電池片生產(chǎn)工藝

硅電池生成工藝基礎(chǔ)知識(shí)一、光伏理論知識(shí)1.1光生伏特效應(yīng)：1839年，法國(guó)Becqueral第一次發(fā)現(xiàn)，在光照條件下，某些系統(tǒng)的兩端具有電壓，用導(dǎo)線將兩端連接起來(lái)后，有電流輸出，這就是光生伏特效應(yīng)（photovoltaics，簡(jiǎn)稱(chēng)PV）。1954年,貝爾實(shí)驗(yàn)室Chapin等人開(kāi)發(fā)出效率為6％的單晶硅太陽(yáng)電池，現(xiàn)代硅太陽(yáng)電池時(shí)代從此開(kāi)始。1.2太陽(yáng)能電池的應(yīng)用太陽(yáng)能電池在航空航天、工農(nóng)業(yè)、生活中隨處可見(jiàn)。神州五號(hào)飛船上的太陽(yáng)能帆板光伏發(fā)電站太陽(yáng)能飛行器光伏供電的通信基站太陽(yáng)能充電器太陽(yáng)能路燈1.3太陽(yáng)能電池的分類(lèi) 太陽(yáng)能電池的分類(lèi)，如圖示。太陽(yáng)電池太陽(yáng)電池有機(jī)半導(dǎo)體太陽(yáng)電池硅太陽(yáng)電池薄膜太陽(yáng)電池化合物太陽(yáng)電池有機(jī)半導(dǎo)體太陽(yáng)電池硅太陽(yáng)電池薄膜太陽(yáng)電池化合物太陽(yáng)電池非晶硅太陽(yáng)電池多晶硅太陽(yáng)電池單晶硅太陽(yáng)電池非晶硅太陽(yáng)電池多晶硅太陽(yáng)電池單晶硅太陽(yáng)電池單晶硅多晶硅（1）澆鑄法將熔煉及凝固分開(kāi)，熔煉在一個(gè)石英砂爐襯的感應(yīng)爐中進(jìn)行，熔融的硅液澆入一個(gè)石墨模型中，石墨模型置于一個(gè)升降臺(tái)上，周?chē)秒娮杓訜?，然后?mm/min的速度下降。其特點(diǎn)是熔化和結(jié)晶在兩個(gè)不同的坩堝中進(jìn)行，這種生產(chǎn)方法可以實(shí)現(xiàn)半連續(xù)化生產(chǎn)，其熔化、結(jié)晶、冷卻分別位于不同的地方，可以有效提高生產(chǎn)效率，降低能源消耗。缺點(diǎn)是因?yàn)槿廴诤徒Y(jié)晶使用不同的坩堝，會(huì)導(dǎo)致二次污染，此外因?yàn)橛雄釄宸D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及引錠機(jī)構(gòu)，使得其結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜。澆筑法硅錠爐示意圖（2）熱交換法及布里曼法都是把熔化及凝固置于同一坩堝中（避免了二次污染），其中熱交換法是將硅料在坩堝中熔化后，在坩堝底部通冷卻水或冷氣體，在底部進(jìn)行熱量交換，形成溫度梯度，促使晶體定向生長(zhǎng)。下圖為一個(gè)使用熱交換法的結(jié)晶。爐示意圖該爐型采用頂?shù)准訜?，在熔化過(guò)程中，底部用一個(gè)可移動(dòng)的熱開(kāi)關(guān)絕熱，結(jié)晶時(shí)則將它移開(kāi)以便將坩堝底部的熱量通過(guò)冷卻臺(tái)帶走，從而形成溫度梯度。熱交換法結(jié)晶爐爐內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖（3）電磁鑄錠法的特點(diǎn)是不使用坩堝，硅料通過(guò)加料裝置進(jìn)入加熱區(qū)，通過(guò)感應(yīng)加熱使硅料熔融，當(dāng)硅液向下移離開(kāi)加熱區(qū)后，結(jié)晶生長(zhǎng)，如此通過(guò)不斷加料，不斷將結(jié)晶好的硅錠往下移，就可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生長(zhǎng)，錠子高度可達(dá)1～2m。