生产工艺培训教材.pptx

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生产工艺培训,电池工艺：

崔东洋,2013.7.25,内容提要,2,1.太阳能电池相关概念及基本原理2.电池生产工艺流程2.1前清洗2.2扩散2.3后清洗2.4PECVD2.5丝网3.电池工艺对生产人员的要求,本次培训对参与者的要求：

简单了解内容1和2，掌握每道工序的工艺目的，牢记内容3,3,1.太阳能电池相关概念及基本原理,4,太阳能在生活中的应用,太阳能汽車,太阳能发电站,人造卫星上的太阳能电池,太阳能热水器,太阳能飞机,6,1.1基本概念1.1.1半导体常温下导电性能介于导体（conductor）与绝缘体（insulator）之间的材料，叫做半导体（semiconductor）。

7,1.1.2半导体的分类,8,p型半导体（受主掺杂）-接受自由电子,p型半导体的空穴为多子电子为少子,9,n型半导体（施主掺杂）-提供自由电子,n型半导体的电子为多子空穴为少子,10,1.1.3少子寿命,在光照等激发下，价带电子会越迁到导带，产生非平衡载流子，当激发源撤离以后，这些非平衡载流子会复合而消失。

非平衡载流子的平均生存时间为非平衡载流子的寿命。

由于相对于非平衡多子,少子的影响处于主导的、决定的地位，因而非平衡载流子的寿命常称为少子寿命。

11,1.1.4pn结,12,所谓光生伏打效应就是当物体受光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。

当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结的两边出现电压,叫做光生电压。

这种现象就是著名的光生伏打效应。

1.1.5光生伏打效应,它的工作原理可以概括成下面几个主要过程：

第一，必须有光的照射，可以是单色光，太阳光或我们测试用的模拟太阳光源。

第二，光子注入到半导体后，激发出电子空穴对。

这些电子空穴对必须有足够的寿命保证不会在分离前被附和。

第三，必须有个静电场（PN结），起分离电子空穴的作用。

第四，被分离的电子空穴，经电极收集输出到电池体外，形成电流。

1.1.6太阳能电池的原理,太阳电池是利用光生伏特效应，把光能直接转换成电能的一种器件。

14,2.电池生产工艺流程,15,光伏产业链,POCL3掺杂（扩散制PN结）,PECVD（镀SiNx膜）,丝网印刷Al/Ag,制造太阳能电池片的基本工艺流程,前清洗（腐蚀制绒）,后清洗（边缘刻蚀/去PSG）,丝网印刷Al,丝网印刷Ag,烧结/测试/分选,17,2.1前清洗工艺简介,制绒按工艺不同可分为碱制绒和酸制绒：

利用碱溶液对单晶硅不同晶面有不同的腐蚀速率（各向异性腐蚀），对（100）面腐蚀快，对（111）面腐蚀慢。

如果将（100）作为电池的表面，经过腐蚀、在表面会出现以（111）面形成的锥体密布表面（金字塔状），称为表面织构化。

但是对于多晶硅，由于晶体排列方式杂乱，如果利用碱液，无法进行腐蚀得到良好的金字塔织构化表面，此时只能用酸溶液进行各向同性腐蚀，获得表面存在许多凹坑的表面结构，也能起到良好的陷光作用。

2.1.1制绒工艺的分类：

19,单晶硅片碱制绒绒面形状,多晶硅片酸制绒绒面形状,2.1.2陷光原理：

光在光滑半导体薄片表面上的反射、折射和透射,陷光原理图,当入射光入射到一定角度的斜面，光会反射到另一角度的斜面形成二次吸收或者多次吸收，从而增加吸收率。

在绒面硅片上制成PN结太阳电池，它有以下特点:

（l）绒面电池比光面电池的反射损失小，如果再加减反射膜，其反射率可进一步降低。

-降低反射率

（2）入射光在光锥表面多次折射，改变了入射光在硅中的前进方向，不仅延长了光程，增加了对红外光子的吸收，而且有较多的光子在靠近PN结附近产生光生载流子，从而增加了光生载流子的收集几率。

-增加对光的吸收（3）在同样尺寸的基片上，绒面电池PN结面积比光面大得多，因而可以提高短路电流，转换效率也有相应提高。

-增加表面积，增加扩散制PN结的面积（4）绒面也带来了一些缺点:

一是工艺要求提高了；二是由于它减反射的无选择性，不能产生电子空穴对的有害红外辐射也被有效地耦合入电池，使电池发热；三是易造成金属接触电极与硅片表面的点接触，使接触电阻损耗增加。

