容
6.1 由砂还原为冶金级硅
6.2 冶金级硅提纯为半导体级硅
2
6.3 半导体级多晶硅转变为单晶硅片
6.4 单晶硅片制成太阳能电池 6.5 太阳能电池封装成太阳能电池组件 6.6 能量收支结算
硅太阳能电池-制造工艺
硅太阳能电池-制造工艺————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：PV的意思：它是英文单词Photovoltaic的简写，中文意思是“光生伏特”（简称“光伏”）。
在物理学中，光生伏特效应（简称为光伏效应），是指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象硅太阳能电池制造工艺流程图1、硅片切割，材料准备：工业制作硅电池所用的单晶硅材料，一般采用坩锅直拉法制的太阳级单晶硅棒，原始的形状为圆柱形，然后切割成方形硅片（或多晶方形硅片），硅片的边长一般为10~15cm，厚度约200~350um，电阻率约1Ω.cm的p型（掺硼）。
2、去除损伤层：硅片在切割过程会产生大量的表面缺陷，这就会产生两个问题，首先表面的质量较差，另外这些表面缺陷会在电池制造过程中导致碎片增多。
因此要将切割损伤层去除，一般采用碱或酸腐蚀，腐蚀的厚度约10um。
3、制绒：制绒，就是把相对光滑的原材料硅片的表面通过酸或碱腐蚀，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。
对于单晶硅来说一般采用NaOH加醇的方法腐蚀，利用单晶硅的各向异性腐蚀，在表面形成无数的金字塔结构，碱液的温度约80度，浓度约1~2%，腐蚀时间约15分钟。
对于多晶来说，一般采用酸法腐蚀。
4、扩散制结：扩散的目的在于形成PN结。
普遍采用磷做n型掺杂。
由于固态扩散需要很高的温度，因此在扩散前硅片表面的洁净非常重要，要求硅片在制绒后要进行清洗，即用酸来中和硅片表面的碱残留和金属杂质。
5、边缘刻蚀、清洗：扩散过程中，在硅片的周边表面也形成了扩散层。
周边扩散层使电池的上下电极形成短路环，必须将它除去。
周边上存在任何微小的局部短路都会使电池并联电阻下降，以至成为废品。
目前，工业化生产用等离子干法腐蚀，在辉光放电条件下通过氟和氧交替对硅作用，去除含有扩散层的周边。
硅太阳能电池制造工艺流程
硅太阳能电池制造工艺流程一、非晶硅薄膜太阳电池基础知识简介1976年美国RCA实验室的D.E.Conlson和C.R.Wronski在Spear形成和控制p-n结工作的基础上利用光生伏特(PV)效应制成世界上第一个a-Si太阳能电池，揭开了a-Si在光电子器件或PV组件中应用的幄幕。
目前a-Si多结太阳能电池的最高光电转换效率己达15% 。
图1为一般单结的非晶硅太阳能电池结构图，图2为非晶硅太阳能电池图1 非晶硅太阳能电池结构图图2 非晶硅柔性太阳能电池第一层，为普通玻璃,是电池载体。
第二层为绒面的TCO。
所谓TCO就是透明导电膜，一方面光从它穿过被电池吸收，所以要求它的透过率高；另一方面作为电池的一个电极，所以要求它导电。
TCO制备成绒面起到减少反射光的作用。
太阳能电池就是以这两层为衬底生长的。
太阳能电池的第一层为P层，即窗口层。
下面是i层，即太阳能电池的本征层，光生载流子主要在这一层产生。
再下面为n层，起到连接i和背电极的作用。
最后是背电极和Al/Ag电极。
目前制备背电极通常采用掺铝ZnO(A1),或简称AZO。
由于a-Si(非晶硅)多缺陷的特点，a-Si的p-n结是不稳定的，而且光照时光电导不明显，几乎没有有效的电荷收集。
所以，a-Si太阳能电池基本结构不是p-n结而是p-i-n结。
掺硼形成P区，掺磷形成n区，i为非杂质或轻掺杂的本征层(因为非掺杂的a-Si是弱n型)。
重掺杂的p、n区在电池内部形成内建势，以收集电荷。
同时两者可与导电电极形成欧姆接触，为外部提供电功率。
i区是光敏区，光电导／暗电导比在105～106，此区中光生电子、空穴是光伏电力的源泉。
非晶体硅结构的长程无序破坏了晶体硅电子跃迁的动量守恒选择定则，相当于使之从间接带隙材料变成了直接带隙材料。
它对光子的吸收系数很高，对敏感光谱域的吸收系数在1014cm-1以上，通常0.5µm左右厚度的a-Si就可以将敏感谱域的光吸收殆尽。
《太阳能电池工艺》PPT课件
等离子体刻蚀原理
等离子体刻蚀是采用高频辉光放电反响，使反响气体激 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展反响，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 。〔这是各向同性反响〕
这种腐蚀方法也叫做干法腐蚀。
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C 基 团F e或 离C 子,。C F,C FF FC ,以 , 它 及们的离
4
3
2
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，并在外表上发生化学反响。
《太阳能电池工艺》PPT 课件
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晶体硅太阳电池的根本工作原理
太阳电池是以光生伏特效应为根底制备 的。所谓光生伏特效应就是某种材料吸收了 光能之后产生电动势的效应。尤其是在半导 体内，光能转换为电能的效率特别高。
太阳电池工作原理可概括为以下几个过程： 1.光的照射，如单色光，太阳光等。 2.光子注入到半导体内部后，激发电子-空穴
半导体光照后的变化
3.必须有一个静电场。绝大局部太阳电池利 用P-N结势垒区的静电场实现别离电子-空穴 对的目的。 4.被别离的电子和空穴，经由电极收集输出 到电池体外，形成电流。
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2
