光伏电池制备工艺教材

任务一 ：制绒工艺的目的与原理
制绒目的： ① 去除硅片表面的机械损伤层；
② 并清除表面硅酸钠、氧化物、油污以及金属离子杂质 ③减少光的反射率，提高短路电流，最终提高电池的光电 转换效率。
制绒的原理
•
晶硅电池分为单晶硅电池、多晶硅电池，在电池片的
制备工艺中，由于单晶、多晶的晶颗排列不同，制绒工艺
的原理也不同，单晶主要采用各向异性碱腐蚀、多晶主要
作业
• 1、叙述晶体硅太阳电池的基本工艺？以及每一步工艺的 目的。
• 2、硅片的来料中有哪些不良现象？出现这些不良后是否 都要退回？
第二章 一次清洗、制绒工艺
项目要求: • 1．掌握制绒工艺的目的 • 2．掌握制绒工艺的原理 • 3．掌握制绒工艺操作流程 • 4．掌握常见制绒不良片的解决方法 • 5．能够制定单晶硅片、多晶硅片作业指导书
导电类型
• 半导体导电类型根据掺 杂剂的选择与掺杂剂的 量不同，导致半导体材 料中的多数载流子可能 是空穴或者电子，空穴 为多子的是P型、电子 为主的是N型。目前太 阳电池应用的的硅片为 P型，测试工具为电阻 率测试仪，如图
TTV
• TTV为总厚度偏差，即 晶片厚度的最大值和最 小值的差，晶片总厚度 偏差的要求为≤30μm。 常用测量工具为测厚仪， 如图
模拟太阳光等，光子的能量一定要大于等于禁带宽度。
•
其次，光子注入到半导体内后，激发出电子-空穴对，
这些电子和空穴应该有足够长的寿命，在分离之前不会完
全复合消失。
•
第三，必须有一个静电场，电子-空穴在静电场的作
用下分离，电子集中在一边，空穴集中在另一边。
•
第四，被分离的电子和空穴由电极收集，输出到太
阳电池外，形成电流
为微晶脱落，对于硅片的要求为微晶脱落不能超过两处。
如图1-15所示的具有微晶现象的多晶硅片，此图中的微
晶面积＞2cm2、晶粒数超过了10个，1cm长度上的晶粒数
超过了10个。
缺口
• 缺口一般在硅片的边缘 与倒角处，常见的为上 下贯穿边缘的缺损。常 见如图
崩边
• 崩边一般为晶片表面或边 缘非有意地造成脱落材料 的区域，由传送或放置样 品等操作所引起的，崩边 的尺寸由样品外形的正投 影上所测量的最大径向深 度和圆周弦长确定。对于 常见156×156mm的硅片， 崩边的要求为：崩边个数 ≤2个、深度≤0.3mm、长 度≤0.5mm。常见有崩边的 硅片如图
•
弯曲度—硅片中心偏
离基准平面的距离。
针孔
•
材料在长晶时，
混有微小的金属杂质，这
些杂质在长晶过程中进入
晶体，切片后在制绒阶段
杂质被腐蚀掉，出现针孔。
对于硅片的要求应该无针
孔。不良品如图
微晶
•
微晶是指每颗晶粒只由几千个或几万个晶胞并置
而成的晶体，从一个晶轴的方向来说这种晶体只重复了
约几十个周期。对于多晶硅片、单晶硅片微晶常常表现
（b）水痕杂质脏污片
注意：
•
① 外观缺陷检查目的在于检查硅片在切片和清洗过
程中是否造成外观缺陷。
•
② 硅片采用全部检测的方式进行检验。
•
③ 常用测量工具事十倍放大镜、塞尺、线痕表面深
度测试仪。
硅片性能测试
•
1）电阻率测试
•
2）导电类型
•
3）TTV
•
4）少子寿命
电阻率测试
• 电阻率为荷电载体通过 材料受阻程度的一种量 度，用来表示各种物质 电阻特性的物理量，符 号为ρ，单位为Ω·cm。 156×156cm硅片的电阻 率规格为0.5～3Ω.cm。 检测如图
• 2. 开机
• 3. 生产过程
1）将装好硅片的小花篮放在花篮承载 框中，然后将承载框搬到上料台上。
2）工艺槽温度设定和启动加热 3）加热制绒液体到设定温度以后， 根据本班目标生产量在控制菜单上进行 参数设置（包括粗抛、碱蚀、喷淋、鼓 泡漂洗时间和产量的设置）。 4）参数设置完毕，在手动状态下按 “复位”键，运行模式拨到“自动”状 态，按“启动”键，机器进行复位，待 机械手停止运动后即可上料生产。若不 立即生产，则暂时拨回“手动”状态。
面进行衡量。
边长
•
常见156mm×156mm
的单晶硅片、多晶硅片
的边宽要求为：
156±0.5mm
倒角
•
倒角主要是指晶片边
缘通过研磨或腐蚀整形加
工成一定角度，以消除晶
片边缘尖锐状态，避免在