但用這種方法生產(chǎn)的硅錠晶粒尺寸小，橫截面小，因此容量也不大。3.2單晶和多晶硅錠的比較3.2.1單晶和多晶硅錠的生長(zhǎng)方法比較單晶的轉(zhuǎn)換效率高，但產(chǎn)能低、能耗大；多晶的轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低，但能耗低、產(chǎn)能大，適合于規(guī)?；a(chǎn)。單晶的FZ及CZ方法與多晶定向凝固生長(zhǎng)方法的比較如下表所示序號(hào)單晶多晶1原材料純度要求高可用單晶硅頭尾料、單晶硅等2每公斤硅錠能耗高能耗低3生產(chǎn)效率低生產(chǎn)效率高4提純效果穩(wěn)定、高提純效果視熱場(chǎng)而定，各種爐型提純效果不同，有的甚至很低5轉(zhuǎn)換效率高比單晶硅低約1.5%~2%6圓形需切割成準(zhǔn)方形方形7高度和現(xiàn)行線切割機(jī)線網(wǎng)寬度配合程度好和現(xiàn)行線切割機(jī)線網(wǎng)寬度不匹配，未充分發(fā)揮線切割機(jī)功效3.2.2單晶硅與多晶硅的外觀比較多晶硅硅片相對(duì)于單晶硅硅片，有明顯的多晶特性，表面有一個(gè)個(gè)晶粒形狀，而單晶硅硅片表面顏色一致。單晶硅硅片因?yàn)槭褂霉璋粼颍慕怯袌A形大倒角，而多晶硅硅片一般采用小倒角。單晶硅硅片多晶硅硅片3.3CZ法(直拉法)生產(chǎn)單晶硅工藝流程單晶直徑在生長(zhǎng)過(guò)程中可受到溫度，提拉速度與轉(zhuǎn)速，坩堝跟蹤速度與轉(zhuǎn)速，保護(hù)氣體的流速等因素的影響。其中溫度主要決定能否成晶，而速度將直接影響到晶體的內(nèi)在質(zhì)量，而這種影響卻只能在單晶拉出后通過(guò)檢測(cè)才能獲知。溫度分布合適的熱場(chǎng)，不僅單晶生長(zhǎng)順利，而且品質(zhì)較高；如果熱場(chǎng)的溫度分布不是很合理,生長(zhǎng)單晶的過(guò)程中容易產(chǎn)生各種缺陷,影響質(zhì)量，情況嚴(yán)重的出現(xiàn)變晶現(xiàn)象生長(zhǎng)不出來(lái)單晶。因此在投資單晶生長(zhǎng)企業(yè)的前期，一定要根據(jù)生長(zhǎng)設(shè)備，配置出最合理的熱場(chǎng)，從而保證生產(chǎn)出來(lái)的單晶的品質(zhì)。直拉單晶爐及其基本原理單晶硅硅棒生成生成過(guò)程單晶爐單晶硅硅棒3.4多晶硅硅片加工工藝流程冷卻凝固硅錠出爐 定向生長(zhǎng)融化冷卻凝固硅錠出爐 定向生長(zhǎng)融化裝料清洗硅料包裝硅片清洗多線切割破錠包裝硅片清洗多線切割破錠硅片的檢測(cè)尺寸：邊長(zhǎng)、對(duì)角、厚度、倒角性能：導(dǎo)電類(lèi)型、少子壽命、電阻率、外觀：硅片外觀、包裝外觀3.5晶體硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)的工藝流程擴(kuò)散制結(jié)Diffusion去磷硅玻璃PSGremoval擴(kuò)散制結(jié)Diffusion去磷硅玻璃PSGremoval等離子刻蝕PlasmaEtching硅片清洗制絨Texturing檢測(cè)分級(jí)Testing&Sorting絲網(wǎng)印刷ScreenPrinting檢測(cè)分級(jí)Testing&Sorting絲網(wǎng)印刷ScreenPrinting燒結(jié)Dryer/Sintering減反射膜制備PECVD3.5.1晶體化學(xué)表面處理（清洗制絨）在硅片的切割生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)形成厚度達(dá)10微米左右的損傷層，且可能引入一些金屬雜質(zhì)和油污。