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 2.4 PECVD 2.5 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。,11,1.1.4 pn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,RENA Intex前清洗设备,2.1.4 RENA Intex前清洗（酸制绒）工艺,2.1.4.1 RENA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,Etch bath,Dryer1,Rinse1,Alkaline Rinse,Rinse2,Acidic Rinse,Rinse3,Dryer2,RENA Intex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,Etch bath：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。,Alkaline Rinse：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。,Acidic Rinse：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+H2O SiO2+ 4HF=SiF4+2H2O SiF4+2HF=H2SiF6 Si+2KOH+H2O K2SiO3 +2H2 NO2 + H2O = HNO3 + HNO2 Si + HNO2 = SiO2 + NO +H2O HNO3 + 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,2.3.2 RENA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 =3H2 SiF6 + 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+2H2O SiF4+2HF=H2SiF6 SiO2+ 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,RENA InOxSide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。,Etch bath,Rinse1,Alkaline Rinse,Rinse2,HF bath,Rinse3,Dryer2,2.3.5后清洗设备构造,Etch bath：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）。,Alkaline Rinse：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。,HF Bath：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,48,2.4 PECVD工艺简介,49,2.4.1 PECVD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,2.4.3 PECVD工艺原理,PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition） -等离子增强型化学气相沉积,52,Centrotherm PECVD,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