由上面反响式可以看出，POCl3热分解时，如果没有外来 的氧〔O2〕参与其分解是不充分的，生成的PCl5是不易分 解的，并且对硅有腐蚀作用，破坏硅片的外表状态。但 在有外来O2存在的情况下，PCl5会进一步分解成P2O5并放 出氯气〔Cl2〕其反响式如下：
标准硅太阳能电池工艺
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使用线切割机进行切片
蚀刻清洗
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在切割中，硅片表面会有一层因机械应力所造成的结构 损失层，影响了太阳能电池效率，所以需去掉。 通常用化学蚀刻的方法，加入HF和HNO3调配的混酸，去 除10μm ~20μm厚的表层。
单晶硅太阳电池的制造与结构
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多晶硅的制备
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制备多晶硅的技术相对要简单一些，成本也因此比单晶硅 更低一些。然而由于有晶界的存在，所以多晶硅材料的性能 不如单晶硅材料。 铸造多晶硅一般采用定向凝固的方式。可以长出宽度约数 毫米到数厘米的柱状排列晶粒。
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在石英坩埚中加入半导体级多晶硅，熔融。 加入微量掺杂剂。控制温度，籽晶能够从 熔融硅中拉出圆柱形单晶硅。
CZ拉晶设备
石英坩埚（SiO2）是 最为重要的热场组件。 石英坩埚内装有熔融 态的硅熔液，两者会发 生化学反应，产生SiO, 将影响长出晶棒的质量。
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降低成本：
拉晶炉内部
CZ拉晶炉设备的外观
正面电极的网印
太阳能电池对正面金属电极的要求： •与硅接触时电阻低 •金属线宽小： •与硅之间的黏着力强 •可焊性高； •可以大量生产、制造成本低等。 网印技术是目前最为普遍的正面电极制造技术。
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正面电极的网印
涂覆了感光胶的丝印网板
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正面电极的网印
金属膏：
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•有机溶剂，使金属膏呈现流体状态，有利于印刷的进行；
欧姆接触：相对于半导体器件总电阻而言，可以忽略的金属-半导体接触电阻。
火烤
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将晶片置于高温炉内进行火烤，烧掉金属膏里的有机 化合物，并将金属颗粒烧结在一起。 需控制好温度，令电 极与N区接触。
太阳能电池的丝网印刷流程
太阳能电池工艺培训资料
太阳能电池工艺培训资料
等离子体刻蚀反应
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。
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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。
生产过程中，CF4中掺入O2，这样有利于提 高Si和SiO2的刻蚀速率。
太阳能电池工艺培训资料
扩散
太阳电池制造的核心工序
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太阳能电池工艺培训资料
PN结——太阳电池的心脏
扩散的目的：形成PN结
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太阳能电池工艺培训资料
太阳电池磷扩散方法
１．三氯氧磷（POCl3）液态源扩散 ２．喷涂磷酸水溶液后链式扩散 ３．丝网印刷磷浆料后链式扩散
本公司目前采用的是第一种方法。
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太阳能电池工艺培训资料
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： 本设备的工艺气体为SiH4和NH3，二者均有 毒，且SiH4易燃易爆。 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。
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太阳能电池工艺培训资料
在扩散过程中发生如下反应：
POCl3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：
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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。
太阳能电池工艺培训资料
磷硅玻璃的去除
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。
太阳能电池工艺培训资料
等离子体刻蚀反应
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硅太阳能电池工艺[1]
![硅太阳能电池工艺[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/ee0eb455551810a6f52486c5.png)
硅太阳能电池工艺[1]
•等离子体刻蚀反应
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。
