电池系列之方块电阻摘要：本篇是丫丫自“半导体基础知识”篇之后，再次回归基础知识的学习记录。蒸发铝膜、导电漆膜、印制电路板铝箔膜等薄膜状导电材料，衡量它们厚度的最好方法就是测试它们的方阻。本篇学习记录主要涉及方阻的概念、意义、测量方法等。一、基本概念方阻就是方块电阻，又称面电阻，指一个正方形的薄膜导电材料边到边“之”间的电阻，如图一所示，即 B 边到 C 边的电阻值。方块电阻有一个特性，即任意大小的正方形边到边的电阻都是一样的，不管边长是 1 米还是 0.1 米，它们的方阻都是一样，这样方阻仅与导电膜的厚度等因素有关。方块电阻的计算公式：Rs=/t (其中 为块材的电阻率,t 为块材厚度）二、利用方阻监控扩散方块电阻是一个二级概念，真正的核心是扩散深度。一般扩散深度会影响电性能参数，因为扩散深度无法测量，所以只能通过测电阻来大概反映扩散深度和扩散浓度。他是一个深度和浓度，以及体材料多重作用的结果，至于其和电性能参数各值之间的线性关系，目前没有什么特定方程式，都是通过经验来控制在一定的方位，做到 30-50 的都有。方阻一般只是在扩散后进行监控，监控方阻就是为了监控扩散的稳定性。测试方阻跟最后的烧结工序的影响也是很重要的，因为结的深度也会影响你最后烧结的深度，否则有可能出现 Rs 的异常。所以方阻也是烧结条件的重要指标。一般结深则电阻小，掺杂浓度高。 电阻小了，掺杂量就高了，表面死层就会多，这样会牺牲很多电流；电阻大了，电流的收集就会比较困难；方阻要做高，是需要其他相关条件保障的，假如其他条件不满足，效率反而会降低。一般扩散温度越高，时间越长，流量越大，方阻就越小，结就越深。除了扩散之外，生产中的其它工序对方阻也会产生影响。一般如果是稳定生产，方阻也是稳定的。后道生产中，假如出现大量问题片，看症状跟方阻有可能相关的，就可以去反查工序中是否出现了问题，即使电池也是可以测试的。但是这个只能相对参考，一般公司都会规定方阻多少到多少之间的片子可以进入流程，另外的就要返工，但是因为是抽检，谁又能保障进入流程的都是好的呢，甚至员工有可能会偷懒，好的片子坏的片子都流入流程。三、方阻的测量1、 铜棒测方阻可不可以用万用表电阻档直接测试图一所示的材料呢？不可以的，因万用表的表笔只能测试点到点之间的电阻，而这个点到点之间的电阻不表示任何意义。如要测试方阻，首先我们需要在 A 边和 B 边各压上一个电阻比导电膜电阻小得多的圆铜棒，而且这个圆铜棒光洁度要高，以便和导电膜接触良好。这样我们就可以通过用万用表测试两铜棒之间的电阻来测出导电薄膜材料的方阻。如果方阻值比较小，如在几个欧姆以下，因为存在接触电阻以及万用表本身性能等因素，用万用表测试就会存在读数不稳和测不准的情况。这时就需要用专门的用四端测试的低电阻测试仪器，如毫欧计、微欧仪等。测试方法如下：用四根光洁的圆铜棒压在导电薄膜上，如图二所示。 四根铜棒用 A、B、C、D 表示，它们上面焊有导线接到毫欧计上，我们使 BC 之间的距离 L等于导电薄膜的宽度 W，至于 AB、CD 之间的距离没有要求，一般在 10-20mm 就可以了，接通毫欧计以后，毫欧计显示的阻值就是材料的方阻值。这种测试方法的优点是：（1）用这种方法毫欧计可以测试到几百毫欧，几十毫欧，甚至更小的方阻值。（2）由于采用四端测试，铜棒和导电膜之间的接触电阻，铜棒到仪器的引线电阻，即使比被测电阻大也不会影响测试精度。（3）测试精度高。由于毫欧计等仪器的精度很高，方阻的测试精度主要由膜宽 W 和导电棒BC 之间的距离 L 的机械精度决定，由于尺寸比较大，这个机械精度可以做得比较高。在实际操作时，为了提高测试精度和为了测试长条状材料，W 和 L 不一定相等，可以使 L 比 W大很多，此时方阻 Rs=Rx*W/L,Rx 为毫欧计读数。2、四探针法测方阻铜棒测方阻的方法虽然精度比较高，但比较麻烦，尤其在导电薄膜材料比较大，形状不整齐时，很难测试，这时就需要用专用的四探针探头来测试材料的方阻，如图三所示。 