太陽(yáng)能電池及組件制造教學(xué)課件PPT.ppt

太陽(yáng)電池原理及工藝 技術(shù)質(zhì)量部2012 04 主要內(nèi)容 太陽(yáng)能發(fā)電及太陽(yáng)能電池 一 電池工藝簡(jiǎn)介 二 組件工藝簡(jiǎn)介 三 西安光伏項(xiàng)目簡(jiǎn)介 四 主要內(nèi)容 一太陽(yáng)能發(fā)電及太陽(yáng)能電池 1 1 太陽(yáng)能發(fā)電的概念太陽(yáng)電池發(fā)電 把照射到光伏電池上的光直接變換成電能輸出的光伏發(fā)電是太陽(yáng)能電池發(fā)電 太陽(yáng)能光伏發(fā)電是目前工程上廣泛使用的光電能轉(zhuǎn)換器件 晶體硅太陽(yáng)能電 生產(chǎn)工藝術(shù)成熟 已進(jìn)人大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn) 1 2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電的主要優(yōu)缺點(diǎn)太陽(yáng)能發(fā)電的主要優(yōu)點(diǎn)一次投資 收益永恒 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 體積小且輕 易安裝 易運(yùn)輸 建設(shè)周期短 容易起動(dòng) 維修簡(jiǎn)便 隨時(shí)使用 保證供應(yīng) 清潔 安全 無(wú)噪音 可靠性高 壽命長(zhǎng) 范圍廣 降價(jià)速度快 能量?jī)斶€時(shí)間有可能縮短 太陽(yáng)能光伏發(fā)電的主要缺點(diǎn) 能量分散 占地面積大 間歇性大 區(qū)域性強(qiáng) 晶體硅太陽(yáng)電池分類(lèi)單晶硅電池多晶硅電池 二晶體硅電池簡(jiǎn)介 電池結(jié)構(gòu) 電池結(jié)構(gòu) 電池工作原理 電子空穴對(duì)被內(nèi)建電場(chǎng)分離 在pn結(jié)兩端產(chǎn)生電勢(shì) 將pn結(jié)用導(dǎo)線連接 形成電流 吸收光子 產(chǎn)生電子空穴對(duì) 在太陽(yáng)電池兩端連接負(fù)載 實(shí)現(xiàn)了將光能向電能的轉(zhuǎn)換 太陽(yáng)電池電性能參數(shù) iscvoceffff isc 電池面積 光強(qiáng) 溫度 voc 光強(qiáng) 溫度 ff 串聯(lián)電阻 并聯(lián)電阻 太陽(yáng)電池電性能參數(shù) 開(kāi)路電壓voc短路電流isc串聯(lián)電阻rs并聯(lián)電阻rsh填充因子ff 開(kāi)路電壓 對(duì)理想的p n結(jié)電池最小飽和電流密度與禁帶寬度的關(guān)系 對(duì)于硅 禁帶寬度約為1 1ev 所得到最大voc約為700mv 相應(yīng)的最高ff為0 84 禁帶寬度約為1 4 1 6ev 轉(zhuǎn)化率會(huì)出現(xiàn)個(gè)峰值 砷化鎵具有接近最佳值的禁帶寬度 voc的損失主要在于表面和體內(nèi)復(fù)合 短路電流 表面的減反射程度 通過(guò)制絨和鍍減反射膜使反射率在10 以下 正面電極的印刷遮掉10 左右的入射光 電池片比較薄 部分光線會(huì)直接穿透電池片 不過(guò)現(xiàn)采用全背面印刷鋁漿對(duì)這損失有很大削弱 半導(dǎo)體體內(nèi)和表面的復(fù)合 短路電流損失途徑 串聯(lián)電阻 硅材料體電阻 金屬電極電阻 金屬與硅的接觸電阻 串聯(lián)電阻表達(dá)式 是正面電極金屬柵線電阻 rc1 rc2分別是正面 背面金屬半導(dǎo)體接觸電阻 rt是正面擴(kuò)散層的電阻 rb是基區(qū)體電阻 rmb是背面電極金屬層的電阻 金屬體電阻 其中rsq為厚膜金屬導(dǎo)體層的方塊電阻 厚膜印刷銀電極通常為0 003 0 005 l為柵線長(zhǎng)度 w為柵線寬度 對(duì)于鋁背場(chǎng)形式的背面電極 rsq通常為0 010 0 020 即可算出結(jié)果 金屬半導(dǎo)體接觸電阻 s是硅的介電常數(shù) nd是摻雜濃度 大致上nd 1019 cm3時(shí) rc將主要表現(xiàn)為隧道效應(yīng) 并隨著nd的增加迅速地下降 對(duì)于勢(shì)壘高度在0 6v左右的金屬材料 當(dāng)硅的摻雜濃度在1020 cm3附近時(shí) rc的數(shù)值大約為10 3 10 4 cm2 擴(kuò)散薄層電阻引起的串聯(lián)電阻 為擴(kuò)散層方塊電阻 l為電池主焊接電極方向尺寸 w為電池細(xì)柵線方向尺寸 m為細(xì)柵線條數(shù) 基區(qū)體電阻 d為基區(qū)厚度 約等于硅基片厚度 地面用太陽(yáng)電池基片材料電阻率通常使用范圍為0 5 cm 并聯(lián)電阻 邊緣漏電 刻蝕未完全 印刷漏漿 體內(nèi)雜質(zhì)和微觀缺陷pn結(jié)局部短路 擴(kuò)散結(jié)過(guò)淺 制絨角錐體顆粒過(guò)大 填充因子 ff和其他關(guān)鍵參數(shù)的關(guān)系 填充因子還可定義為 填充因子ff與入射光譜光強(qiáng) 短路電流 開(kāi)路電壓 串聯(lián)及并聯(lián)電阻密切相關(guān) 溫度對(duì)太陽(yáng)電池的影響 曲線1 25 曲線2 35 短路電流對(duì)溫度變化的敏感度不大 開(kāi)路電壓會(huì)隨溫度顯著變化 一般溫度每升高1 voc下降約0 4 填充因子ff因voc的關(guān)系 也會(huì)隨著溫度的上升而減小 輸出功率和效率隨溫度升高而下降 對(duì)硅而言 溫度高1 輸出功率減少0 4 0 5 光強(qiáng)對(duì)太陽(yáng)電池的影響 曲線1 1個(gè)太陽(yáng)曲線2 0 5個(gè)太陽(yáng) 光強(qiáng)對(duì)太陽(yáng)電池的影響 不同日照量下太陽(yáng)能電池片的i v曲線 電性能測(cè)試 光強(qiáng) 1000w m2光譜分布 am1 5電池溫度 25 電池工藝簡(jiǎn)介 根據(jù)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)過(guò)程 分為制絨 粗拋 制絨 清洗 擴(kuò)散 濕法刻蝕 pecvd 電極制備五部分 世界上最先進(jìn)的50mw電池生產(chǎn)線 表面結(jié)構(gòu)制備硅片表面損傷層的形成及處理方法絨面腐蝕的原理影響絨面質(zhì)量的關(guān)鍵因素及分析工藝控制方法化學(xué)清洗原理安全注意事項(xiàng)有效的絨面結(jié)構(gòu)有助于提高太陽(yáng)能電池性能 主要體現(xiàn)在短路電流 isc 的提高 單晶硅絨面 32 硅片表面處理的目的 33 硅片表面的機(jī)械損傷層 一 硅錠的鑄造過(guò)程 單晶硅 多晶硅 34 硅片表面的機(jī)械損傷層 二 多線切割 35 硅片表面的機(jī)械損傷層 三 機(jī)械損傷層 36 硅片表面的機(jī)械損傷層 三 切割損傷層的腐蝕 初拋 線切割損傷層厚度可達(dá)10微米左右 一般采用20 的堿溶液在90 