低壓擴(kuò)散應(yīng)用于晶硅太陽電池的可行性工作總結(jié)報(bào)告

1、 低壓擴(kuò)散應(yīng)用于晶硅太陽電池的可行性工作總結(jié)報(bào)告一、立項(xiàng)背景面對(duì)日益短缺的能源與不斷惡化的自然環(huán)境，人們將目光投向那些綠色環(huán)保、可再生的新能源的身上，如太陽能、風(fēng)能、生物能、地?zé)崮?、潮汐能等等。作為可再生清潔能源的典型代表，光伏發(fā)電以其無污染、可再生、儲(chǔ)量豐富等優(yōu)點(diǎn)引起了世界各國的高度重視，而據(jù)國際能源署(IEA)和歐盟聯(lián)合研究中心(JRC)的預(yù)測，到2040年世界太陽能光伏發(fā)電量將占世界電力總供應(yīng)的20%以上。根據(jù)預(yù)測如圖1所示，太陽能在未來能源結(jié)構(gòu)當(dāng)中所占的比例越來越大，在本世紀(jì)末太陽能將可能會(huì)成為主要的能源供給來源，所占比例可能會(huì)超過60%。圖1.世界能源使用現(xiàn)狀及未來能源需求結(jié)構(gòu)預(yù)測圖

2、在各種太陽能電池中，硅太陽能電池因其可靠性高、壽命長、能承受各種環(huán)境變化等優(yōu)點(diǎn)成為太陽能電池的主要品種。太陽電池產(chǎn)業(yè)化所面臨的主要問題之一是如何在保證電池高轉(zhuǎn)換效率前提下提高產(chǎn)能。擴(kuò)散制作P-N結(jié)是晶體硅太陽電池的核心，也是電池質(zhì)量好壞的關(guān)鍵之一。對(duì)于擴(kuò)散工序，最大的問題是如何提高擴(kuò)散的均勻性。擴(kuò)散的均勻性直接體現(xiàn)在硅片擴(kuò)散后PN結(jié)結(jié)深的差異性上，均勻性好則結(jié)深的差異性小，反之亦然。而不同的結(jié)深對(duì)應(yīng)的燒結(jié)溫度也是不一樣的。換個(gè)角度來說，同樣的燒結(jié)條件對(duì)于擴(kuò)散均勻性好的電池片，其歐姆接觸就會(huì)好，短路電流、填充因子等電性能參數(shù)也會(huì)比較穩(wěn)定。這樣，電池片的轉(zhuǎn)換效率也就更穩(wěn)定。并且，電池片與電池片之間

3、的電性能參數(shù)一致性好，也有利于組件的穩(wěn)定性和防衰減性，從而提高了太陽電池的使用壽命。因此，如何來提高擴(kuò)散的均勻性就顯得非常有必要。為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，改善擴(kuò)散后硅片的均勻性，提高晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，我們提出將低壓擴(kuò)散技術(shù)引入晶硅太陽能電池中。二、項(xiàng)目執(zhí)行情況1、 成立項(xiàng)目工作小組為確保本項(xiàng)目的順利實(shí)施，公司已經(jīng)形成了有來自浙江大學(xué)、湖南科技大學(xué)、中國科學(xué)院等著名高等院校10多名碩士組成的技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，共同致力于公司技術(shù)研發(fā)工作，公司以內(nèi)部研發(fā)中心為依托，成立項(xiàng)目工作小組，該小組下設(shè)設(shè)備優(yōu)化研究小組、工藝研發(fā)小組和試驗(yàn)生產(chǎn)小組，對(duì)研發(fā)工作進(jìn)行了細(xì)化分解。各小組分工明確，責(zé)任到人，從