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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。
生产过程中，CF4中掺入O2，这样有利于提 高Si和SiO2的刻蚀速率。
丝网印刷与烧结
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硅太阳能电池工艺[1]
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•电池片丝网印刷的三步 骤
❖ 背电极印刷及烘干 浆料：Ag /Al浆 如Ferro 3398
❖ 背电场印刷及烘干 浆料：Al浆 如Analog pase-12
❖ 正面电极印刷 浆料：Ag浆 如Dupont PV147
硅太阳能电池工艺[1]
硅太阳能电池工艺[1]
•扩散层薄层电阻及其测量
在太阳电池扩散工艺中，扩散层薄层电 阻（方块电阻）是反映扩散层质量是否 符合设计要求的重要工艺指标之一。
方块电阻也是标志进入半导体中的杂质 总量的一个重要参数。
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硅太阳能电池工艺[1]
•方块电阻的定义
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考虑一块长为l、宽 为a、厚为t的薄层 如右图。如果该薄 层材料的电阻率为ρ， 则该整个薄层的电 阻为
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硅太阳能电池工艺[1]
•等离子体刻蚀原理
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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）
本公司目前采用的是第一种方法。
标准硅太阳能电池工艺教材
（2）金属电极的制作
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金属电极位于太阳能电池结构的表面，通过它，可以取出 带电的光生载流子，进而在半导体与外电路之间产生流通。
太阳能电池正面与背面，会 有 两 条 平 行 的 金 属 电 极 (Bus Bar)，提供了与外界线路的接 焊。宽度在500 μ m左右。
正面的金属电极向侧面伸展 出一系列的细金属线，称为 格子线。用于收集载流子。 为了防止遮光，宽度在50μm 以下。
•有机溶剂，使金属膏呈现流体状态，有利于印刷的进行；
•有机结合剂，用于固定金属粉末； •导电金属材料，一般是银的粉末，颗粒大小约为数十微 米，质量约占整个金属膏的60～80%； •玻璃粉，由低熔点、高活性氧化物粉末组成。可对硅表 面进行蚀刻反应，帮助硅表面与银粉接合。
正面电极的网印
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将金属膏添加到印刷板上面，用滚轮对金属膏施压，
将液态硅倒入铸模内进行凝固，用压碎机压成小块。
所得到的硅为冶金级硅（MG-Si），纯度为98%~99%。
生产冶金级多晶硅原料的电弧炉
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电弧炉外观
电能加热石墨电极产生电弧 焦炭、煤炭和木屑为还原剂
液态硅倒入铸模
冶金级硅中杂质的浓度
8
可在液化硅中加入氧化气体，与比
硅活性强的元素（Al，Ca，Mg等）发 生反应，形成炉渣，从而移除杂质。
单晶硅太阳电池的制造与结构
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多晶硅的制备
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制备多晶硅的技术相对要简单一些，成本也因此比单晶硅 更低一些。然而由于有晶界的存在，所以多晶硅材料的性能 不如单晶硅材料。
铸造多晶硅一般采用定向凝固的方式。可以长出宽度约数 毫米到数厘米的柱状排列晶粒。
1. 在石英坩埚中放入纯硅； 2. 加热坩埚，直至硅熔融； 3. 打开底部散热开关，硅从坩埚
第六章标准硅太阳能电池工艺
太阳能电池片结构
太阳能电池分为单晶电池和多晶电池，但是它 们的结构基本一样，都有以下部分组成 表面细栅线 表面主栅线 绒面 蓝色氮化硅 扩散层 硅基体 铝硅形成背面 多晶电池 单晶电池
电池片测试
主要测试太阳电池的基本特性：
开路电压VOC、短路电流ISC、填充因子FF、能量转换效率η。
FF为电池的填充因子(Filling Factor), 它定义为电池具有最大输出功率 (Pm,)时的电流(Ipm)和电压(Vpm) 的乘积与电池的短路电流和开路电压乘积的比值， 较高 的 短 路 电流和开路电压是产生较高能量转换效率的基础。如果两个电池 的短路电流和开路电压完全相同，制约其效率大小的参数就是填 充因子。 能量转换效率是光电池的最重要性能指标，它为光电池将入射 光能量转换成电能的效率。
四.太阳能电池封装成电池组件
• 电池组件定义： 具有外部封装及内部连接、能单 独提供直流电输出的最小不可分割的太阳能电池 组合装置，即多个单体太阳能电池互联封装后成 为组件。
• ——作用： • 单个太阳能电池（125mm2）往往因为输出电 压太低（0.55V），输出电流不合适（4.5A）， 晶体硅太阳能电池本身又比较脆，不能独立抵御 外界恶劣条件，因而在实际使用中需要把单体太 阳能电池进行串、并联，并加以封装，接出外连 电线，成为可以独立作为光伏电源使用的太阳能 电池组件(Solar Module或PV Module，也称光 伏组件)。太 • ——光伏组件输出：12V or 24 V ，8*9片 or 8*12 片，180W or 230 W.