條件腐蝕0 5 1min以達(dá)到去除損傷層的效果 此時(shí)的腐蝕速率可達(dá)到6 10um min 初拋時(shí)間在達(dá)到去除損傷層的基礎(chǔ)上盡量減短 以防硅片被腐蝕過(guò)薄 對(duì)于naoh濃度高于20 w v的情況 腐蝕速度主要取決于溶液的溫度 而與堿溶液實(shí)際濃度關(guān)系不大 37 硅片表面的機(jī)械損傷層 三 切割損傷層的腐蝕 初拋 若損傷層去除不足會(huì)出現(xiàn)3種可能情況 殘余缺陷 殘余缺陷在后續(xù)高溫處理過(guò)程中向材料深處繼續(xù)延伸 切割過(guò)程中導(dǎo)致的雜質(zhì)未能完全去除 硅酸鈉的熱導(dǎo)性很差 一般硅酸鈉超過(guò)一定的量時(shí) 腐蝕產(chǎn)生的熱量超過(guò)從溶液表面和容器側(cè)面所散發(fā)的熱量 使溶液的溫度持續(xù)升高 所以初拋液必須定期更換或排出部分溶液 38 金屬雜質(zhì)對(duì)電池性能的影響 絨面的制備有效的絨面結(jié)構(gòu)有助于提高太陽(yáng)能電池性能 主要體現(xiàn)在短路電流 isc 的提高 單晶硅絨面 倒金字塔結(jié)構(gòu) 金字塔結(jié)構(gòu) 工業(yè)上大部分采用naoh或koh 異丙醇 ipa 或乙醇和水的混合溶液制備絨面 40 制絨 表面織構(gòu)化 單晶硅片表面的金字塔狀絨面 單晶硅片表面反射率 41 利用低濃度堿溶液對(duì)晶體硅在不同晶體取向上具有不同腐蝕速率的各向異性腐蝕特性 在硅片表面腐蝕形成角錐體密布的表面形貌 就稱(chēng)為表面織構(gòu)化 角錐體四面全是由 111 面包圍形成 反應(yīng)式為 si 2naoh h2o na2sio3 2h2 42 角錐體的密度和它們的幾何特征同時(shí)影響著太陽(yáng)電池的陷光效率和前表面產(chǎn)生反射損失的最低限 尺寸一般控制在3 15微米 推測(cè)腐蝕反應(yīng)期間的產(chǎn)物氫氣泡的發(fā)展對(duì)角錐體的形成起著重要的作用 氣泡粘附在硅片表面 它們的掩蔽作用導(dǎo)致了溶液的側(cè)向腐蝕 這是角錐體形成過(guò)程的要素 43 制備絨面的目的 減少光的反射率 提高短路電流 isc 最終提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率 陷光原理 當(dāng)光入射到一定角度的斜面 光會(huì)反射到另一角度的斜面 形成二次或者多次吸收 從而增加吸收率 44 陷光原理圖示 45 naoh濃度無(wú)水乙醇或異丙醇濃度制絨槽內(nèi)硅酸鈉的累計(jì)量制絨腐蝕的溫度制絨腐蝕時(shí)間的長(zhǎng)短槽體密封程度 乙醇或異丙醇的揮發(fā)程度 46 制絨液中的乙醇或異丙醇 naoh 硅酸納三者濃度比例決定著溶液的腐蝕速率和角錐體形成情況 溶液溫度恒定在80 時(shí)發(fā)現(xiàn)腐蝕液naoh濃度在1 5 4 范圍之外將會(huì)破壞角錐體的幾何形狀 當(dāng)naoh處于合適范圍內(nèi)時(shí) 乙醇或異丙醇的濃度的上升會(huì)使腐蝕速率大幅度下降 47 維持制絨液中乙醇的含量為10vol 溫度85 時(shí)間30分鐘條件下 naoh濃度5g l時(shí)絨面形貌 48 naoh濃度15g l時(shí)絨面形貌 49 naoh濃度55g l時(shí)絨面形貌 50 絨面的平均反射率隨naoh濃度的變化 51 硅酸鈉在溶液中呈膠體狀態(tài) 大大的增加了溶液的粘稠度 對(duì)腐蝕液中oh離子從腐蝕液向反應(yīng)界面的輸運(yùn)過(guò)程具有緩沖作用 使得大批量腐蝕加工單晶硅絨面時(shí) 溶液中naoh含量具有較寬的工藝容差范圍 提高了產(chǎn)品工藝加工質(zhì)量的穩(wěn)定性和溶液的可重復(fù)性 硅酸鈉在制絨溶液中的含量從2 5 30 wt的情況下 溶液都具有良好的擇向性 同時(shí)硅片表面上能生成完全覆蓋角錐體的絨面 52 隨著硅酸鈉含量的增加 溶液粘度會(huì)增加 結(jié)果在硅片與片匣邊框接觸部位會(huì)產(chǎn)生 花籃印 一般濃度在30 以下不會(huì)發(fā)生這種變化 naoh濃度達(dá)到一定程度的基礎(chǔ)上 硅酸鈉來(lái)源大多是反應(yīng)的生成物 要調(diào)整它的濃度只能通過(guò)排放溶液 若要調(diào)整溶液的粘稠度 則采用加入添加劑乙醇或異丙醇來(lái)調(diào)節(jié) 53 氣泡的直徑 密度和腐蝕反應(yīng)的速率限定了硅片表面織構(gòu)的幾何特征 氣泡的大小以及在硅片表面停留的時(shí)間 與溶液的粘度 表面張力有關(guān)系 所以需要乙醇或異丙醇來(lái)調(diào)節(jié)溶液的粘滯特性 乙醇的含量在3vol 至20vol 的范圍內(nèi)變化時(shí) 制絨反應(yīng)的變化不大 都可以得到比較理想的絨面 而5vol 至10vol 的環(huán)境最佳 54 制絨液中naoh的濃度為15克 升 反應(yīng)溫度85 無(wú)乙醇時(shí)的絨面形貌 55 乙醇濃度3vol 時(shí)的絨面形貌 56 乙醇濃度10vol 時(shí)的絨面形貌 57 乙醇濃度30vol 時(shí)的絨面形貌 58 經(jīng)熱的濃堿去除損傷層后 硅片表面留下了許多膚淺的準(zhǔn)方形的腐蝕坑 1分鐘后 金字塔如雨后春筍 零星的冒出了頭 5分鐘后 硅片表面基本上被小金字塔覆蓋 少數(shù)已開(kāi)始長(zhǎng)大 我們稱(chēng)絨面形成初期的這種變化為金字塔 成核 10分鐘后 金字塔密布的絨面已經(jīng)形成 只是大小不均勻 反射率也降到了比較低的水平 隨著時(shí)間的延長(zhǎng) 金字塔向外擴(kuò)張兼并 體積逐漸膨脹 尺寸趨于均等 59 制絨液中含有15克 升的naoh和10vol 的乙醇 溫度85 經(jīng)過(guò)1min制絨的表面形貌 60 經(jīng)過(guò)5min制絨的表面形貌 61 經(jīng)過(guò)10min制絨的表面形貌 62 經(jīng)過(guò)30min制絨的表面形貌 63 不同時(shí)間制絨后 硅片的反射譜 64 若出現(xiàn)雨點(diǎn)狀的斑點(diǎn) 只要加入少量乙醇或異丙醇即可消除 若硅片上端部分光亮 表明液位不夠或溶液粘稠度過(guò)大 使籃框漂浮起來(lái) 若硅片表面有流水印 說(shuō)明溶液內(nèi)硅酸鈉過(guò)量 適當(dāng)加大naoh的用量 還有可能?chē)娏苄Ч焕硐?65 硅酸鈉含量的檢測(cè) 硅酸鈉具體含量測(cè)量是沒(méi)必要的 只要判定它的含量是否過(guò)量即可 實(shí)驗(yàn)是用100 的濃鹽酸滴定 若滴定一段時(shí)間后出現(xiàn)少量絮狀物 說(shuō)明硅酸鈉含量適中 若滴定開(kāi)始就出現(xiàn)一團(tuán)膠狀固體且隨滴定的進(jìn)行變多 說(shuō)明硅酸鈉過(guò)量 66 化學(xué)清洗原理 hf去除硅片表面氧化層 hcl去除硅片表面金屬雜質(zhì) 鹽酸具有酸和絡(luò)合劑的雙重作用 氯離子能與pt2 au3 ag cu cd2 hg2 等金屬離子形成可溶于水的絡(luò)合物 