第六章标准硅太阳能电池工艺

（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
扩散炉
• 设备要求： • 精确度高 可准确控制反应管 的实际工艺温度 和气 流量。 用于长时间连续工作、 高精度、高稳定性、 自动控制。
硅料按照纯度分类： （1）冶金级硅（工业硅，金属硅） （ 98%~99%） （2）半导体级硅 （99.999%以上）5N以上 （3）太阳能级硅 6N （4）电子级硅 9N （5）超纯硅 11N
（1）. 由石英砂到冶金级硅（98%~99%） 在电弧炉中石英砂与木炭高温还原反应： SiO2+2C→Si+2CO （2）.冶金级硅到太阳能级硅（99.9999%）6N a. 四氯化硅法：（能耗大，材料利用率低） Si+2Cl2 →SiCl4，蒸馏， SiCl4+2H2 →Si+4HCl b.改良西门子法：（在太阳能级多晶硅制备中应用 最广） Si+3HCl→SiHCl3+H2 SiHCl3+ H2 →Si+3HCl c. 硅烷法：(成本高）Si+2Mg →Mg2Si（+NH4Cl ） →SiH4 →Si
烧结工艺条件
• 烧结工艺较为灵活，设定时应考虑以下因 素： • 烧结炉的特点，如烧结温区数目，高温区 长度，带速设定等等。 • 原始硅片的电阻率。 • 绒面后硅片厚度。 • 扩散后方块电阻 • 印刷背场厚度。
网带式烧结炉
• 设备要求： 网带运行平稳、 温度均匀、可 靠性高。节能 环保，气流稳 定，能提供理 想燃烧环境且 及时排出废气。
1.电池检验（分片）
由于电池片制作条件的随机性，生产出来的 电池性能不尽相同，所以为了有效的将性 能一致或相近的电池组合在一起，所以应 根据其性能参数进行分类；电池测试即通 过测试电池的输出参数（电流和电压）的 大小对其进行分类。以提高电池的利用率， 做出质量合格的电池组件
2.正面焊接
• 正面焊接：是将汇流带焊接到电池正面 （负极）的主栅线上，汇流带为镀锡的铜 带，我们使用的焊接机可以将焊带以多点 的形式点焊在主栅线上。焊接用的热源为 一个红外灯（利用红外线的热效应）。焊 带的长度约为电池边长的2倍。多出的焊带 在背面焊接时与后面的电池片的背面电极 相连。
第六章 标准硅太阳能电池工艺
• 制造电池标准工艺 一. 硅材料准备。 二. 硅片制造。 三. 太阳能电池片制造。 四. 封装成太阳能电池组件。
一.硅材料准备
硅（Silicon）：原子序数14，IVA族，硅在 宇宙中的储量排在第八位。硅以化合物形 式存在于在地壳中，是含量仅次于氧的第 二丰富元素 （27.7%）。 性状：具有明显的金属光泽，呈灰色。结晶 型的硅是暗黑蓝色的，很脆，是典型的半 导体。具有金刚石的晶体结构。 熔点：1687 K（1414 °C） 沸点：3173 K（2900 °C）
丝网印刷工艺步骤及要求
• 工艺步骤：背极（银浆） →烘干→背场（铝浆） → 烘干→栅极（银浆) →烘干(金属掩膜法，光刻 法）。 • 要求：背极厚度小于20微米，烘干温度设定160 ℃—200℃。 • 背场厚度20—35微米，具体根据片源而定。烘干 温度160℃—240℃，具体根据浆料确定。 • 栅极要求印刷图案完整、清晰、均匀、对称，无 漏浆及较大断线。烘干温度160℃—240℃，具体 据浆料确定。
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。
太阳能电池组件生产流程