（4）扩散
• 目的；形成PN结。 • 原理；（POCl3液态源高温扩散），POCl3 在高温下经过一系列化学反应生成单质P， P在高温下扩散进入硅片表面，与本已经掺 B的硅形成PN结。 4POCl3+3O2→2P2O5+6Cl2 2P2O5+5Si→5SiO2+4P
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内容
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6.1 由砂还原为冶金级硅 6.2 冶金级硅提纯为半导体级硅 6.3 半导体级多晶硅转变为单晶硅片 6.4 单晶硅片制成太阳能电池 6.5 太阳能电池封装成太阳能电池组件 6.6 能量收支结算
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太阳能电池材料
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禁带宽度1.1eV~1.7eV，以直接带隙半导体为佳； 组成的材料不具有毒性； 材料易取得，成本低； 有良好的光电转换效率； 有长期的稳定性；
薄膜太阳电池
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薄膜太阳电池可以使用在价格低廉的玻璃、塑料、
陶瓷、石墨，金属片等不同材料当基板来制造。薄膜 厚度仅为数μm，目前转换效率最高可达20.8%。
6.1 由砂还原为冶金级硅
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提炼硅的原始材料是SiO2，是砂的主要成分。
在电弧炉中加入碳，利用氧化还原反应提取硅：
SiO2 +2C Si+2CO
将液态硅倒入铸模内进行凝固，用压碎机压成小块。
所得到的硅为冶金级硅（MG-Si），纯度为98%~99%。
生产冶金级多晶硅原料的电弧炉
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电弧炉外观
电能加热石墨电极产生电弧 焦炭、煤炭和木屑为还原剂
液态硅倒入铸模
冶金级硅中杂质的浓度
8
可在液化硅中加入氧化气体，与比
硅活性强的元素（Al，Ca，Mg等）发 生反应，形成炉渣，从而移除杂质。
单晶硅太阳电池的制造与结构
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多晶硅的制备
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制备多晶硅的技术相对要简单一些，成本也因此比单晶硅 更低一些。然而由于有晶界的存在，所以多晶硅材料的性能 不如单晶硅材料。
修边与切片
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在整个太阳能电池级单晶硅片的制造中，成本构成为：
多晶硅原料：40%； CZ拉晶：30%； 晶圆加工成型：30%，切片最为重要。
修边
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圆形的单晶硅片浪费了 许多面积
使用方形的硅晶片可以有 效的吸收太阳能
修边
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切片
在切割中，对钢线施加 适当的张力，使钢线来回 拉动。
钢线带动浆料（油及 SiC），使其对晶棒进行切 割。浆料不仅是研磨剂， 还带走研磨中的热量。占 整个切片成本的25%~35%。
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石英坩埚（SiO2）是 最为重要的热场组件。
石英坩埚内装有熔融
态的硅熔液，两者会发 生化学反应，产生SiO, 将影响长出晶棒的质量。
降低成本：
拉晶炉内部
CZ拉晶炉设备的外观
设计热场，提高长晶的良率（生产不含任何位错的硅单晶
棒的能力） 18
重复加料，增加出产率
石英坩埚
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石英坩埚溶解反应：
SiO2 Si+2O
硅太阳能电池的种类
4
单晶硅：硅原子排列是周期性的，且朝 同一个方向。
晶格缺陷较少，用作太阳能电 池材料时转换效率高。
多晶硅：由许许多多不同排列方向的单 晶粒组成。 晶界缺陷使得转换效率降低，但 成本相对较低。
非晶硅：排列松散，没有规则。
目前全球生产的太阳能电池90%以上使 用的是结晶硅，10%使用了薄膜技术。在 结晶硅太阳能电池中，多晶硅太阳能电池 占了50%以上，单晶硅占40%左右。
e.晶颈生长
将晶种快速向上提升，使长出的晶体 直径缩小到一定的大小（3~6mm）。