多晶硅絨面多晶硅表面的晶向結(jié)構(gòu)是隨意分布的 為了得到均一的絨面結(jié)構(gòu) 人們采用機(jī)械刻槽 等離子刻蝕 電火花刻蝕 激光束刻蝕 酸液腐蝕等技術(shù)制備多晶硅絨面 酸液腐蝕法hf和hno3為基礎(chǔ)的水溶液體系 酸對(duì)硅的腐蝕速度與晶粒取向無(wú)關(guān) 因此酸腐蝕又稱(chēng)為各向同性腐蝕 最近 也有研究者采用碳酸鈉 na2co3 碳酸鉀 k2co3 12水磷酸鈉 na3po4 12h2o 或醋酸鈉 ch3coona 制備單晶硅絨面 一般在酸中加入醋酸 ch3cooh 一方面 起到緩和反應(yīng)的作用 另一方面 很好的潤(rùn)濕硅表面 促進(jìn)反應(yīng) 加入水代替醋酸照樣能在硅表面形成很均勻的腐蝕坑 這樣既降低了成本 又起到了調(diào)節(jié)反應(yīng)劑濃度的作用 h3po4 85 加入到hf hno3體系中來(lái)腐蝕多晶硅 用酸蒸汽腐蝕硅片的方法 酸蒸汽腐蝕硅片最大的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)速度下降了 酸腐蝕可制備多孔硅結(jié)構(gòu) ps 多孔硅有很好的陷光作用和鈍化作用 也可通過(guò)在表面沉積一層諸如氧化物 氮化物或高分子之類(lèi)有孔的保護(hù)層進(jìn)行掩膜腐蝕 酸腐蝕液與硅片的反應(yīng) 陽(yáng)極 總反應(yīng)式 陰極 反應(yīng)離子刻蝕 rie 用cl2為反應(yīng)氣體的無(wú)掩膜反應(yīng)離子刻蝕法 并制備出了17 1 的大面積 225cm2 多晶硅太陽(yáng)能電池 sf6 o2為反應(yīng)氣體的金屬催化反應(yīng)離子刻蝕 研究者還用金屬材料做掩膜劑制備出均勻性更好的多晶硅絨面 也有用平板印刷法以sio2膠為掩膜進(jìn)行反應(yīng)離子刻蝕 其他方法 用放電加工方法 edm 制備多晶硅絨面 沒(méi)有減反射膜的情況下 多晶硅絨面的積分反射率小于20 最后制得的電池也有較好的效率 切割后硅片表面 rie腐蝕后硅片表面 酸液腐蝕后硅片表面 堿液腐蝕后硅片表面 幾種掩膜腐蝕絨面圖 不同制絨方法制得多晶硅絨面的反射率都有較大的降低 沉積sin膜后 不同絨面硅片之間的差距減小了 硅片封好后 不同制絨方法之間的差別進(jìn)一步減小了 edm絨面圖 清洗所用的化學(xué)藥品氫氧化鈉 naoh naoh能和動(dòng)植物油脂反應(yīng)生成甘油和肥皂 反應(yīng)生成的肥皂和甘油都易溶于水的 肥皂作為表面活性劑還可產(chǎn)生乳化作用 進(jìn)一步改善水溶液對(duì)垢層的表面的潤(rùn)濕性能 硫酸鈣鎂屬于強(qiáng)酸強(qiáng)堿沉淀鹽 故不能直接用強(qiáng)酸來(lái)溶解 氫氧化鈉可以與硫酸鎂鈣反應(yīng)生成氫氧化鈣或氫氧化鎂 反應(yīng)生成的na2so4是容易溶解的 mg oh 2和ca oh 2則用酸很容易溶解 對(duì)人體組織有明顯的腐蝕作用 接觸皮膚時(shí)會(huì)引起燒傷 堿溶液的濃度越大 溫度越高 則燒傷能力越強(qiáng) 即使是極少量的氫氧化鈉進(jìn)入眼睛也是很危險(xiǎn)的 乙醇 c2h6o 無(wú)色 流動(dòng) 易燃燒的液體 具有獨(dú)特的 酒精 氣味 有吸濕性 與水能形成共沸混合物 此混合物含酒精95 57 以重量計(jì) 乙醇可作為潤(rùn)濕劑 使硅片表面的h2氣體消除 有利于金字塔的形成 鹽酸 hcl 在清洗中 利用鹽酸具有強(qiáng)酸的特點(diǎn)來(lái)溶解硅表面的雜質(zhì) 所以多種金屬雜質(zhì)都能與鹽酸作用生成可溶性鹽類(lèi) 然后在大量高純水的沖洗下溶除 鹽酸為易揮發(fā)性酸 因此在40 以上使用時(shí) 氯化氫氣體會(huì)從鹽酸溶液中揮發(fā)出來(lái) 給使用帶來(lái)困難 一般使用10 以下濃度并在常溫下使用 盡量避免升溫使用以防止產(chǎn)生酸霧 雙氧水 h2o2 其氣味酷似硝酸 儲(chǔ)存時(shí)能分解為水及氧氣 其穩(wěn)定性隨著溶液的稀釋度而增加 能與水任意混溶 有強(qiáng)氧化性 在某些情況下又具有還原的性質(zhì) h2o2落于皮膚上即能引起燒傷和發(fā)癢 此時(shí)皮膚即行發(fā)白 被傷處經(jīng)用水洗后 此種現(xiàn)象很快消失 h2o2溶液儲(chǔ)存于玻璃器皿中時(shí) 能溶解玻璃的堿質(zhì) 有微量雜質(zhì)存在易引起分解爆炸 塑料瓶密封保存 氫氟酸 hf 與鹽酸相類(lèi)似 氫氟酸是氟化氫氣體溶于水形成的溶液 市場(chǎng)出售的氫氟酸一般為30 60 質(zhì)量 它是一種弱酸 酸的強(qiáng)度與有機(jī)酸中的甲酸相似 氫氟酸的最大特點(diǎn)在于它能與二氧化硅發(fā)生激烈反應(yīng)并使它溶解 氫氟酸對(duì)人體有很強(qiáng)的毒性和腐蝕性 對(duì)人體的滲透作用非常明顯 取用時(shí)應(yīng)十分注意 要戴好橡膠手套 防護(hù)面罩或口罩 工業(yè)上使用氫氟酸作酸洗劑時(shí)含量一般在5 以下 由于溫度升高 反應(yīng)速度明顯加快 所以溫度常控制在50 左右 硝酸 hno3 硝酸是一種易揮發(fā) 易分解的酸 硝酸在光 熱作用下或在某些化學(xué)物質(zhì)作用下分解 并有二氧化氮和氧氣放出 但應(yīng)注意的是硝酸分解產(chǎn)生的棕紅色二氧化氮?dú)怏w有很強(qiáng)的毒性 硝酸分解時(shí)產(chǎn)生的初生態(tài)原子氧 有很強(qiáng)的氧化性 由于硝酸在低濃度下對(duì)大多數(shù)金屬均有強(qiáng)烈腐蝕作用 因此用硝酸作酸洗劑時(shí) 為防止其對(duì)金屬的腐蝕也要加入緩蝕劑 硅酸鈉 na2sio3 硅酸鈉是一種廉價(jià)的緩沖劑 在清洗液中 它對(duì)控制ph值的變化 保證去污效果有一定作用 硅酸鈉與表面活性劑配合使用是所有助劑中最佳的潤(rùn)濕 乳化和抗絮凝劑 硅酸鈉加入液體清洗劑中易產(chǎn)生分層 沉淀現(xiàn)象 硅酸鈉作為緩蝕劑時(shí)使用的有效濃度為0 1 1 水玻璃中氧化鈉和氧化硅分子比稱(chēng)為水玻璃的模數(shù) 大多使用模數(shù)為2 4 3 3的水玻璃 異丙醇 ipa 無(wú)色透明的液體 稍帶酒精氣味 與水能形成共沸混合物 其中含異丙醇87 9 共沸點(diǎn)為80 37 易著火 閃電為12 能與空氣形成爆炸性混合物最低限度為28 體積 單晶槽式清洗制絨設(shè)備 80 磷擴(kuò)散 太陽(yáng)電池制造的核心工序 81 pn結(jié) 太陽(yáng)電池的心臟 擴(kuò)散的目的 形成pn結(jié) 82 pn結(jié)的制造 制造一個(gè)pn結(jié)并不是把兩塊不同類(lèi)型 p型和n型 的半導(dǎo)體接觸在一起就能形成的 必須使一塊完整的半導(dǎo)體晶體的一部分是p型區(qū)域 另一部分是n型區(qū)域 也就是在晶體內(nèi)部實(shí)現(xiàn)p型和n型半導(dǎo)體的接觸 83 擴(kuò)散裝置示意圖 管內(nèi)氣體中雜質(zhì)源的濃度擴(kuò)散溫度擴(kuò)散時(shí)間 84 