2.1.3制绒对太阳能电池的影响,RENAIntex前清洗设备,2.1.4RENAIntex前清洗（酸制绒）工艺,2.1.4.1RENA前清洗工序的目的：

去除硅片表面的机械损伤层（来自硅棒切割的物理损伤）清除表面油污（利用HF）和金属杂质（利用HCl）形成起伏不平的绒面，增加对太阳光的吸收，增加PN结面积，提高短路电流（Isc），最终提高电池光电转换效率。

前清洗工艺步骤：

制绒碱洗酸洗吹干,Etchbath,Dryer1,Rinse1,AlkalineRinse,Rinse2,AcidicRinse,Rinse3,Dryer2,RENAIntex前清洗设备的主体分为以下八个槽，此外还有滚轮、排风系统、自动及手动补液系统、循环系统和温度控制系统等。

2.1.4.2设备构造,Etchbath：

刻蚀槽，用于制绒。

所用溶液为HF+HNO3，作用：

1.去除硅片表面的机械损伤层；2.形成无规则绒面。

AlkalineRinse：

碱洗槽。

所用溶液为KOH，作用：

1.对形成的多孔硅表面进行清洗；2.中和前道刻蚀后残留在硅片表面的酸液。

AcidicRinse：

酸洗槽。

所用溶液为HCl+HF，作用：

1.中和前道碱洗后残留在硅片表面的碱液；2.HF可去除硅片表面氧化层（SiO2），形成疏水表面，便于吹干；3.HCl中的Cl-有携带金属离子的能力，可以用于去除硅片表面金属离子。

HNO3+Si=SiO2+NOx+H2OSiO2+4HF=SiF4+2H2OSiF4+2HF=H2SiF6Si+2KOH+H2OK2SiO3+2H2NO2+H2O=HNO3+HNO2Si+HNO2=SiO2+NO+H2OHNO3+NO+H2O=HNO2,2.1.4.3酸制绒工艺涉及的反应方程式:

主操作界面,28,2.2扩散工艺简介,2.2.1扩散的概念,29,扩散（diffusion）:

由构成物质的微粒（离子、原子、分子）的热运动而产生的物质迁移现象称为扩散。

扩散的宏观表现是物质的定向输送。

2.2.2扩散机构替位式扩散机构这种杂质原子或离子大小与Si原子大小差别不大，它沿着硅晶体内晶格空位跳跃前进扩散，杂质原子扩散时占据晶格格点的正常位置，不改变原来硅材料的晶体结构。

硼、磷、砷等是此种方式。

30,填隙式扩散机构这种杂质原子的直径相比Si原子要小的多，杂质原子进入硅晶体后，不占据晶格格点的正常位置，而是从一个硅原子间隙到另一个硅原子间隙逐次跳跃前进。

镍、铁等重金属元素等是此种方式。

31,2.2.3影响硅太阳电池P扩散的因素片源（成分、结构、缺陷等）温度时间气体流量（浓度梯度分布）洁净度其他,32,2.2.4硅太阳电池的扩散方法2.2.4.1扩散方法三氯氧磷（POCl3）液态源扩散喷涂磷酸水溶液后链式扩散丝网印刷磷浆料后链式扩散目前公司采用第一种方法。

33,2.2.4.2三氯氧磷（POCl3）液态源扩散生成的PCl5是不易分解的，并且对硅有腐蚀作用，破坏硅片的表面状态。

所以通入O2，PCl5会进一步分解成P2O5并放出氯气（Cl2）。

34,2.2.5扩散设备及简化示意图,35,36,扩散装置示意图,37,2.2.6影响方阻的因素,38,2.3后清洗工艺简介,扩散过程中，虽然采用背靠背扩散，硅片的边缘将不可避免地扩散上磷。

PN结的正面所收集到的光生电子会沿着边缘扩散有磷的区域流到PN结的背面，而造成短路。

此短路通道等效于降低并联电阻。

同时，由于在扩散过程中氧的通入，在硅片表面形成一层二氧化硅，在高温下POCl3与O2形成的P2O5，部分P原子进入Si取代部分晶格上的Si原子形成n型半导体，部分则留在了SiO2中形成PSG。

后清洗的目的就是进行边缘刻蚀和去除PSG。

2.3.1后清洗的目与原理,40,rena的后清洗设备,2.3.2RENA湿法刻蚀原理:

