电池片生产工艺Word文档下载推荐.docx
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下面就是这样的电源图。
由于半导体不是电的良导体,电子在通过p-n结后如果在半导体中流动,电阻非常大,损耗也就非常大。
但如果在上层全部涂上金属,阳光就不能通过,电流就不能产生,因此一般用金属网格覆盖p-n结(如图梳状电极),以增加入射光的面积。
另外硅表面非常光亮,会反射掉大量的太阳光,不能被电池利用。
为此,科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜(如图),实际工业生产基本都是用化学气相沉积沉积一层氮化硅膜,厚度在1000埃左右。
将反射损失减小到5%甚至更小。
一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限,于是人们又将很多电池(通常是36个)并联或串联起来使用,形成太阳能光电板。
三、硅片生产工艺
3.1硅片生产方法
3.1.1单晶硅硅棒生产方法
目前单晶硅硅棒生产方法主要有CZ法(直拉法),FZ法(区熔法)。
(1)CZ法是利用旋转着的籽晶从坩埚中的熔体中提拉制备出单晶的方法,又称直拉法。
目前国内太阳电池单晶硅硅片生产厂家大多采用这种技术。
(2)区域熔化是对锭条的一部份进行熔化,熔化的部分称为熔区,当熔区从头到尾移动一次后,杂质随熔区移到尾部。
利用这种方法可以进行多次提纯,一次一次移动熔区以达到最好的提纯效果,但由于液固相转变温度高,能耗大,多次区熔提纯成本高。
区熔法有水平区熔和悬浮区熔,前者主要用于锗提纯及生长锗单晶,硅单晶的生长则主要采用悬浮区熔法,生长过程中不使用坩埚,熔区悬浮于多晶硅棒和下方生长出的单晶之间。
由于悬浮区熔时,熔区呈悬浮状态,不与任何物质接触,因而不会被沾污。
此外,由于硅中杂质的分凝效应和蒸发效应,可获得高纯单晶硅。
目前航天领域用的太阳电池所用硅片主要用这种方式生长。
3.1.2多晶硅锭生产方法
多晶硅锭生产方法主要有浇铸、热交换法及布里曼法、电磁铸锭法这三种。
(1)浇铸法将熔炼及凝固分开,熔炼在一个石英砂炉衬的感应炉中进行,熔融的硅液浇入一个石墨模型中,石墨模型置于一个升降台上,周围用电阻加热,然后以1mm/min的速度下降。
其特点是熔化和结晶在两个不同的坩埚中进行,这种生产方法可以实现半连续化生产,其熔化、结晶、冷却分别位于不同的地方,可以有效提高生产效率,降低能源消耗。
缺点是因为熔融和结晶使用不同的坩埚,会导致二次污染,此外因为有坩埚翻转机构及引锭机构,使得其结构相对较复杂。
浇筑法硅锭炉示意图
(2)热交换法及布里曼法都是把熔化及凝固置于同一坩埚中(避免了二次污染),其中热交换法是将硅料在坩埚中熔化后,在坩埚底部通冷却水或冷气体,在底部进行热量交换,形成温度梯度,促使晶体定向生长。
下图为一个使用热交换法的结晶。
炉示意图该炉型采用顶底加热,在熔化过程中,底部用一个可移动的热开关绝热,结晶时则将它移开以便将坩埚底部的热量通过冷却台带走,从而形成温度梯度。
热交换法结晶炉炉内结构示意图
(3)电磁铸锭法的特点是不使用坩埚,硅料通过加料装置进入加热区,通过感应加热使硅料熔融,当硅液向下移离开加热区后,结晶生长,如此通过不断加料,不断将结晶好的硅锭往下移,就可以实现连续生长,锭子高度可达1~2m。
但用这种方法生产的硅锭晶粒尺寸小,横截面小,因此容量也不大。
3.2单晶和多晶硅锭的比较
3.2.1单晶和多晶硅锭的生长方法比较
单晶的转换效率高,但产能低、能耗大;
多晶的转换效率相对较低,但能耗低、产能大,适合于规模化生产。
单晶的FZ及CZ方法与多晶定向凝固生长方法的比较如下表所示
序号
单晶
多晶
1
原材料纯度要求高
可用单晶硅头尾料、单晶硅等
2
每公斤硅锭能耗高
能耗低
3
生产效率低
生产效率高
4
提纯效果稳定、高
提纯效果视热场而定,各种炉型提纯效果不同,有的甚至很低