管內(nèi)氣體中雜質(zhì)源濃度的大小決定著硅片n型區(qū)域磷濃度的大小 但是沉積在硅片表面的雜質(zhì)源達(dá)到一定程度時(shí) 將對(duì)n型區(qū)域的磷濃度改變影響不大 擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時(shí)間對(duì)擴(kuò)散結(jié)深影響較大 n型區(qū)域磷濃度和擴(kuò)散結(jié)深共同決定著方塊電阻的大小 85 三氯氧磷 pocl3 液態(tài)源擴(kuò)散 噴涂磷酸水溶液后鏈?zhǔn)綌U(kuò)散 絲網(wǎng)印刷磷漿料后鏈?zhǔn)綌U(kuò)散公司目前采用的是第一種方法 86 pocl3簡(jiǎn)介 pocl3是目前磷擴(kuò)散用得較多的一種雜質(zhì)源無(wú)色透明液體 具有刺激性氣味 如果純度不高則呈紅黃色 比重為1 67 熔點(diǎn)2 沸點(diǎn)107 在潮濕空氣中發(fā)煙 pocl3很容易發(fā)生水解 pocl3極易揮發(fā) 87 pocl3磷擴(kuò)散原理 pocl3在高溫下 600 分解生成五氯化磷 pcl5 和五氧化二磷 p2o5 其反應(yīng)式如下 生成的p2o5在擴(kuò)散溫度下與硅反應(yīng) 生成二氧化硅 sio2 和磷原子 其反應(yīng)式如下 由上面反應(yīng)式可以看出 pocl3熱分解時(shí) 如果沒(méi)有外來(lái)的氧 o2 參與其分解是不充分的 生成的pcl5是不易分解的 并且對(duì)硅有腐蝕作用 破壞硅片的表面狀態(tài) 但在有外來(lái)o2存在的情況下 pcl5會(huì)進(jìn)一步分解成p2o5并放出氯氣 cl2 其反應(yīng)式如下 生成的p2o5又進(jìn)一步與硅作用 生成sio2和磷原子 由此可見(jiàn) 在磷擴(kuò)散時(shí) 為了促使pocl3充分的分解和避免pcl5對(duì)硅片表面的腐蝕作用 必須在通氮?dú)獾耐瑫r(shí)通入一定流量的氧氣 在有氧氣的存在時(shí) pocl3熱分解的反應(yīng)式為 pocl3分解產(chǎn)生的p2o5淀積在硅片表面 p2o5與硅反應(yīng)生成sio2和磷原子 并在硅片表面形成一層磷 硅玻璃 然后磷原子再向硅中進(jìn)行擴(kuò)散 pocl3液態(tài)源擴(kuò)散方法具有生產(chǎn)效率較高 得到pn結(jié)均勻 平整和擴(kuò)散層表面良好等優(yōu)點(diǎn) 這對(duì)于制作具有大面積結(jié)的太陽(yáng)電池是非常重要的 91 清洗 飽和 裝片 送片 回溫 擴(kuò)散 關(guān)源 退舟 方塊電阻測(cè)量 卸片 92 初次擴(kuò)散前 擴(kuò)散爐石英管首先連接tca裝置 當(dāng)爐溫升至設(shè)定溫度 以設(shè)定流量通tca60分鐘清洗石英管 清洗開(kāi)始時(shí) 先開(kāi)o2 再開(kāi)tca 清洗結(jié)束后 先關(guān)tca 再關(guān)o2 清洗結(jié)束后 將石英管連接擴(kuò)散源瓶 待擴(kuò)散 93 每班生產(chǎn)前 需對(duì)石英管進(jìn)行飽和 爐溫升至設(shè)定溫度時(shí) 以設(shè)定流量通小n2 攜源 和o2 使石英管飽和 20分鐘后 關(guān)閉小n2和o2 初次擴(kuò)散前或停產(chǎn)一段時(shí)間以后恢復(fù)生產(chǎn)時(shí) 需使石英管在950 通源飽和1小時(shí)以上 94 戴好防護(hù)口罩和干凈的塑料手套 將清洗甩干的硅片從傳遞窗口取出 放在上料潔凈臺(tái)上 用自動(dòng)機(jī)械手將硅片從硅片盒中取出 插入石英舟 機(jī)械手將裝滿(mǎn)硅片的石英舟放在碳化硅臂漿上 保證平穩(wěn) 緩緩?fù)迫霐U(kuò)散爐 打開(kāi)o2 等待石英管升溫至設(shè)定溫度 打開(kāi)小n2 以設(shè)定流量通小n2 攜源 進(jìn)行擴(kuò)散擴(kuò)散結(jié)束后 關(guān)閉小n2和o2 將石英舟緩緩?fù)酥翣t口 降溫以后 用舟叉從臂槳上取下石英舟 并立即放上新的石英舟 進(jìn)行下一輪擴(kuò)散 95 如沒(méi)有待擴(kuò)散的硅片 將臂漿推入擴(kuò)散爐 盡量縮短臂槳暴露在空氣中的時(shí)間 等待硅片冷卻后 將硅片從石英舟上卸下并放置在硅片盒中 放入傳遞窗 在太陽(yáng)電池?cái)U(kuò)散工藝中 擴(kuò)散層薄層電阻 方塊電阻 是反映擴(kuò)散層質(zhì)量是否符合設(shè)計(jì)要求的重要工藝指標(biāo)之一 方塊電阻也是標(biāo)志進(jìn)入半導(dǎo)體中的雜質(zhì)總量的一個(gè)重要參數(shù) 96 方塊電阻的定義 考慮一塊長(zhǎng)為l 寬為a 厚為t的薄層如右圖 如果該薄層材料的電阻率為 則該整個(gè)薄層的電阻為 當(dāng)l a 即為一個(gè)方塊 時(shí) r t 可見(jiàn) t 代表一個(gè)方塊的電阻 故稱(chēng)為方塊電阻 特記為r t 97 目前生產(chǎn)中 測(cè)量擴(kuò)散層薄層電阻廣泛采用四探針?lè)?測(cè)量裝置示意圖如圖所示 圖中直線陳列四根金屬探針 一般用鎢絲腐蝕而成 排列在彼此相距為s一直線上 并且要求探針同時(shí)與樣品表面接觸良好 外面一對(duì)探針用來(lái)通電流 當(dāng)有電流注入時(shí) 樣品內(nèi)部各點(diǎn)將產(chǎn)生電位 里面一對(duì)探針用來(lái)測(cè)量2 3點(diǎn)間的電位差 98 工藝衛(wèi)生 所有工夾具必須永遠(yuǎn)保持干凈的狀態(tài) 包括吸筆 石英舟 石英舟叉子 碳化硅臂槳 吸筆應(yīng)放在干凈的玻璃燒杯內(nèi) 不得直接與人體或其它未經(jīng)清洗的表面接觸 石英舟和石英舟叉應(yīng)放置在清洗干凈的玻璃表面上 碳化硅臂槳暴露在空氣中的時(shí)間應(yīng)做到越短越好 99 所有的石英器具都必須輕拿輕放 源瓶更換的標(biāo)準(zhǔn)操作過(guò)程依次關(guān)閉進(jìn)氣閥門(mén) 出氣閥門(mén) 拔出連接管道 更換源瓶 連接管道 打開(kāi)出氣閥門(mén) 進(jìn)氣閥門(mén) 100 擴(kuò)散方塊電阻控制在47 52 之間 同一爐擴(kuò)散方塊電阻不均勻度 20 同一硅片擴(kuò)散方塊電阻不均勻度 10 表面無(wú)明顯因偏磷酸滴落或其他原因引起的污染 擴(kuò)散所用到的化學(xué)品及其性質(zhì)液氧 o2 氧在常溫常壓下為無(wú)色無(wú)臭無(wú)味的氣體 液化后成藍(lán)色 氧本身不燃燒 但能助燃 液態(tài)氧能刺激皮膚和組織 能引起冷燒傷 從液態(tài)氧蒸發(fā)的氧氣易被衣服吸收 而且遇到任何一種火源均可引起燃燒 液氧要用杜瓦瓶或車(chē)貯運(yùn) 存放時(shí)必須與可燃物隔絕 避免受熱 液氧車(chē)最好放在室外 如果發(fā)生火災(zāi) 又來(lái)不及轉(zhuǎn)移時(shí) 對(duì)槽車(chē)要澆水冷卻 以防受熱爆炸后流出的液氧急劇助長(zhǎng)火勢(shì) 液氮 n2 氮本身無(wú)毒 然而 高濃度的氮?dú)饪梢鹬舷?