探头由四根探针阻成，要求四根探针头部的距离相等。四根探针由四根引联接到方阻测试仪上，当探头压在导电薄膜材料上面时，方阻计就能立即显示出材料的方阻值，具体原理是外端的两根探针产生电流场，内端上两根探针测试电流场在这两个探点上形成的电势。因为方阻越大，产生的电势也越大，因此就可以测出材料的方阻值。需要提出的是虽然都是四端测试，但原理上与图二所示用铜棒测方阻的方法不同。因电流场中仅少部分电流在BC 点上产生电压（电势）。所示灵敏度要低得多，比值为 1：4.53。影响探头法测试方阻精度的因素：（1）要求探头边缘到材料边缘的距离大大于探针间距，一般要求 10 倍以上。（2）要求探针头之间的距离相等，否则就要产生等比例测试误差。（3）理论上讲探针头与导电薄膜接触的点越小越好。但实际应用时，因针状电极容易破坏被测试的导电薄膜材料，所以一般采用圆形探针头。3、实际测量中需要注意的问题（1）如果被测导电薄膜材料表面上不干净，存在油污或材料暴露在空气中时间过长，形成氧化层，会影响测试稳定性和测试精度。在测试中需要引起注意。（2）如探头的探针存在油污等也会引起测试不稳，此时可以把探头在干净的白纸上滑动几下擦一擦可以了。（3）如果材料是蒸发铝膜等，蒸发的厚度又太薄的话，形成的铝膜不能均匀的连成一片，而是形成点状分布，此时方块电阻值会大大增加，与通过称重法计算的厚度和方阻值不一样，因此，此时就要考虑到加入修正系数。（4）上面介绍的测量方法适用于批量测试，假如是做研究，还需要遮光，最好用施美乐博的无接触扫描型测试，可精确反应面内各区域的方阻情况。电池系列之电池入门篇丫丫语录：单晶硅电池片的生产流程主要也就是清洗制绒扩散刻蚀去 PSGPECVD印刷烧结 测试分选，刚开始记起来我也很没有概念，去了几次车间，就比较牢固的印在脑子里了。所以建议有条件的朋友能进车间看看，有个直观印象，我想会更好些。摘要：初识光伏篇中丫丫带领我们学习了太阳能行业的相关背景知识和晶体硅太阳能电池的工作原理，本篇我们将继续跟随丫丫的脚步，探秘晶体硅太阳能电池的实际生产过程。一、基本概念1、制绒制绒，是指处理硅片的一种工艺方法，利用硅的各向异性腐蚀特性，使用腐蚀液在硅片表面刻出类似于金字塔或者是蜂窝状的结构。制绒按硅原料的不同可分为单晶制绒与多晶制绒，按腐蚀液的酸碱性可分为酸制绒与碱制绒。2、掺杂掺杂就是使杂质进入晶片内部，并在晶片中的某区域以一定浓度分布，从而改变器件的电学性能，掺入的杂质可以是 IIIA 族和 VA 族的元素。利用掺杂技术，可以制作 PN 结、欧姆接触区以及电阻等各种器件。常用的掺杂技术有扩散和离子注入两种。3、PN 结采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将 P 型半导体与 N 型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区，又称PN 结。PN 结具有单向导电性。4、等离子体刻蚀等离子体刻蚀（也称干法刻蚀）是集成电路制造中的关键工艺之一，其目的是完整地将掩膜图形复制到硅片表面，其范围涵盖前端 CMOS 栅级（Gate）大小的控制，以及后端金属铝的刻蚀及 Via 和 Trench 的刻蚀。刻蚀的工艺水平直接影响最终产品质量及生产技术的先进性。5、PSGPSG（Phospho Silicate Glass）是磷硅玻璃的意思，在太阳能电池片的扩散工艺后，硅片表面会形成一层 PSG，必须去除。二、晶体硅太阳能电池片的生产工艺与设备生产电池片的工艺比较复杂，一般要经过硅片检测、表面制绒、扩散制结、去磷硅玻璃、等离子刻蚀、镀减反射膜、丝网印刷、快速烧结和检测分装等主要步骤。电池片生产工艺流程下面依序介绍晶硅太阳能电池片生产的各项工艺与设备。1、硅片检测硅片是太阳能电池片的载体，硅片质量的好坏直接决定了太阳能电池片转换效率的高低，因此需要对来料硅片进行检测。