如果損傷層去除不足，殘余缺陷在后續(xù)的高溫處理過(guò)程中向硅片深處繼續(xù)延伸，會(huì)影響到太陽(yáng)電池的性能。清洗的目的：（1）清除硅片表面的機(jī)械損傷層；（2）清除表面油污和金屬雜質(zhì)；（3）形成起伏不平的絨面，減小太陽(yáng)光的反射。單晶硅片的清洗采用堿液腐蝕的技術(shù)，堿液與硅反應(yīng)生成可溶于水的化合物，同時(shí)在表面形成“金字塔”狀的絨面結(jié)構(gòu)。多晶硅片的清洗則采用酸液腐蝕技術(shù)，酸液與硅反應(yīng)生成可溶于水的化合物，同時(shí)形成的絨面結(jié)構(gòu)是不規(guī)則的半球形或者蚯蚓狀的“凹陷”。（1）工序步驟制絨→堿洗（去多孔硅，中和酸）→酸洗→吹干（2）SPC4-6微米（3）常用物品：HNO3，HF，HCL制絨工序最忌諱的就是污染，可去除硅片表面金屬離子(Fe,Au,Mg,Ca)、油污、手指印。3.5.2磷擴(kuò)散磷擴(kuò)散原理把p型硅片放在一個(gè)石英容器內(nèi)，同時(shí)將含磷的氣體通入這個(gè)石英容器內(nèi)，并將此石英容器加熱到一定的溫度，這時(shí)施主雜質(zhì)磷可從化合物中分解出來(lái)，在容器內(nèi)充滿(mǎn)著含磷的蒸汽，在硅片周?chē)鼑S許多多的含磷的分子。磷化合物分子附著到硅片上生成磷原子。由于硅片的原子之間存在空隙，使磷原子能從四周進(jìn)入硅片的表面層，并且通過(guò)硅原子之間的空隙向硅片內(nèi)部滲透擴(kuò)散。如果擴(kuò)散進(jìn)去的磷原子濃度高于p型硅片原來(lái)受主雜質(zhì)濃度，就使得p型硅片靠近表面的薄層轉(zhuǎn)變成為n型，n型硅和p型硅交界處就形成了pn結(jié)。磷擴(kuò)散的目的：(1)制備太陽(yáng)電池的核心:p-n結(jié)；(2)吸除硅片內(nèi)部的部分金屬雜質(zhì)。磷擴(kuò)散的方法：（1）三氯氧磷（POCl3）液態(tài)源擴(kuò)散（2）噴涂磷酸水溶液后鏈?zhǔn)綌U(kuò)散（3）絲網(wǎng)印刷磷漿料后鏈?zhǔn)綌U(kuò)散目前行業(yè)上普遍采用第一種方法，這種方法具有生產(chǎn)效率較高，得到的pn結(jié)均勻、平整和擴(kuò)散層表面良好等優(yōu)點(diǎn)，非常適合制作大面積的太陽(yáng)電池。POCl3在高溫下（>600℃）分解生成五氯化磷（PCl5）和五氧化二磷（P2O5）:POCl3>600度PCl5+P2O5生成的P2O5又進(jìn)一步與硅作用，生成SiO2和磷原子，這一層物質(zhì)叫做磷-硅玻璃(psg)，然后磷原子再向硅中進(jìn)行擴(kuò)散。2P2O5+5Si5SiO2+4PPOCl3液態(tài)源擴(kuò)散方法具有生產(chǎn)效率較高，得到PN結(jié)均勻、平整和擴(kuò)散層表面良好等優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)于制作具有大面積結(jié)的太陽(yáng)電池是非常重要的。3.5.3背面及周邊刻蝕擴(kuò)散后的硅片除了表面的一薄層n型硅外，在背面以及周邊都有n型硅薄層，而晶體硅太陽(yáng)電池實(shí)際只需要表面的n型硅，因此須去除背面以及周邊的n型硅薄層。背面以及周邊刻蝕的方法：酸液腐蝕（濕法刻蝕）、等離子體刻蝕（干法刻蝕）。刻蝕中容易產(chǎn)生的問(wèn)題的：刻蝕不足導(dǎo)致電池的并聯(lián)電阻下降；過(guò)度刻蝕引起正面金屬柵線與P型硅接觸，造成短路。背面以及周邊刻蝕的目的：（1）去除硅片背面和周邊的pn結(jié)；（2）去除表面的磷硅玻璃。