液氮接觸皮膚能引起冷燒傷 吸入高濃度的氮?dú)獾幕颊邞?yīng)迅速轉(zhuǎn)移至空氣新鮮處 安置休息并保持溫暖 皮膚接觸液氮時(shí)立即用水沖洗 如果產(chǎn)生凍瘡時(shí)必須就醫(yī)診治 氮?dú)庖檬軌轰撈績(jī)?chǔ)存 液氮要用絕熱容器 槽車(chē)貯運(yùn) 當(dāng)出現(xiàn)火情時(shí) 不能往液氮容器中灌進(jìn)水 廢氣可排入大氣中 三氯氧磷 pocl3 無(wú)色澄清液體 有刺激性氣味 強(qiáng)烈發(fā)煙 強(qiáng)烈刺激皮膚 眼和粘膜 常因溶有氯氣或五氧化磷二呈紅黃色 源的保存 pocl3必須在低溫避光保存 例如 在一般冰箱中保存 為了保證擴(kuò)散前的均勻性 一致性 源應(yīng)該保持在0 或者至少在擴(kuò)散時(shí)間保持在0 三氯乙烷 tca tca高溫清洗爐管是一種先進(jìn)有效的工藝 但是tca是一種有毒的化學(xué)溶劑 有較高的蒸氣壓 tca在高溫過(guò)程中能分解出對(duì)人體有害的劇毒物質(zhì)氯氣 cl2 和光氣 cocl2 tca要經(jīng)常保存在低于25 和防止容器破碎的環(huán)境中 tca的轉(zhuǎn)移必須在通風(fēng)的條件下進(jìn)行 操作人員必須配戴穿防護(hù)服 tca在使用前 必須進(jìn)行安全檢查 所有操作人員必須經(jīng)過(guò)操作程序和安全規(guī)則的訓(xùn)練 未經(jīng)訓(xùn)練人員不得參加操作 如發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象 操作人員必須馬上進(jìn)入緊急狀態(tài)和應(yīng)急處理程序 所有實(shí)驗(yàn)區(qū)人員必須立即戴上防毒面具 切斷tca 調(diào)高氧氣流量至4l 分 然后撤離試驗(yàn)區(qū) 應(yīng)急處理程序時(shí)間不低于30分鐘 全自動(dòng)管式擴(kuò)散爐 刻邊工藝 p n結(jié)分離工藝研究概況rsh過(guò)小 就會(huì)有更多的電流通過(guò)rsh泄漏到負(fù)極 導(dǎo)致電池的jsc ff及 降低 并聯(lián)電阻分體內(nèi)并聯(lián)電阻和邊緣并聯(lián)電阻 對(duì)于一個(gè)硅片來(lái)說(shuō) 一般20 的泄漏電流通過(guò)體內(nèi)并聯(lián)電阻 而80 的泄漏電流通過(guò)邊緣并聯(lián)電阻 工業(yè)p n分離的方法 等離子刻蝕 等離子刻蝕用到毒性氣體cf4 電池片間層壓的過(guò)程中容易導(dǎo)致碎片 崩邊 崩點(diǎn)等問(wèn)題 降低成品率 隨著切割技術(shù)的發(fā)展 硅片越來(lái)越薄 這個(gè)問(wèn)題也更加突出 也可用激光或金剛石刀將邊緣發(fā)射極直接切掉 但減少了電池的有效面積 heijjo等人研究了一種堿液腐蝕去邊工藝 有效的提高了電池參數(shù) 等離子刻蝕基本概念等離子體 若采取某種手段 如加熱 放電等 使氣體分子離解和電離 當(dāng)電離產(chǎn)生帶電粒子密度達(dá)到一定數(shù)值時(shí) 物質(zhì)狀態(tài)便又出現(xiàn)新變化 這時(shí)的電離氣體已不再是原來(lái)的氣體了 鑒于無(wú)論部分電離還是完全電離 其中的正電荷總數(shù)和負(fù)電荷總數(shù)在數(shù)值上總是相等的 故稱(chēng)為等離子體 是帶電粒子和中性粒子組成的集合體 它是一種導(dǎo)電流體 而又能在與氣體體積相比擬的宏觀尺度內(nèi)維持電中性 氣體分子間并不存在靜電磁力 而電離氣體中的帶電粒子間存在庫(kù)侖力 由此導(dǎo)致帶電粒子群的種種集體運(yùn)動(dòng) 作為一個(gè)帶電粒子系 其運(yùn)動(dòng)行為會(huì)受到磁場(chǎng)的影響和支配 等離子體產(chǎn)生方法氣體放電法 高頻氣體放電法 13 56mhz 射線輻照法光電離法激光等離子體熱電離法激波等離子體等離子體狀態(tài)的幾個(gè)區(qū)域 4 3 3 刻蝕中的化學(xué)物質(zhì)四氟化碳 cf4 四氟化碳在常溫常壓下為無(wú)色無(wú)臭有輕微醚味的氣體 空氣中不燃燒 是比較穩(wěn)定的無(wú)毒物質(zhì) 但是在高溫時(shí) 或與可燃?xì)怏w一同燃燒時(shí) 分解出有毒的氟化物 4 3 4 刻蝕中的化學(xué)反應(yīng) 濕法刻蝕設(shè)備 pecvd 減反射膜制備 減反射膜概況特點(diǎn) 太陽(yáng)能電池表面電介質(zhì)膜須具有減反射性 表面鈍化性能 化學(xué)穩(wěn)定性 高溫穩(wěn)定性 適于批量化和低成本等特點(diǎn) 化學(xué)穩(wěn)定性對(duì)腐蝕物的不溶性 對(duì)腐蝕物的阻擋性 與基體形成強(qiáng)鍵 阻擋邊上或涂層上缺陷處的化學(xué)腐蝕 高溫穩(wěn)定性經(jīng)過(guò)高溫后它的物理性質(zhì) 剝落或裂開(kāi) 光學(xué)性質(zhì) 吸光性增加 電學(xué)性質(zhì) 表面鈍化 不會(huì)變差 批量化和低成本對(duì)商業(yè)化的太陽(yáng)能電池 高批量程度 低成本 高產(chǎn)量和高效率非常重要 傳送帶傳輸硅片 傳送帶之間靠機(jī)械手轉(zhuǎn)移 各種減反射膜及其特點(diǎn) 二氧化硅 sio2 比較容易沉積 不需要專(zhuān)用設(shè)備 退火 sio2有很好的鈍化性能 fz si都取得了非常好的結(jié)果 效率可達(dá)到20 6 它的低折射率 n 1 46 這對(duì)于加乙基醋酸乙烯 eva 和玻璃 對(duì)大部分太陽(yáng)光譜的折射系數(shù)是1 5 后封裝起來(lái)的太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō) 不易做減反射膜 氮化硅 si3n4 si3n4的折射率較高 si3n4在 300 1200nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的折射率n 2 0 2 2 而且很少散射 lpcvd制作的si3n4膜耐化學(xué)腐蝕性很好 廣泛用于半導(dǎo)體工業(yè) si3n4膜有較好的擴(kuò)散鈍化效果和更好的掩膜性能 這對(duì)選擇性發(fā)射極很有意義 si3n4膜最大的不足是對(duì)硅片幾乎沒(méi)有表面鈍化性能 在沉積si3n4之前 應(yīng)先生長(zhǎng)一層熱氧化sio2以鈍化表面 unsw用si3n4 sio2結(jié)構(gòu)制備的fz硅太陽(yáng)能電池效率達(dá)到19 2 多晶硅太陽(yáng)能電池效率也達(dá)到17 5 可改變現(xiàn)有l(wèi)pcvd設(shè)備結(jié)構(gòu)來(lái)提高si3n4中氫原子濃度 sinx h 早期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)太陽(yáng)能電池的lpcvdsin膜在氫等離子氣氛中處理后 效率可提高5 左右 氧氮化硅 sion 制備方法 pecvd lpcvd