4、組織上保證了項(xiàng)目的正常運(yùn)行。各小組細(xì)化工作如下：項(xiàng)目工作小組設(shè)備優(yōu)化小組工藝研發(fā)小組試驗(yàn)生產(chǎn)小組設(shè)備改造工藝研發(fā)和試驗(yàn)試生產(chǎn)和品質(zhì)管控2、項(xiàng)目進(jìn)展報(bào)告（1）2016.3 2016.5立足公司現(xiàn)有的擴(kuò)散設(shè)備，針對(duì)常規(guī)擴(kuò)散設(shè)備按低壓擴(kuò)散爐核心結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。低壓擴(kuò)散爐的核心結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2.低壓擴(kuò)散核心結(jié)構(gòu)示意圖從進(jìn)氣管1進(jìn)入工藝氣體，在腔室2中進(jìn)行低壓擴(kuò)散，尾氣從尾氣管3排出，泵7、8、9負(fù)責(zé)創(chuàng)造真空條件，泵出口連接排酸管道。為保證改造后爐體滿足低壓真空條件，除爐體做密封改良處理外，爐門更換為專門針對(duì)低壓擴(kuò)散的高密封性自冷爐門如圖3所示。前期改造工作在3個(gè)月左右時(shí)間基本完成。圖3.改造后擴(kuò)散爐

5、爐門（2）2016.62016.9對(duì)于多晶硅，在低壓條件下，探索溫度、氣體流量、工藝步驟對(duì)擴(kuò)散方阻和擴(kuò)散均勻性的影響。研究初始低壓擴(kuò)散條件與最終所得電池片性能參數(shù)間的關(guān)系，成功設(shè)計(jì)并優(yōu)化初步得出一種高方阻的低壓擴(kuò)散工藝。（3）2016.102016.12運(yùn)用高方阻低壓擴(kuò)散工藝的基礎(chǔ)上，建立了中試生產(chǎn)線，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行試生產(chǎn)。對(duì)中途出現(xiàn)的問題不斷排查原因并改善，經(jīng)過生產(chǎn)線近3個(gè)月的努力，已基本形成新工藝的批量生產(chǎn)能力。3、項(xiàng)目總結(jié)從2016年3月到2016年12月，浙江向日葵光能科技股份有限公司低壓擴(kuò)散應(yīng)用于晶硅太陽能電池項(xiàng)目在公司領(lǐng)導(dǎo)的支持下，通過前期研究，可以運(yùn)用到生產(chǎn)中。主要研究內(nèi)容本項(xiàng)目提出

6、采用低壓擴(kuò)散工藝改善擴(kuò)散均勻性，它一種通過改善爐管氣密性、增加真空系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)散方式，真空系統(tǒng)提供低壓力氛圍，從而增加三氯氧磷分子平均自由程，提高擴(kuò)散均勻性、穩(wěn)定性和成膜致密性；通過低壓擴(kuò)散工藝，可以獲得均勻的p-n結(jié)結(jié)構(gòu)，更易實(shí)現(xiàn)淺結(jié)高方阻擴(kuò)散工藝，提升電池轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)低壓擴(kuò)散以其優(yōu)異的方阻均勻性大大提高單管產(chǎn)能，降低制造成本。我們的初步研究表明該工藝可以改善擴(kuò)散的均勻性。針對(duì)高方阻的低壓擴(kuò)散，成功設(shè)計(jì)出一種較實(shí)用的低壓擴(kuò)散工藝，其工藝步驟如圖4所示。進(jìn)舟抽真空升溫檢漏通氧擴(kuò)散推進(jìn)充氣出舟圖4.低壓擴(kuò)散工藝步驟低壓擴(kuò)散工藝分如下三步進(jìn)行：(1)關(guān)閉放有硅片的擴(kuò)散爐爐門后,抽氣使?fàn)t內(nèi)壓強(qiáng)至設(shè)