后序加工中造成边缘损失，
可防止晶片边缘破裂、防
止热应力集中，并增加薄
膜层在晶片边缘的平坦度。
•
常见156mm×156mm多
•
①尺寸分选的目的在于检测硅块开方、倒角和切片中
出现的缺陷，以避免出现尺寸偏大或偏小；
•
② 采用抽检的方式或进行检测，每一支晶棒、硅块
抽5～10片进行检测；
•
③ 测量工具：游标卡尺、同心刻度模板、非接触厚
度测试仪。
外观分检
1）破片 • 2）线痕 • 3）裂纹 • 4）缺角 • 5）翘曲度 • 6）弯曲度
采用各向同性酸腐蚀。
各向异性碱腐蚀
•
对于单晶硅而言，选择择优化学腐蚀剂，就可以在
硅片表面形成金字塔结构，称为绒面结构，又称表面织构化。
对于（100）的p型直拉硅片，最常用的是各向异性碱腐蚀，
因为在硅晶体中，（111）面是原子最密排面，腐蚀速率最
慢，所以腐蚀后4个与晶体硅（100）面相交的（111）面构
→喷淋→漂洗。
•
b. 每制绒一篮，粗抛液、制绒液内都要补充NaOH，补
充量根据消耗量确定，并适当补充去离子水。
7）甩干 甩干员将甩干后的硅片取出，
太阳电池的结构
负电极子栅线 负电极主栅线
减反层 正面电极
正电极 铝背场
N+ P
背面电极
PN结
晶硅电池产业链流程
冶金硅料
硅矿石
Metallurgical
Silicon ore
silicon
高纯硅料 pure silicon raw material
硅锭 Ingot
硅块 Bricks
电池发电系统 solar system
翘曲度
• 翘曲度指的是硅片中位面与 基准面最大最小距离的差距的 差值。翘曲度过大的硅片在组 件层压工艺中易碎片，硅片翘 曲度的要求一般为＜50μm。 有翘曲度的硅片及翘曲度的测 量工具如图
中位面—与硅片上表面和下表面等距 离的面
弯曲度
• 弯曲度是硅片中心面明显 凹凸形变的一种变量，弯 曲度过大的硅片在组件层 压工艺中易碎片，对于 156×156mm硅片的要求一 般为≤75μm。弯曲的硅片 与检测工具如图：
7）针孔 8）微晶 9）缺口 10）崩边 11）污物
破片
• 主要是观察硅片是否有 破损情况，如有破损则 不能使用，破损的硅片 如图
线痕
• 硅块在多线切割时，在硅 片表面留下的一系列条状 凸纹和凹纹交替形状的不 规则线痕。常见的线痕主 要有短线焊线后线痕、密 集线痕、普通线痕、凹痕、 凸痕、凹凸很、亮线、台 阶等。在156×156mm的硅 片中，线痕的要求是 ≤10μm。常见的线痕问题 及晶片线痕要求如图
• 5）配制溶液
• 6）生产过程控制
•
a. 机械手将承载框平移依次送到各处理工位，对硅
片进行超声预清洗、制绒、盐酸中和、氢氟酸去氧化层，经
过11(10)个处理工位全过程处理后，承载框由自动机械手移 到出料工位，再由操作员将小花篮取出。
•
11(10)个处理工位具体为：超声预清洗→温水漂洗→腐
蚀制绒（→喷淋）→漂洗→HCl处理→漂洗→HF处理→漂洗
电池组件 module
电池片 solar cell
硅片 Wafers
一次清洗、制绒 印刷电极 烧结
扩散 PECVD 分选测试
等离子刻蚀 二次清洗 检验入库
晶体硅电池片生产工艺流程
10
任务三：硅片分检标准
•
硅片分检主要从以下3个方面进行：尺寸、外观、性
能；在本课中以156mm×156mm为例。
•
尺寸主要从边长、倒角、对角线、厚度等几个方
•
由于光照使得PN结两端形成的光生电动势也相当于在PN
结两端加上了一个正向电压（P区接正，N区接负），因此有
了正向电流IF；该正向电流的方向：P →N，与光生电流方 向相反，会抵消部分p-n结产生的光生电流使得提供给外电
路的电流减小，所以又把正向电流称为暗电流。
太阳电池的性能表征
一、太阳电池模型 • 1. 光生电动势——P正N负，相当于在PN结上
加上正向电压 • 2. 光生电流IL——N →P • 3. 正向电流IF——P →N
太阳电池的模型
•
在入射光的作用下，产生光生电压为U、光生电流为
IL。在PN结两端通过负载RL构成的回路及等效电路为
I U RL
IL IF
I U RL
太阳电池工作时必须具备下述条件
•