sio2膜的氮化 膜的氮 氧 n o 比率可以變化 可以在硅的界面增加氮的濃度 減小扭曲硅 氧鍵的濃度 較低表面態(tài)的密度 sion的鈍化效果比較差 表面復(fù)合速度高達(dá)10000cm s 而且折射率較低 n 1 7 硫化鋅膜 zns 制備方法 熱蒸發(fā)工藝沉積 濺射 噴涂熱分解法沉積 但它和氟化鎂 mgf2 共用組成空間電池用的雙減反射膜乙在實(shí)驗(yàn)室廣泛應(yīng)用 最常用的雙反射層減反射膜為110nmmgf2 35nmzns 在界面生長(zhǎng)一層20nm厚的sio2膜 雖然高溫蒸發(fā)工藝能提高zns膜的化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定型 但其在水溶液中不十分穩(wěn)定 二氧化鈦 tio2 制備方法 常壓化學(xué)氣相沉積 apcvd 噴射沉積法 旋轉(zhuǎn)涂布法 直到九十年代 tio2都是pv工業(yè)的主要減反射膜 高折射系數(shù) n 1 90 2 45 其對(duì)波長(zhǎng)大于350nm光的消光系數(shù)小于0 1 商業(yè)封裝后tio2太陽(yáng)能電池的效率提高3 玻璃 tio2 絨面硅片在450 1020nm范圍內(nèi)的反射率小于5 在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的平均反射率可達(dá)5 8 這對(duì)于封裝后slar膜太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)效果非常好 0 600nm最小反射率的結(jié)構(gòu)為低折射率的上層 ntop 1 579 dtop 95 0nm 和高折射率的下層 nbot 2 494 dbot 60 1nm 的dlar在拋光硅片上取得較好的效果 一些研究者還研究了三氧化二鋁 al2o3 tio2的光學(xué)性質(zhì) 發(fā)現(xiàn)其效率提高將近3 5 對(duì)硅片表面沒(méi)有鈍化效果 需在下面制備一層sio2 但其對(duì)sio2鈍化層的的厚度敏感 tio2膜還具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性 高溫穩(wěn)定性 低成本 適于大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn) 減反射膜的鈍化作用表面雜質(zhì) 表面缺陷多晶硅材料的缺點(diǎn)之一是表面的不均一性 這些不均一性包括多晶硅材料的晶界及晶粒內(nèi)部諸如斷層等缺陷外來(lái)表面缺陷與加工工藝聯(lián)系有很大關(guān)系 例如表面的錯(cuò)層損傷 化學(xué)沉積物和金屬沉積物 鈍化作用pecvd沉積sin膜時(shí) 反應(yīng)產(chǎn)生的氣體中含氫 因此沉積的薄膜中有較高的氫含量 氫會(huì)從sin薄膜中釋放 擴(kuò)散到界面和硅中 最終與懸掛鍵結(jié)合 起到鈍化作用 pecvd沉積sin薄膜會(huì)有一定程度的表面損傷 形成較多空位 空位能增強(qiáng)氫的擴(kuò)散 和氫形成氫 空位對(duì) v h 使氫更容易與缺陷及晶界處的懸掛鍵結(jié)合 從而減小界面態(tài)密度和復(fù)合中心 氮化硅膜的顏色與厚度的對(duì)比表 117 sinx h簡(jiǎn)介sinx h在太陽(yáng)電池中的應(yīng)用pecvd原理光學(xué)特性和鈍化技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及安全事項(xiàng) 118 sinx h簡(jiǎn)介 物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì) 結(jié)構(gòu)致密 硬度大能抵御堿金屬離子的侵蝕介電強(qiáng)度高耐濕性好耐一般的酸堿 除hf和熱h3po4 119 正常的sinx的si n之比為0 75 即si3n4 但是pecvd沉積氮化硅的化學(xué)計(jì)量比會(huì)隨工藝不同而變化 si n變化的范圍在0 75 2左右 除了si和n pecvd的氮化硅一般還包含一定比例的氫原子 即sixnyhz或sinx h si n比對(duì)sinx薄膜性質(zhì)的影響電阻率隨x增加而降低折射率n隨x增加而增加腐蝕速率隨密度增加而降低 120 自從1981年 hezel sinx開(kāi)始應(yīng)用于晶體硅太陽(yáng)電池 減反射膜 鈍化薄膜 n 發(fā)射極 121 sinx的優(yōu)點(diǎn) 優(yōu)良的表面鈍化效果高效的光學(xué)減反射性能 厚度和折射率匹配 低溫工藝 有效降低成本 含氫sinx h可以對(duì)mc si提供體鈍化 122 123 pecvd pecvd plasmaenhancedchemicalvapordeposition即 等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積 是一種化學(xué)氣相沉積 其它的有hwcvd lpcvd mocvd等 pecvd是借助微波或射頻等使含有薄膜組成原子的氣體電離 在局部形成等離子體 而等離子化學(xué)活性很強(qiáng) 很容易發(fā)生反應(yīng) 在基片上沉積出所期望的薄膜 124 地球上 物質(zhì)有三態(tài) 即 固 液 氣 其共同點(diǎn)是由原子或分子組成 即基本單元是原子和分子 且為電中性 等離子體 氣體在一定條件下受到高能激發(fā) 發(fā)生電離 部分外層電子脫離原子核 形成電子 正離子和中性粒子混合組成的一種形態(tài) 這種形態(tài)就稱(chēng)為等離子態(tài) 即第四態(tài) 等離子體從宏觀來(lái)說(shuō)也是電中性 但是在局部可以為非電中性 125 pecvd原理 pecvd技術(shù)原理是利用低溫等離子體作能量源 樣品置于低氣壓下輝光放電的陰極上 利用輝光放電 或另加發(fā)熱體 使樣品升溫到預(yù)定的溫度 然后通入適量的反應(yīng)氣體 氣體經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)和等離子體反應(yīng) 在樣品表面形成固態(tài)薄膜 pecvd方法區(qū)別于其它c(diǎn)vd方法的特點(diǎn)在于等離子體中含有大量高能量的電子 它們可以提供化學(xué)氣相沉積過(guò)程所需的激活能 電子與氣相分子的碰撞可以促進(jìn)氣體分子的分解 化合 激發(fā)和電離過(guò)程 生成活性很高的各種化學(xué)基團(tuán) 因而顯著降低cvd薄膜沉積的溫度范圍 使得原來(lái)需要在高溫下才能進(jìn)行的cvd過(guò)程得以在低溫下實(shí)現(xiàn) 126 cvd各工藝條件的比較 其它方法的沉積溫度 apcvd 常壓cvd 700 1000 lpcvd 低壓cvd 750 0 1mbar對(duì)比pecvd 300 450 0 1mbar 127 pecvd的特點(diǎn) pecvd的一個(gè)基本特征是實(shí)現(xiàn)了薄膜沉積工藝的低溫化 450 因此帶來(lái)的好處 