f.晶冠和 晶肩生长
降低拉速与温度，使得晶体直径渐渐 增大到所需大小。
CZ拉晶流程
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g.晶身生长
直径固定的部分为晶身。硅晶片取自 晶身。
h.晶尾生长
将晶棒直径慢慢缩小，直到成一个尖点 再与液面分开。
i.单晶棒
长完后的晶棒被升至上炉室冷却一段 时间后取出。
H2还充当了SiHCl3的运输气体
被还原的Si将沉积在晶种上
多晶硅原料
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硅多晶棒经过敲打成为块状， 通过酸洗、干燥、包装等程序 后，成为CZ硅单晶生长或铸造 多晶硅使用的块状原料。
多晶棒
块状多晶原料
半导体级硅原料制备流程图
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6.3 半导体级多晶硅转变为单晶硅片
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单晶硅片通常都拥有比较好的材料性能，但因为需要精确和 缓慢的制造过程，但成本较高，是最为昂贵的硅材料。
单晶硅片的制备
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生长单晶硅的方法：CZ法（Czochralski） FZ法（Float Zone 浮融法）
CZ 拉晶法：Czochralski于1917年发明。
电池理论转换效率24.7%。
在石英坩埚中加入半导体级多晶硅，熔融。 加入微量掺杂剂。控制温度，籽晶能够从 熔融硅中拉出圆柱形单晶硅。
CZ拉晶设备
SiO易挥发，通入Ar2将其带走
CZ拉晶流程
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a.加料
在石英坩埚中加入多晶硅原料和掺杂 物。P型掺杂B，N型掺杂P。
b.熔化
长晶炉关闭并抽成真空，使其保持一
定的压力值。打开石墨加热器电源，将 原料加热至熔融。
c.稳定化
将硅溶液的温度调节到适合拉晶的稳 定状态。
CZ拉晶流程
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d.晶种浸入
一般使用<100>方向的硅晶片，将该 方向的晶种浸入硅熔液。
太阳能电池厚度为 200~280μm 。 钢 线 直 径 180μm ， 碳 化 硅 为 5~30μm 。
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使用线切割机进行切片
蚀刻清洗
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在切割中，硅片表面会有一层因机械应力所造成的结构 损失层，影响了太阳能电池效率，所以需去掉。
通常用化学蚀刻的方法，加入HF和HNO3调配的混酸，去 除10μm ~20μm厚的表层。
这一过程中，Fe、Al、B等杂质也形成了各自的卤化物。
2. SiHCl3为无色易燃液体，沸点为31.9℃ ，通过多重的分馏 法可将它与其他卤化物分离，提ห้องสมุดไป่ตู้纯度。
3. 采用西门子化学沉积法，将SiHCl3及H2通入1100℃反应炉 内，进行200~300小时：
SiHCl 3 H2 Si 3HCl
铝和铁为主要杂质
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生产的冶金级硅中，大部分被用于钢铁与铝工业上。 只有很少的一部分用于半导体行业，用于制作太阳能 电池的更少。
6.2 冶金级硅提纯为半导体级硅
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将冶金级硅转变为挥发性的化合物，采用分馏的方法将它 冷凝、提纯，然后提取超纯硅。
1. 利用HCl将冶金级硅原料转换为液态的三氯硅烷SiHCl3。 Si 3HCl SiHCl 3 H2 在600℃
Si被还原，以细晶粒的多晶硅形式沉积到电加热的硅棒上。
三氯硅烷的制造与纯化
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600℃ 时， Si 3HCl SiHCl 3 H2
低温保存，避免日照， 防止SiHCl3发生急速气化 而爆炸。
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Siemens方法生产多晶硅
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1100℃反应炉： SiHCl 3 H2 Si 3HCl
将晶种固定在电极上，加热电极