• 组件线又叫封装线，封装是太阳能电池生产中的关键步骤， 没有良好的封装工艺，多好的电池也生产不出好的组件板。 电池的封装不仅可以使电池的寿命得到保证，而且还增强 了电池的抗击强度。产品的高质量和高寿命是赢得可客户 满意的关键，所以组件板的封装质量非常重要。 流程： 1、电池检测(分片)——2、正面焊接—检验—3、背面 串接—检验—4、叠层（玻璃清洗、材料（TPT、EVA） 检验、玻璃预处理、敷设） ——5、中道检验（过程检 验）——6、层压（去毛边）——7、装边框（涂胶、装 角键、冲孔、装框、擦洗余胶）——8、焊接接线盒—— 9、高压测试——10、组件测试—11、外观检验—12、包 装入库
（3）制作绒面
• 目的；制作绒面，减少反射，提升硅片对光吸收效率。 • 原理；利用Si在稀NaOH溶液中的各向异性腐蚀，在硅片 表面形成无数个3—6微米的金字塔结构，这样光照在硅 片表面便会经过多次反射和折射，增加了对光的吸收。 • 条件；生产常用NaOH质量分数1%左右，Na2SiO3 1.5%—2%，乙醇或异丙醇每次约加200—400ml(50L混 合液）。温度85±5℃,时间15—45min，具体工艺据硅片 种类、减薄后厚度和上次生产情况而定。 • 质量目标：绒面后硅片表面颜色深灰无亮点、均匀、气泡 印小，无篮脚印、白花等现象。400倍显微镜下大小符合 标准，倒金字塔结构均匀。
Hale Waihona Puke Baidu
管式PECVD
• 设备要求：管内气氛 均匀、恒温区温度均匀 稳定。气路系统、工艺 管、真空系统密封可靠， 使用安全 。工艺稳定性 和重复性好，精确度高， 射频频率稳定。
（7）电极印刷
• 目的；印刷电极和背场，使电流能够输出 ，提升电池转换效率。 • 原理：给硅片表面印刷一定图形的银浆或 铝浆，通过烧结后形成欧姆接触，使电流 有效输出。正面电极通常印成栅线状，是 为了克服扩散层的方块电阻且使光线有较 高的透过率。背面电极布满大部分或整个 背面，目的是克服由于电池串联而引起的 电阻。
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.
SiN钝化与APCVD淀积TiO2
钝化发射区:热氧化生长一层10nm~25nm厚SiO2,使表面层 非晶化, 使表面趋于稳定,减少了发射区表面复合,提高了 太阳电池对蓝光的响应,增加了短路电流密度Jsc, 减少了 反向饱和电流密度,从而提高了太阳电池开路电压Voc。
在此基础上，生长TiO2减反射膜。 TiO2减反射膜是用APCVD(atmospheric pressure CVD)设备生长 的,它通过钛酸异丙脂与纯水产生水解反应来生长TiO2薄膜。 折射率： Si3N4 1.9， TiO2 2.3 (100nm）反射率<4.0%
表面绒面化
由于硅片用P型（100）硅片， 可利用氢氧化钠溶液对单晶硅 片进行各向异性腐蚀的特点来 制备绒面。当各向异性因子 >10时（所谓各向异性因子就 是（100）面与（111）面单晶 硅腐蚀速率之比），可以得到 整齐均匀的金字塔形的角锥体 组成的绒面。绒面具有受光面 积大，反射率低的特点。可提 高单晶硅太阳电池的短路电流， 从而提高太阳电池的光电转换 效率。
（5）刻蚀
• 目的；去除周边短路环和磷硅玻璃。 • 原理：在辉光放电条件下，CF4和O2生成等离子体，交 替对周边作用，使周边电阻增大。 CF4→C4++4FO2→2O2F+Si→SiF4 SiF4挥发性高，随即被抽走。 工艺条件：CF4︰O2=10︰1 板流：0.35—0.4A 板压：1.5—2KV 压强：80—120Pa 刻蚀时间：10—16min 质量目标;刻边电阻大于5KΩ，刻边宽度1—2mm间。