5
转换效率高
比单晶硅低约1.5%~2%
6
圆形需切割成准方形
方形
7
高度和现行线切割机线网宽度配合程度好
和现行线切割机线网宽度不匹配,未充分发挥线切割机功效
3.2.2单晶硅与多晶硅的外观比较
多晶硅硅片相对于单晶硅硅片,有明显的多晶特性,表面有一个个晶粒形状,而单晶硅硅片表面颜色一致。
单晶硅硅片因为使用硅棒原因,四角有圆形大倒角,而多晶硅硅片一般采用小倒角。
单晶硅硅片多晶硅硅片
3.3CZ法(直拉法)生产单晶硅工艺流程
单晶直径在生长过程中可受到温度,提拉速度与转速,坩埚跟踪速度与转速,保护气体的流速等因素的影响。
其中温度主要决定能否成晶,而速度将直接影响到晶体的内在质量,而这种影响却只能在单晶拉出后通过检测才能获知。
温度分布合适的热场,不仅单晶生长顺利,而且品质较高;
如果热场的温度分布不是很合理,生长单晶的过程中容易产生各种缺陷,影响质量,情况严重的出现变晶现象生长不出来单晶。
因此在投资单晶生长企业的前期,一定要根据生长设备,配置出最合理的热场,从而保证生产出来的单晶的品质。
直拉单晶炉及其基本原理
单晶硅硅棒生成生成过程单晶炉
单晶硅硅棒
3.4多晶硅硅片加工工艺流程
硅片的检测
尺寸:
边长、对角、厚度、倒角
性能:
导电类型、少子寿命、电阻率、
外观:
硅片外观、包装外观
3.5晶体硅太阳电池生产的工艺流程
3.5.1晶体化学表面处理(清洗制绒)
在硅片的切割生产过程中会形成厚度达10微米左右的损伤层,且可能引入一些金属杂质和油污。
如果损伤层去除不足,残余缺陷在后续的高温处理过程中向硅片深处继续延伸,会影响到太阳电池的性能。
清洗的目的:
(1)清除硅片表面的机械损伤层;
(2)清除表面油污和金属杂质;
(3)形成起伏不平的绒面,减小太阳光的反射。
单晶硅片的清洗采用碱液腐蚀的技术,碱液与硅反应生成可溶于水的化合物,同时在表面形成“金字塔”状的绒面结构。
多晶硅片的清洗则采用酸液腐蚀技术,酸液与硅反应生成可溶于水的化合物,同时形成的绒面结构是不规则的半球形或者蚯蚓状的“凹陷”。
(1)工序步骤
制绒→碱洗(去多孔硅,中和酸)→酸洗→吹干
(2)SPC4-6微米
(3)常用物品:
HNO3,HF,HCL
制绒工序最忌讳的就是污染,可去除硅片表面金属离子(Fe,Au,Mg,Ca)、油污、手指印。
3.5.2磷扩散
磷扩散原理
把p型硅片放在一个石英容器内,同时将含磷的气体通入这个石英容器内,并将此石英容器加热到一定的温度,这时施主杂质磷可从化合物中分解出来,在容器内充满着含磷的蒸汽,在硅片周围包围着许许多多的含磷的分子。
磷化合物分子附着到硅片上生成磷原子。
由于硅片的原子之间存在空隙,使磷原子能从四周进入硅片的表面层,并且通过硅原子之间的空隙向硅片内部渗透扩散。
如果扩散进去的磷原子浓度高于p型硅片原来受主杂质浓度,就使得p型硅片靠近表面的薄层转变成为n型,n型硅和p型硅交界处就形成了pn结。
磷扩散的目的:
(1)制备太阳电池的核心:
p-n结;
(2)吸除硅片内部的部分金属杂质。
磷扩散的方法:
(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
目前行业上普遍采用第一种方法,这种方法具有生产效率较高,得到的pn结均匀、平整和扩散层表面良好等优点,非常适合制作大面积的太阳电池。
POCl3在高温下(>
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又进一步与硅作用,生成SiO2和磷原子,这一层物质叫做磷-硅玻璃(psg),然后磷原子再向硅中进行扩散。
2P2O5+5Si5SiO2+4P
POCl3液态源扩散方法具有生产效率较高,得到PN结均匀、平整和扩散层表面良好等优点,这对于制作具有大面积结的太阳电池是非常重要的。
3.5.3背面及周边刻蚀