節(jié)省能源 降低成本提高產(chǎn)能減少了高溫導(dǎo)致的硅片中少子壽命衰減 128 pecvd種類(lèi) pecvd的種類(lèi) 直接式 基片位于一個(gè)電極上 直接接觸等離子體 低頻放電10 500khz或高頻13 56mhz 間接式 基片不接觸激發(fā)電極 如2 45ghz微波激發(fā)等離子 129 pecvd種類(lèi) 間接pecvd的特點(diǎn) 在微波激發(fā)等離子的設(shè)備里 等離子產(chǎn)生在反應(yīng)腔之外 然后由石英管導(dǎo)入反應(yīng)腔中 在這種設(shè)備里微波只激發(fā)nh3 而sih4直接進(jìn)入反應(yīng)腔 間接pecvd的沉積速率比直接的要高很多 這對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)尤其重要 130 光學(xué)參數(shù) 131 光學(xué)參數(shù) 厚度的均勻性 nominal約70nm 同一硅片 5 同一片盒內(nèi)的硅片 5 不同片盒內(nèi)的硅片 5 折射率 nominal約2 1 同一硅片 0 5 同一片盒內(nèi)的硅片 0 5 不同片盒內(nèi)的硅片 0 5 132 鈍化技術(shù) 對(duì)于si 因存在較高的晶界 點(diǎn)缺陷 空位 填隙原子 金屬雜質(zhì) 氧 氮及他們的復(fù)合物 對(duì)材料表面和體內(nèi)缺陷的鈍化尤為重要 除前面提到的吸雜技術(shù)外 鈍化工藝一般分表面氧鈍化和氫鈍化 表面氧鈍化 通過(guò)熱氧化使硅懸掛鍵飽和是一種比較常用的方法 可使si sio2界面的復(fù)合速度大大下降 其鈍化效果取決于發(fā)射區(qū)的表面濃度 界面態(tài)密度和電子 空穴的俘獲截面 在氫氣氛圍中退火可使鈍化效果更加明顯 133 鈍化技術(shù) 氫鈍化 鈍化硅體內(nèi)的懸掛鍵等缺陷 在晶體生長(zhǎng)中受應(yīng)力等影響造成缺陷越多的硅材料 氫鈍化的效果越好 氫鈍化可采用離子注入或等離子體處理 在多晶硅太陽(yáng)電池表面采用pecvd法鍍上一層氮化硅減反射膜 由于硅烷分解時(shí)產(chǎn)生氫離子 對(duì)多晶硅可產(chǎn)生氫鈍化的效果 應(yīng)用pecvdsi3n4可使表面復(fù)合速度小于20cm s 134 二氧化硅膜和氮化硅膜的比較 二氧化硅膜的表面復(fù)合速率明顯高于氮化硅膜 也就是說(shuō)氮化硅膜的鈍化效果比二氧化硅膜好 若表面氧鈍化采用在氫氣氛圍中退火 鈍化效果會(huì)有所改善 氮化硅所用到的化學(xué)物質(zhì)硅烷 sih4 硅烷在常溫常壓下為具有惡臭的無(wú)色氣體 在室溫下著火 硅烷是強(qiáng)還原劑 與重金屬鹵化物激烈反應(yīng) 與氯 溴發(fā)生爆炸性反應(yīng) 與四氯化碳激烈反應(yīng) 當(dāng)硅烷大量泄漏時(shí) 緊接著就要著火 應(yīng)盡可能去關(guān)閉閥門(mén)以止住氣體的流出 氨 nh3 氨在常溫常壓下為具有特殊刺激惡臭的無(wú)色有毒氣體 比空氣輕 氨在常溫下穩(wěn)定 但在高溫分解生成氫和氮 氨成堿性 具有強(qiáng)腐蝕性 易溶于水 并生成氫氧化胺即氨水 對(duì)銅 銀 錫 鋅及其合金發(fā)生激烈作用 最高容許濃度 25ppm 18mg m3 對(duì)人身體有刺激作用 當(dāng)出現(xiàn)氨泄漏時(shí)用濕草席等蓋在泄漏處或漏出來(lái)的氨液上 然后從遠(yuǎn)處用水管沖洗 氣體大量噴出時(shí) 在遠(yuǎn)處用噴射霧狀水吸收之 液體附著物要用大量水沖洗或用含鹽酸的水中和 板式pecvd設(shè)備 電極制備絲網(wǎng)印刷的原理帶有掩模的絲網(wǎng) 尼龍 聚酯 絲綢或金屬網(wǎng) 和待印的基片固定在印刷機(jī)上 在末印刷時(shí) 兩者之間保持一定的距離 印刷刮板沿絲網(wǎng)移動(dòng)時(shí) 把漿料壓入網(wǎng)孔中 同時(shí)刮板對(duì)漿料產(chǎn)生剪切作用 而漿料因具有觸變性 在刮板切應(yīng)力作用下 黏度迅速降低 刮板壓下絲網(wǎng)與基片相接觸的瞬間 網(wǎng)孔中的漿料也與基片相接觸 當(dāng)刮板剛一掠過(guò)之后 絲網(wǎng)即依靠彈力迅速?gòu)?fù)位而基片脫離接觸 但由于此時(shí)漿料的粘度很抵 絲網(wǎng)對(duì)其作用力比向下的力小得多 因此 在絲網(wǎng)彈回的過(guò)程中 網(wǎng)孔中的漿料就被轉(zhuǎn)印到基片上 此后 由于作用于漿料的切應(yīng)力已消除 因此漿料黏度迅速增大 從而保證了漿料在基片上不致過(guò)流 其極低的流動(dòng)性?xún)H能使?jié){料上的絲網(wǎng)印痕流平 消失 而不會(huì)影響印刷圖案的清晰度 漿料對(duì)于漿料 有導(dǎo)體漿料 電阻漿料和絕緣漿料3種 漿料一般由貴金屬和低熔點(diǎn)玻璃組成 制作厚膜是應(yīng)注意漿料的材質(zhì) 黏度和膨脹系數(shù)等 經(jīng)高溫?zé)?有機(jī)樹(shù)脂粘合劑被燃燒掉 剩下幾乎是純粹的 由于玻璃質(zhì)的作用而密合在基板上的貴金屬 厚膜漿料的基本組成厚膜漿料是固體微粒均勻分散在有機(jī)載體中組成的分散體系 其固體微粒的直徑范圍很寬 是膠體粒度范圍到懸浮體粒徑范圍的多級(jí)分散體系 因此厚膜漿料實(shí)際上是膠體與懸浮體的混合體 厚膜漿料的固體微粒含量很高 它們由簡(jiǎn)單分子或原子團(tuán)組成 包圍在固體微粒周?chē)氖潜环Q(chēng)為有機(jī)載體的液體介質(zhì) 厚膜漿料中固體微粒依靠它與液體介質(zhì)的相互吸引力 克服自身重力而懸浮于液體介質(zhì)中 固體微粒與液體介質(zhì)的接觸面上會(huì)產(chǎn)生具有相反電荷的雙電層 這種雙電層構(gòu)成了固 液兩相互相吸附的動(dòng)力 而這種相互吸附的固 液質(zhì)點(diǎn)又構(gòu)成了一種核團(tuán) 若干個(gè)相互吸附的核團(tuán)與剩余的液體介質(zhì)就構(gòu)成了懸浮狀態(tài) 139 電池片絲網(wǎng)印刷的三步驟 背電極印刷及烘干漿料 ag al漿如ferro3398背電場(chǎng)印刷及烘干漿料 al漿如ferrofx53 038正面電極印刷及烘干漿料 ag漿如ferrocn33 462 140 背面agal漿可焊電極印刷 絲網(wǎng)的材質(zhì) 不銹鋼絲網(wǎng)目數(shù) 280目目數(shù)的定義 單位面積 英寸或cm 上絲網(wǎng)孔的數(shù)量 2 絲直徑 46 53 m3 絲網(wǎng)厚度 82 90 m4 膜厚 15 m5 靜態(tài)張力 25n 141 背面電極印刷參數(shù) 在印刷圖形完好時(shí) 印刷頭壓力在范圍內(nèi)盡可能的小 142 背面電極及電場(chǎng)圖示 143 背面圖形的優(yōu)缺點(diǎn) 圖1 缺點(diǎn) 焊條為長(zhǎng)條狀 浪費(fèi)了agal漿優(yōu)點(diǎn) 一旦出現(xiàn)碎片后 可以順利的劃成碎片圖2 優(yōu)點(diǎn) 可以大大節(jié)省agal漿 降低成本缺點(diǎn) 