磷硅玻璃是擴(kuò)散過(guò)程中的反應(yīng)產(chǎn)物：一層含磷原子的二氧化硅。3.5.4PECVD鍍氮化硅（SiN）薄膜PECVD（PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition即“等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積”，是一種化學(xué)氣相沉積的鍍膜技術(shù)）借助微波或射頻等使含有薄膜組成原子的氣體電離，在局部形成等離子體，而等離子化學(xué)活性很強(qiáng)，很容易發(fā)生反應(yīng)，在基片上沉積出所期望的薄膜。等離子體中含有大量高能量的電子，它們可以提供化學(xué)氣相沉積過(guò)程所需的激活能，大大降低薄膜沉積所需的溫度。SiN薄膜作為減反射膜可減小入射光的反射；在SiN薄膜的沉積過(guò)程中，反應(yīng)產(chǎn)物氫原子進(jìn)入到SiN薄膜內(nèi)以及硅片內(nèi)，起到了鈍化缺陷的作用。太陽(yáng)電池表面的深藍(lán)色SiN薄膜SiN薄膜的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)：結(jié)構(gòu)致密，硬度大；能抵御堿金屬離子的侵蝕；介電強(qiáng)度高；耐濕性好；耐一般的酸堿，除HF和熱H3PO4。PECVD的優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省能源，降低成本；提高產(chǎn)能；減少了高溫導(dǎo)致的硅片中少子壽命衰減；PECVD的一個(gè)基本特征是實(shí)現(xiàn)了薄膜沉積工藝的低溫化（<450℃）。3.5.5絲網(wǎng)印刷與燒結(jié)絲網(wǎng)印刷的目的：印刷背面電極漿料，銀鋁（Ag/Al）漿，并烘干；印刷背面場(chǎng)漿料，鋁漿，并烘干；印刷正面電極漿料，銀漿，并烘干。3.5.6燒結(jié)燒結(jié)的目的：燃盡漿料的有機(jī)組分，使?jié){料和硅片形成良好的金屬電極。燒結(jié)對(duì)電池片的影響：（1）相對(duì)于鋁漿燒結(jié)，銀漿的燒結(jié)要重要很多，對(duì)電池片電性能影響主要表現(xiàn)在串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻，即FF的變化。（2）鋁漿燒結(jié)的目的使?jié){料中的有機(jī)溶劑完全揮發(fā)，并形成完好的鋁硅合金和鋁層。局部的受熱不均和散熱不均可能會(huì)導(dǎo)致起包，嚴(yán)重的會(huì)起鋁珠。（3）背面場(chǎng)經(jīng)燒結(jié)后形成的鋁硅合金，鋁在硅中是作為P型摻雜，它可以減少金屬與硅交接處的少子復(fù)合，從而提高開(kāi)路電壓和短路電流，改善對(duì)紅外線的響應(yīng)。硅電池的印刷、燒結(jié)工藝流程：（1）印刷工藝流程：印刷背電極烘干印刷背電場(chǎng)烘干印刷正面柵線（2）燒結(jié)工藝流程：印刷完硅片烘干升溫降溫共晶冷卻測(cè)試與分選將太陽(yáng)電池接上負(fù)載。在光照條件下，改變負(fù)載的電阻，太陽(yáng)電池的輸出電壓V、輸出電流I和輸出功率P將隨之變化。記錄下V、I、P的變化情況，并將數(shù)據(jù)繪成曲線，將得到下圖的曲線，稱(chēng)為太陽(yáng)電池的電流－電壓特性。太陽(yáng)能電池的伏安特性圖3.5.7太陽(yáng)電池的性能參數(shù)1、短路電流Isc：負(fù)載的電阻為零時(shí)，太陽(yáng)電池的輸出電流；2、開(kāi)路電壓Voc：負(fù)載的電阻無(wú)窮大時(shí)，太陽(yáng)電池的輸出電壓；3、最大功率點(diǎn)Pm：太陽(yáng)電池的