电池片生产工艺.docx

电池片生产工艺.docx

《电池片生产工艺.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电池片生产工艺.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

电池片生产工艺

电池片生产工艺

硅电池生成工艺基础知识

一、光伏理论知识

1.1光生伏特效应：

1839年，法国Becqueral第一次发现，在光照条件下，某些系统的两端具有电压，用导线将两端连接起来后，有电流输出，这就是光生伏特效应（photovoltaics，简称PV）。

1954年,贝尔实验室Chapin等人开发出效率为6％的单晶硅太阳电池，现代硅太阳电池时代从此开始。

1.2太阳能电池的应用

太阳能电池在航空航天、工农业、生活中随处可见。

神州五号飞船上的太阳能帆板光伏发电站

太阳能飞行器光伏供电的通信基站

图1图2

P型半导体中含有较多的空穴，而N型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。

当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。

这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。

P区的空穴会自发扩散到N区，N区的电子会自发扩散到P区，由于电子和空穴的相向，原来呈现电中性的P型半导体在界面附近就富集负电荷（由于一部分空穴扩散到N区去了），类似的，原来呈现电中性的N型半导体在界面附近就富集正电荷（由于一部分电子扩散到P区去了），这样就形成了一个有N指向P的“内电场”，从而阻止电子和空穴扩散的进行。

达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，从而形成PN结。

当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。

然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。

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