一旦出現(xiàn)碎片后 斷成小片 利用率大大降低 144 正面柵線設(shè)計(jì) 145 正面柵線設(shè)計(jì) 細(xì)柵線數(shù) 44最邊緣的細(xì)柵線到電池邊緣的距離為1 7mm0 125 44 1 7 2 43 2 7 125兩根細(xì)柵線之間的距離為2 7mm主柵線的寬度1 5mm 鋁背場(chǎng)工藝太陽(yáng)能電池鋁背場(chǎng)的研究提高電壓的機(jī)制 pn結(jié)能帶圖及其開(kāi)路電壓 背靠背擴(kuò)散后能帶圖及其電壓 這里 很明顯 鋁背場(chǎng)燒結(jié)后在背面形成了p 層 提高了開(kāi)路電壓 降低表面復(fù)合速度 背面復(fù)合速度隨燒結(jié)溫度升高 al沉積量的增大減小 背反射效果 al背反射器對(duì)紅光的反射率隨膜厚增大減小 隨溫度升高減小 比較好的bsf的燒結(jié)溫度在800 850 當(dāng)在硅片上al層在高溫下燒結(jié)時(shí)后 sims數(shù)據(jù)顯示在硅片的各個(gè)部分bsf很不均勻 這是因?yàn)槌练e的鋁層比較薄 且硅鋁的不理想共熔 腐蝕掉表面鋁后 硅片表面的sem圖顯示硅片表面很粗糙 這可認(rèn)為是硅優(yōu)先熔融的結(jié)果 與硅片斷層的密度 鋁層與硅片的粘結(jié)性和晶粒的取向有關(guān) 經(jīng)研究發(fā)現(xiàn) 燒結(jié)后 鋁層和硅表面有一些裂痕 這些裂痕增大了表面復(fù)合速度 當(dāng)硅片背面沉積鋁或絲網(wǎng)印刷鋁后 燒結(jié)溫度越高 硅片對(duì)長(zhǎng)波段光的反射率越低 但接觸越好 因此 在燒結(jié)bsf時(shí) 必須選擇一個(gè)合適的溫度 以使其具有較好的反射效果和較好的歐姆接觸 鋁的吸雜鈍化效果一些研究者發(fā)現(xiàn)鋁的存在會(huì)在多晶硅內(nèi)引入深能級(jí)提高晶界 gb 的勢(shì)壘 鋁bsf對(duì)gb勢(shì)壘的提高與退火過(guò)程中鋁陷阱對(duì)快速擴(kuò)散金屬雜質(zhì)吸雜有關(guān) 也可能是擴(kuò)散的鋁原子對(duì)晶界處懸掛鍵的飽和作用 當(dāng)溫度比共熔點(diǎn) 557 高很多的情況下 金屬原子在硅 鋁合金的溶解能力比硅中大的多 在快速冷卻 60kmin 1 工藝中 快速擴(kuò)散金屬離子由于淬火過(guò)程保留在了鋁擴(kuò)散區(qū) 當(dāng)將鋁背場(chǎng)與氮化硅膜同時(shí)應(yīng)用于多晶硅太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)時(shí) 正表面的sinx誘導(dǎo)氫化和背面al si合金對(duì)提高少子壽命有相互促進(jìn)作用 燒結(jié)通過(guò)高溫?zé)Y(jié)過(guò)程使電極與半導(dǎo)體形成歐姆接觸 金屬 硅之間接觸性能的提高對(duì)電池光電轉(zhuǎn)換效率的提高非常重要 串聯(lián)電阻每升高1 cm2 ff降低0 041 假設(shè)并聯(lián)電阻足夠大 材料參數(shù) 工藝條件 例如發(fā)射極背面濃度 金屬材料的選取 印刷方法 燒結(jié)條件等 對(duì)形成好的電極接觸性能非常重要 接觸形成機(jī)理包括 高溫?zé)Y(jié) 700 800 玻璃體的流化 表面濕化 腐蝕減反射膜和硅發(fā)射極等 金屬漿料需要好的流變學(xué)性能 好的電導(dǎo)率 好的可焊性等 金屬漿料包括玻璃粉 sio2 b2o3 pbo和zno 金屬粉 表面漿料為ag 背面漿料為ag al 及粘結(jié)物質(zhì) 154 燒結(jié)的動(dòng)力學(xué)原理 燒結(jié)可看作是原子從系統(tǒng)中不穩(wěn)定的高能位置遷移至自由能最低位置的過(guò)程 厚膜漿料中的固體顆粒系統(tǒng)是高度分散的粉末系統(tǒng) 具有很高的表面自由能 因?yàn)橄到y(tǒng)總是力求達(dá)到最低的表面自由能狀態(tài) 所以在厚膜燒結(jié)過(guò)程中 粉末系統(tǒng)總的表面自由能必然要降低 這就是厚膜燒結(jié)的動(dòng)力學(xué)原理 固體顆粒具有很大的比表面積 具有極不規(guī)則的復(fù)雜表面狀態(tài)以及在顆粒的制造 細(xì)化處理等加工過(guò)程中 受到的機(jī)械 化學(xué) 熱作用所造成的嚴(yán)重結(jié)晶缺陷等 系統(tǒng)具有很高自由能 燒結(jié)時(shí) 顆粒由接觸到結(jié)合 自由表面的收縮 空隙的排除 晶體缺陷的消除等都會(huì)使系統(tǒng)的自由能降低 系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃W(xué)中更穩(wěn)定的狀態(tài) 這是厚膜粉末系統(tǒng)在高溫下能燒結(jié)成密實(shí)結(jié)構(gòu)的原因 155 燒結(jié)溫度的設(shè)定 溫度可根據(jù)實(shí)際情況作出 10 的調(diào)試 一般很少做大幅度的調(diào)動(dòng) 除了工藝初始化 更換漿料型號(hào) 特殊規(guī)格的硅材料 才采用比較差異的燒結(jié)溫度進(jìn)行燒結(jié) 156 燒結(jié)對(duì)電池片的影響 相對(duì)于鋁漿燒結(jié) 銀漿的燒結(jié)要重要很多 對(duì)電池片電性能影響主要表現(xiàn)在串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻 即ff的變化 鋁漿燒結(jié)的目的使?jié){料中的有機(jī)溶劑完全揮發(fā) 并形成完好的鋁硅合金和鋁層 局部的受熱不均和散熱不均可能會(huì)導(dǎo)致起包 嚴(yán)重的會(huì)起鋁珠 157 燒結(jié)對(duì)電池片的影響 背面場(chǎng)經(jīng)燒結(jié)后形成的鋁硅合金 鋁在硅中是作為p型摻雜 它可以減少金屬與硅交接處的少子復(fù)合 從而提高開(kāi)路電壓和短路電流 改善對(duì)紅外線的響應(yīng) 158 質(zhì)量要求 燒結(jié)后的氮化硅表面顏色應(yīng)該均勻 無(wú)明顯的色差 電極無(wú)斷線背場(chǎng)無(wú)鋁珠電池最大彎曲度不超過(guò)2 5mm 159 安全事項(xiàng) 灼熱的表面有燙傷的危險(xiǎn)危險(xiǎn)電壓有電擊或燒傷的危險(xiǎn)有害或刺激性粉塵 氣體導(dǎo)致人身傷害設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)打開(kāi)或移動(dòng)固定件有卷入的危險(xiǎn) 硅片彎曲 在溫度為t1時(shí) 時(shí) 硅與鋁漿電極二者的長(zhǎng)度相等 當(dāng)溫度升高 或降低 至t2時(shí) 時(shí) 硅與鋁漿的長(zhǎng)度變化量分別是 l1 l2 當(dāng) 會(huì)發(fā)生彎曲 由于電池板很薄 可認(rèn)為是二維平面問(wèn)題 對(duì)二維平面線應(yīng)變的物理方程可寫(xiě)成如下形式 其中 彈性體都均勻升高溫度t 每