PECVD（德）工艺步骤及条件
• 工艺步骤：分17步。进舟→慢抽真空→快抽真空 →调压→恒温→恒压→检漏→调压→淀积→淀积 →淀积→抽真空稀释尾气→清洗→抽真空→抽真 空→充氮→退舟。 • 条件：温度480℃，淀积压强200Pa，射频功率 1800W，抽空设定压强0.5pa，进出舟设定15% 。 • 质量目标：淀积后表面颜色深蓝且均匀。
等离子体刻蚀机
• 设备要求： 工艺重复性好， 刻蚀速度快、 均匀性好 。 密封性能好、 操作安全
（6）表面镀膜
• PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ） • 目的：表面钝化和减少光的反射，降低载流子复 合速度和增加光的吸收。 • 原理：硅烷与氨气反应生成氮化硅淀积在硅片表 面形成减反射膜。反应过程中有大量的氢离子注 入，使硅片中悬挂键饱和，达到表面钝化和体钝 化的目的，有效降低了载流子的复合，提高了电 池的短路电流和开路电压。 • SiH4+NH3→Si3N4+10H2
绒面受光面积
金字塔形角锥体的表面积S0等于 四个边长为a正三角形S之和
1 3 S0 4 a a 3 a2 2 2
由此可见有绒面的受光面积比光 面提高了倍即1.732倍。
绒面反射率
当一束强度为E0的光投射到图中的A点，产生反射光Φ1和进 入硅中的折射光Φ2。反射光Φ1可以继续投射到另一方锥的B点， 产生二次反射光Φ3和进入半导体的折射光Φ4；而对光面电池就 不产生这第二次的入射。经计算可知还有 11%的二次反射光可能 进行第三次反射和折射，由此可算得绒面的反射率为 9.04%。
• 设备要求：稳定性 好，精确度高（温 度、时间），操作 方便（换水方便）。
（2）表面腐蚀
• 工艺目的：去除表面损伤层和部分杂质。 • 工艺原理：利用硅在浓NaOH溶液中的各 向同性腐蚀除去损伤层。 • Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑ • 工艺条件；生产常用NaOH溶液质量分数 为20%左右，温度85±5℃，时间0.2— 3min 具体据原始硅片的厚度和表面损伤情况而 定。
二.硅片制造
（1）. 太阳能级硅制备成单晶硅棒。 a.直拉单晶法：（多晶硅融化，掺杂B，拉出圆柱 形单晶硅，直径12.5cm，长度1-2m）.
b.区熔法：将多晶硅缓慢穿过高功率金属线圈，融 化结晶，形成单晶（纯度高，成本高）。 （2）. 切片，化学腐蚀修复机械损伤。
三.单晶硅太阳能电池片制造
（1）超声波清洗
3.背面串接
• 背面串接：背面焊接是将72片电池串接在一起形 成一个组件串，电池的定位主要靠一个膜具板， 上面有72个放置电池片的凹槽，槽的大小和电池 的大小相对应，槽的位置已经设计好，不同规格 的组件使用不同的模板，操作者使用电烙铁和焊 锡丝将“前面电池”的正面电极（负极）焊接到 “后面电池”的背面电极（正极）上，这样依次 将72片串接在一起并在组件串的正负极焊接出引 线。
丝网印刷机
印刷达标的电池片
（8）烧结
• 目的：形成烧结合金和欧姆接触及去除背结。 • 原理： 烧结合金是指高温下金属和硅形成的合金，主要 有正栅的银硅合金、背场的铝硅合金、背电极的 银铝合金。 烧结过程实际上是一个高温扩散过程，是一个对 硅掺杂的过程，需加热到铝硅共熔点（577℃） 以上。经过合金化后，随着温度的下降，液相中 的硅将重新凝固出来，形成含有少量铝的结晶层 ，它补偿了N层中的施主杂质，从而得到以铝为 受主杂质的P层，达到了消除背结的目的。