扩散后的硅片除了表面的一薄层n型硅外,在背面以及周边都有n型硅薄层,而晶体硅太阳电池实际只需要表面的n型硅,因此须去除背面以及周边的n型硅薄层。
背面以及周边刻蚀的方法:
酸液腐蚀(湿法刻蚀)、等离子体刻蚀(干法刻蚀)。
刻蚀中容易产生的问题的:
刻蚀不足导致电池的并联电阻下降;
过度刻蚀引起正面金属栅线与P型硅接触,造成短路。
背面以及周边刻蚀的目的:
(1)去除硅片背面和周边的pn结;
(2)去除表面的磷硅玻璃。
磷硅玻璃是扩散过程中的反应产物:
一层含磷原子的二氧化硅。
3.5.4PECVD镀氮化硅(SiN)薄膜
PECVD(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition即“等离子增强型化学气相沉积”,是一种化学气相沉积的镀膜技术)借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离,在局部形成等离子体,而等离子化学活性很强,很容易发生反应,在基片上沉积出所期望的薄膜。
等离子体中含有大量高能量的电子,它们可以提供化学气相沉积过程所需的激活能,大大降低薄膜沉积所需的温度。
SiN薄膜作为减反射膜可减小入射光的反射;
在SiN薄膜的沉积过程中,反应产物氢原子进入到SiN薄膜内以及硅片内,起到了钝化缺陷的作用。
太阳电池表面的深蓝色SiN薄膜
SiN薄膜的物理性质和化学性质:
结构致密,硬度大;
能抵御碱金属离子的侵蚀;
介电强度高;
耐湿性好;
耐一般的酸碱,除HF和热H3PO4。
PECVD的优点:
节省能源,降低成本;
提高产能;
减少了高温导致的硅片中少子寿命衰减;
PECVD的一个基本特征是实现了薄膜沉积工艺的低温化(<
450℃)。
3.5.5丝网印刷与烧结
丝网印刷的目的:
印刷背面电极浆料,银铝(Ag/Al)浆,并烘干;
印刷背面场浆料,铝浆,并烘干;
印刷正面电极浆料,银浆,并烘干。
3.5.6烧结
烧结的目的:
燃尽浆料的有机组分,使浆料和硅片形成良好的金属电极。
烧结对电池片的影响:
(1)相对于铝浆烧结,银浆的烧结要重要很多,对电池片电性能影响主要表现在串联电阻和并联电阻,即FF的变化。
(2)铝浆烧结的目的使浆料中的有机溶剂完全挥发,并形成完好的铝硅合金和铝层。
局部的受热不均和散热不均可能会导致起包,严重的会起铝珠。
(3)背面场经烧结后形成的铝硅合金,铝在硅中是作为P型掺杂,它可以减少金属与硅交接处的少子复合,从而提高开路电压和短路电流,改善对红外线的响应。
硅电池的印刷、烧结工艺流程:
(1)印刷工艺流程:
印刷背电极烘干印刷背电场烘干印刷正面栅线
(2)烧结工艺流程:
印刷完硅片烘干升温降温共晶冷却
测试与分选
将太阳电池接上负载。
在光照条件下,改变负载的电阻,太阳电池的输出电压V、输出电流I和输出功率P将随之变化。
记录下V、I、P的变化情况,并将数据绘成曲线,将得到下图的曲线,称为太阳电池的电流-电压特性。
太阳能电池的伏安特性图
3.5.7太阳电池的性能参数
1、短路电流Isc:
负载的电阻为零时,太阳电池的输出电流;
2、开路电压Voc:
负载的电阻无穷大时,太阳电池的输出电压;
3、最大功率点Pm:
太阳电池的最大输出功率;
4、最大功率点电流Im:
输出功率最大时,太阳电池的输出电流;
5、最大功率点电压Vm:
输出功率最大时,太阳电池的输出电压;
6、转换效率η:
太阳电池的最大输出功率Pm与入射光功率的比值,是衡量太阳电池性能的最重要参数;
8、填充因子FF:
太阳电池的最大输出功率Pm与短路电流Isc、开路电压Voc乘积的比值;
9、串联电阻Rs:
主要是太阳电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻、电极与硅表面的接触电阻组成;
10、并联电阻Rsh:
为旁漏电阻,它是由硅片的边缘不清洁或硅片表面缺陷引起
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