利用HNO3和HF的混合液体对扩散后硅片下表面和边缘进行腐蚀,去除边缘的N型硅,使得硅片的上下表面相互绝缘。

边缘刻蚀原理反应方程式：

3Si+4HNO3+18HF=3H2SiF6+4NO2+8H2O,2.3.3刻蚀中容易产生的问题1.刻蚀不足：

边缘漏电，Rsh下降，严重可导致失效检测方法：

测绝缘电阻2.过刻：

正面金属栅线与P型硅接触，造成短路检测方法：

称重及目测,2.3.4去除磷硅玻璃的目的：

1）磷硅玻璃的存在使得硅片在空气中表面容易受潮，导致电流的降低和功率的衰减。

2）死层的存在大大增加了发射区电子的复合，会导致少子寿命的降低，进而降低了Voc和Isc。

3）磷硅玻璃的存在使得PECVD后产生色差。

去PSG原理方程式：

SiO2+4HF=SiF4+2H2OSiF4+2HF=H2SiF6SiO2+6HF=H2SiF6+2H2O去PSG工序检验方法：

当硅片从HF槽出来时，观察其表面是否脱水，如果脱水，则表明磷硅玻璃已去除干净；如果表面还沾有水珠，则表明磷硅玻璃未被去除干净，可在HF槽中适当补些HF。

后清洗工艺步骤：

边缘刻蚀碱洗酸洗吹干,RENAInOxSide后清洗设备的主体分为以下七个槽，此外还有滚轮、排风系统、自动及手动补液系统、循环系统和温度控制系统等。

Etchbath,Rinse1,AlkalineRinse,Rinse2,HFbath,Rinse3,Dryer2,2.3.5后清洗设备构造,Etchbath：

刻蚀槽，用于边缘刻蚀。

所用溶液为HF+HNO3+H2SO4，作用：

边缘刻蚀，除去边缘PN结，使电流朝同一方向流动。

注意扩散面须向上放置，H2SO4的作用主要是增大液体浮力，使硅片很好的浮于反应液上（仅上边缘2mm左右和下表面与液体接触）。

AlkalineRinse：

碱洗槽。

所用溶液为KOH，作用：

中和前道刻蚀后残留在硅片表面的酸液。

HFBath：

HF酸槽。

所用溶液为HF，作用：

中和前道碱洗后残留在硅片表面的碱液；去PSG,2.3.6后清洗操作界面,48,2.4PECVD工艺简介,49,2.4.1PECVD工艺目的,SiNx:

H,外部形貌-减反射膜镀减反射膜可以有效降低光的反射内部机理-钝化薄膜（n+发射极）薄膜中的H能够进入硅晶体中,钝化硅中的缺陷,降低表面态密度,抑制电池表面复合，增加少子寿命，从而提高太阳电池Isc和Voc,50,减反射效果与光波长的关联,可见光的波谱分布,2.4.2减反射效果,51,通入的特气（硅烷和氨气）在高温和射频电源的激发下电离，形成等离子态，并沉积在硅片的表面。

膜的厚度主要与温度，腔体内射频电源的功率和镀膜时间有关。

反应室通入反应气体硅烷SiH4氨气NH3在射频电源的激发下电离形成等离子态SiNx:

H沉积在硅片上,2.4.3PECVD工艺原理,PECVD（PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition）-等离子增强型化学气相沉积,52,CentrothermPECVD,Centrotherm设备结构,53,54,2.5丝网印刷和烧结工艺简介,55,2.5.1丝网印刷概念,把带有图案的模版附着于丝网上进行印刷通常丝网由尼龙、聚酯、丝绸或金属网制作而成承印物直接放在带有模版的丝网下面，浆料在刮刀的挤压下穿过丝网间的网孔只有图像部分能穿过，印刷到承印物上,加入浆料刮刀施加压力朝丝网另一端移动丝网与承印物之间保持一定的间隙浆料从网孔中挤压到基片上丝网张力而产生反作用力-回弹力丝网与基片只呈移动式线接触刮板抬起，丝网脱离基片工作台返回到上料位置，完成一个印刷行程,56,丝网网版调整参考,57,Snap-off（网版间距）Park（网版正常停止位置）（-3000）mSpeedupward（网版向上运动速度）（35）mm/s在保证印刷质量的前提下，网版间距越小越好一般为（-900-1300）m太小易粘版或模糊不清，过大易印刷不良和损坏网版印第二道时可适当加大间距,丝网刮条调整参考,58,Down-stop（刮条深度）Park（刮条正常停止位置）（5000）mPressure（印刷压力）（5070）N在保证印刷质量的前提下,刮条下降深度和压力越小越好刮条深度一般为（-900-1300）m刮条下降过深或压力过大,易碎片和损坏网版刮条下降深度不够或压力太小易印刷不良或粘版,59,丝网机台（Baccini）,60,2.5.2丝网印刷/烧结/测试流程,2.5.3丝网印刷的作用,61,印刷背电极后的硅片作用：