首先，必须有光的照射，可以是单色光、太阳光或
第一章光伏电池制备的准备
光伏电池发电原理 当照射在PN结上的光子能量大于半导体禁带宽度Eg时，价带顶 的电子会跃迁到导带底，在PN结内建电场的作用下，电子向N型半导 体迁移，空穴向P 型半导体迁移，从而实现电子-空穴的分离，产生电 动势。
上电极
N
光生电
I 动势U
ph
P
下电极
❖ 分离的结果：
❖ 1. 电子移向N区， 空穴移向P区，带电载流子的定向移动
生产批次,把硅片插入清洗小花篮， 对来料中如有缺角、崩
边、隐裂等缺陷的硅片不能流入生产线，及时报告品管员，
将这些硅片分类放置、集中处理；有缺片现象时，要在缺片
记录上记录缺片的批号、厂商、箱号和缺片数。
•
3）在“工艺流程卡”上准确记录硅片批号、生产厂家、
电阻率、投入数和投入时间和主要操作员。
• 4）装完一个生产批次后把“工艺流程卡”随同硅片一起放 在盒架上，等待制绒。
连续性崩边的片子
污物
• 污物一般为半导体晶片上的尘埃、晶片表面的污染物，且 不能用预检查溶剂清洗去除。对于晶片的要求为无污物。 常见有污物的晶片如图所示，图a脏污片杂质的主要是氮 化硅和碳化硅、图b脏污片杂质主要是水痕等，对于图a、 b中的脏污片均是不合格的晶片。
（a）含有氮化硅、碳化硅的脏污片
碱制绒的工艺要求
• ① 硅片减薄重量为0.25g～0.45g。 • ② 制绒后硅片目视当为黑色，不同角度观察呈均
匀绒面，无绒面不良现象。 • ③ 制绒后硅片在显微镜下观察，金字塔分布呈均
匀致密，相邻金字塔之间没有间隙。
任务二 单晶制绒操作Baidu Nhomakorabea艺
1. 装片 ：
•
1）戴好防护口罩和干净的橡胶手套，以200片为一个
少子寿命 • 少子寿命指的是晶体中
非平衡载流子由产生到 复合存在的平均时间间 隔，它等于非平衡少数 载流子浓度衰减到起始 值的1/e（e=2.718）所 需的时间。对于单晶硅 片、多晶硅片少子寿命 的要求不同，多晶 ≥2μs、单晶≥10μs。 常用检测工具为少子寿 命测试仪，如图
注意：
•
•
①硅片性能检测的目的在于检测硅片的内在性能指标，
以满足电池片的需求。
•
②采用全部检测的方式进行检验。
fortix分选机
•
fortix分选机主要用来对来料硅片的尺寸、
厚度、表面粘污、TTV、电阻率、少子寿命等参数
进行检测。
任务五 制定分检作业指导书
•
根据太阳电池制备准备工作，由学生负责制定分检作
业指导书，作业指导书如表1-1所示。
分检作业指导书
线痕
说明
•
硅片上有明显的发亮的线痕，将该类线痕称之
为亮线。对于亮线的规格要求，只考亮线的粗糙度，
不考虑亮线的条数。规格≤10μm。
裂纹
• 有裂纹的硅片，主要是 裂纹易延伸到晶片表面、 造成晶片的解理或断裂， 也可能没有穿过晶片的 整个厚度，但造成晶片 的破片。常见有裂纹的 晶片如图
缺角
• 缺角主要是由于倒角、 切片、清洗等工艺过程 中所造成。常见的缺角 不良品如图
出现光生电流IL；
❖
在PN结内部，电流的方向：N →P。
Ec
Ec
qqV(DVD qVV )
qVD
hv
Ev
hv
Ev
•
2. 在N区边界将积累电子，在P区边界积累空穴，产
生了一个与平衡PN结内建电场相反的光生电场，其方向相当
于外接正向偏压，即P区接正，N区接负。若内建电场强度为
V0，光生电势为V，则空间电荷区的势垒高低降低为e(V0-V)。
晶硅片倒角的要求为
0.5~2mm 、450±100（如图；
单晶硅片的要求为900±30。
对角线
• 常见156mm×156mm的单晶硅片与多晶硅片的对角线要求为 200±0.3mm
厚度
•
常见156mm×156mm
的单晶硅片、多晶硅片
的厚度为200μm，厚度
范围为200±20μm（如
图所示）
注意：
成了金字塔结构。如下图所示，为单晶硅制绒后的SEM图，
高10μm的峰时方形底面金字塔的顶。
制绒工艺的化学反应式与碱制绒硅片表面外 貌
•
碱腐蚀过程中，常用的原材料
Na2SiO3 分析纯
碱腐蚀过程中，主要仪器设备
• 碱制绒设备 • 花篮承载框 • 清洗小花篮 • 推车 • 电子秤 • 显微镜 • 橡胶手套