该工序主要用来对硅片的一些技术参数进行在线测量，这些参数主要包括硅片表面不平整度、少子寿命、电阻率、P/N 型和微裂纹等。目前通用的硅片检测设备分自动上下料、硅片传输、系统整合部分和四个检测模块。其中，光伏硅片检测仪对硅片表面不平整度进行检测，同时检测硅片的尺寸和对角线等外观参数；微裂纹检测模块用来检测硅片的内部微裂纹；另外还有两个检测模组，其中一个在线测试模组主要测试硅片体电阻率和硅片类型，另一个模块用于检测硅片的少子寿命。在进行少子寿命和电阻率检测之前，需要先对硅片的对角线、微裂纹进行检测，并自动剔除破损硅片。硅片检测设备能够自动装片和卸片，并且能够将不合格品放到固定位置，从而提高检测精度和效率。2、表面制绒单晶硅绒面的制备是利用硅的各向异性腐蚀，在每平方厘米硅表面形成几百万个四面方锥体也即金字塔结构。由于入射光在表面的多次反射和折射，增加了光的吸收，提高了电池的短路电流和转换效率。制绒按硅原料的不同可分为单晶制绒与多晶制绒，按腐蚀液的酸碱性可分为酸制绒与碱制绒。硅的各向异性腐蚀液通常用热的碱性溶液，可用的碱有氢氧化钠，氢氧化钾、氢氧化锂和乙二胺等。大多使用廉价的浓度约为 1%的氢氧化钠稀溶液来制备绒面硅，腐蚀温度为 70-85。为了获得均匀的绒面，还应在溶液中酌量添加醇类如乙醇和异丙醇等作为络合剂，以加快硅的腐蚀。制备绒面前，硅片须先进行初步表面腐蚀，用碱性或酸性腐蚀液蚀去约2025m，在腐蚀绒面后，进行一般的化学清洗。经过表面准备的硅片都不宜在水中久存，以防沾污，应尽快扩散制结。3、扩散制结太阳能电池需要一个大面积的 PN 结以实现光能到电能的转换，而扩散炉即为制造太阳能电池 PN 结的专用设备。管式扩散炉主要由石英舟的上下载部分、废气室、炉体部分和气柜部分等四大部分组成。扩散一般用三氯氧磷液态源作为扩散源。把 P 型硅片放在管式扩散炉的石英容器内，在 850-900 摄氏度高温下使用氮气将三氯氧磷带入石英容器，通过三氯氧磷和硅片进行反应，得到磷原子。经过一定时间，磷原子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，形成了 N 型半导体和 P 型半导体的交界面，也就是 PN 结。这种方法制出的 PN 结均匀性好，方块电阻的不均匀性小于百分之十，少子寿命可大于 10ms。管式扩散炉制造 PN 结是太阳电池生产最基本也是最关键的工序。因为正是 PN 结的形成，才使电子和空穴在流动后不再回到原处，这样就形成了电流，用导线将电流引出，就是直流电。4、去 PSG去 PS 工艺用于太阳能电池片生产制造过程中，是通过化学腐蚀法也即把硅片放在氢氟酸溶液中浸泡，使其产生化学反应生成可溶性的络和物六氟硅酸，以去除扩散制结后在硅片表面形成的一层磷硅玻璃。在扩散过程中，POCL3 与 O2 反应生成 P2O5 淀积在硅片表面。 P2O5 与 Si 反应又生成 SiO2 和磷原子，这样就在硅片表面形成一层含有磷元素的 SiO2，称之为磷硅玻璃。去磷硅玻璃的设备一般由本体、清洗槽、伺服驱动系统、机械臂、电气控制系统和自动配酸系统等部分组成，主要动力源有氢氟酸、氮气、压缩空气、纯水，热排风和废水。氢氟酸能够溶解二氧化硅是因为氢氟酸与二氧化硅反应生成易挥发的四氟化硅气体。若氢氟酸过量，反应生成的四氟化硅会进一步与氢氟酸反应生成可溶性的络和物六氟硅酸。全自动去 PSG 清洗设备5、等离子刻蚀由于在扩散过程中，即使采用背靠背扩散，硅片的所有表面包括边缘都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。因此，必须对太阳能电池周边的掺杂硅进行刻蚀，以去除电池边缘的 PN 结。通常采用等离子刻蚀技术完成这一工艺。等离子刻蚀是在低压状态下，反应气体 CF4 的母体分子在射频功率的激发下，产生电离并形成等离子体。等离子体是由带电的电子和离子组成，反应腔体中的气体在电子的撞击下，除了转变成离子外，还能吸收能量并形成大量的活性基团。活性反应基团由于扩散