收集电流，传出电流相当于一个电池的电极,印刷背电场后的硅片作用：

吸杂作用加速电子传出,印刷正电极后的硅片作用：

收集正面的电子和传出电子,62,丝网印刷台面,2.5.4丝网印刷机台,刮条和网板的安装,63,刮条安装一定要平整，不然会出现虚印！

可用透光检查，就是将刮刀放在白纸上看是否有光透过,安装前要检查安装时要看好方向,64,Despatch烧结炉,2.5.5烧结设备及工艺,65,对3#丝网印刷后硅片表面浆料进行烘干,去除浆料中的有质粘结剂铝背场及珊线烧结,各区域间各有一个隔离炉膛（风帘隔离）隔离炉膛防止相邻区域中的过程气体相互混合,硅片冷却,2.5.6影响太阳电池各主要电学性能参数的因素,太阳电池主要有以下几个重要参数：

开路电压Voc、短路电流Isc、串联电阻Rs、并联电阻Rsh、填充因子FF、电池效率。

1、开路电压Voc：

要获得较高的开路电压Voc，则需要较高的掺杂浓度，这有利于形成良好的欧姆接触，减少接触时的串联电阻。

2、短路电流Isc：

对于常规太阳电池工艺而言，要获得较高的短路电流，则需要较轻的掺杂浓度和较浅的结深，以尽可能的减少各种复合过程。

因而，可以看出要同时获得较高的开路电压和短路电流是一个矛盾的过程。

另外短路电流还受到以下几个因素的影响：

Theareaofthesolarcell,太阳电池的面积越大，短路电流值也就越大。

Thenumberofphotons,与入射光的光强有关。

Thespectrumoftheincidentlight,一般入射光的光谱都为AM1.5。

Theopticalproperties,主要是指太阳电池的吸收与反射光的状况。

Thecollectionprobability,主要依赖于太阳电池的表面钝化和少数载流子的寿命。

68,输出功率等于该点所对应的矩形面积其中只有一点是输出最大功率，称为最佳工作点该点的电压和电流分别称为最佳工作电压Vop和最佳工作电流Iop填充因子定义为：

FF=VopIop/VocIsc=Pmax/VocIsc它表示了最大输出功率点所对应的矩形面积在Voc和Isc所组成的矩形面积中所占的百分比特性好的太阳能电池就是能获得较大功率输出的太阳能电池，也就是Voc，Isc和FF乘积较大的电池该值应在0.70-0.85范围之内,3.填充因子FF,填充因子主要受到Rs及Rsh影响，其对FF的影响如下图所示串联电阻Rs可表示为：

Rs=rmf+rc1+rt+rb+rc2+rmbrmf是正面电极金属栅线电阻，rc1、rc2分别是正面、背面金属半导体接触电阻，rt是正面扩散层的电阻，rb是基区体电阻，rmb是背面电极金属层的电阻。

Rs偏高，主要受到扩散后的方块电阻大小及丝网印刷过程中的印刷质量及烧结条件的影响。

Rsh过低通常是由于刻蚀不完全或电极烧穿造成电池漏电严重。

4.Rs及Rsh,5.能量转化效率,70,表示入射的太阳光能量有多少能转换为有效的电能=（太阳能电池的输出功率/入射的太阳光功率）100%=（VopIop/PinS）100%=VocIscFF/PinS其中Pin是入射光的能量密度，S为太阳能电池的面积当S是整个太阳能电池面积时，称为实际转换效率当S是指电池中的有效发电面积时，叫本征转换效率,71,T测试温度E测试光强Pmpp最大输出功率Umpp最大输出电压Impp最大输出电流Uoc开路电压,测试温度在2327之间测试光强在950W/m21050W/m2之间使用前需用标片对测试机进行校准,2.5.7测试与分选,Isc短路电流FF填充因子Rs串联电阻Rsh漏电电阻Eff电池效率Irev暗电流,分选,分选据测试结果由设定程序自动完成，根据电流，电压，电池效率等因素被细分为各档操作员工根据机器分档结果，再对硅片表面颜色分选后，各档每60片进行包装电池车间的品质主要分为3个等级：

A:

硅片不存在任何瑕疵的产品B:

整个硅片片面完整,但表面存在些许缺陷,但不影响功能的产品C:

指硅片边缘存在缺边的状况,但所缺部分须在规定的范围内,72,73,3.电池工艺对生产人员的要求,电池车间操作三大原则,无声操作：

所有操作过程不得有声音。

避免摩擦:

避免片子间的相互摩擦，影响片子表面质量。

避免污染:

严禁任何脏源接触片子，包括金属污染，浆料，手指印，汗渍，灰尘，化学品等。

结束,Thankyou!