7、定壓強(qiáng)并用高溫氧化硅片,在硅片表面生成一薄層SiO2；(2)采用兩步擴(kuò)散法制備PN結(jié)：第一步低溫預(yù)擴(kuò)散,第二步高溫?cái)U(kuò)散；(3)退火,改變擴(kuò)散爐內(nèi)部壓強(qiáng)除去雜質(zhì)；步驟(1)至(3)中設(shè)定的工藝參數(shù)如下：所述步驟(1)設(shè)定的工藝參數(shù)為：爐內(nèi)壓強(qiáng)為50100mbar；氧化溫度為780800；氧化時(shí)間為200800sec；大氮流量為1000030000ml/min；氧氣流量為5002000ml/min；所述步驟(2)設(shè)定的工藝參數(shù)為：第一步低溫預(yù)擴(kuò)散工藝參數(shù)為：爐內(nèi)壓強(qiáng)為50100mbar；爐內(nèi)溫度為780800；擴(kuò)散時(shí)間為250800sec；大氮流量為1000030000ml/min；小氮流量為60

8、01000ml/min；氧氣流量為5002000ml/min；第二步高溫?cái)U(kuò)散工藝參數(shù)為：爐內(nèi)壓強(qiáng)為50100mbar；爐內(nèi)溫度為800830；擴(kuò)散時(shí)間為250800sec；大氮流量為1000030000ml/min；小氮流量為6001000ml/min；氧氣流量為5002000ml/min；所述步驟(3)設(shè)定的工藝參數(shù)為：設(shè)定退火溫度550650、時(shí)間為10003000sec；爐內(nèi)壓強(qiáng)從設(shè)定的50100mbar升至1000mbar,再從1000mbar降至設(shè)定的50100mbar,反復(fù)改變24次,每個(gè)壓強(qiáng)改變周期在400sec以內(nèi)。試驗(yàn)低壓擴(kuò)散工藝，檢測所得方阻均勻性，設(shè)定方阻目標(biāo)值10511

9、5，采用密舟800片滿載進(jìn)爐，按常規(guī)先測中心點(diǎn)的五點(diǎn)測試法所得結(jié)果如下表1所示。表1.低壓擴(kuò)散工藝所得硅片各位置方阻位置測試點(diǎn)1測試點(diǎn)2測試點(diǎn)3測試點(diǎn)4測試點(diǎn)5爐口11010310110411010310511211010810499109108103爐中107106108112112113117117112113爐尾119122127125125方阻平均值111方阻均勻性3.60%低壓擴(kuò)散由于分子的穿透能力變強(qiáng)，摻雜均勻性提高。采用密舟裝載方式在爐管恒溫區(qū)長度不變的前提下單管裝片量由原來的500片/管提升至800片/管，產(chǎn)能大幅度提升；擴(kuò)散方阻均勻性控制在4%以下，相對(duì)于常規(guī)擴(kuò)散，均勻性明顯

10、改善。研究結(jié)果顯示，公司現(xiàn)有常規(guī)擴(kuò)散爐可以花費(fèi)相對(duì)較少的資金成功改造成低壓擴(kuò)散爐，并采用相對(duì)合理的低壓擴(kuò)散工藝成功制備出方阻均勻符合生產(chǎn)要求的電池片，同時(shí)產(chǎn)能獲得大幅提升。經(jīng)過低壓擴(kuò)散的電池片經(jīng)后續(xù)清洗、PECVD和絲印，轉(zhuǎn)換效率比常規(guī)擴(kuò)散電池片提高0.2%0.3%。三、技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)和技術(shù)解決方案（1）擴(kuò)散設(shè)備改造。爐門系統(tǒng)為保證低壓擴(kuò)散的密封效果，爐門采用雙層密封加自冷結(jié)構(gòu)，精巧的爐門預(yù)緊力自調(diào)整機(jī)構(gòu)，減少了爐門損壞現(xiàn)象，石英件使用壽命更長。真空系統(tǒng)整臺(tái)真空系統(tǒng)包括進(jìn)口干泵，冷卻裝置及相關(guān)閥門。進(jìn)口干泵為耐腐蝕干泵，冷卻裝置為專門定制產(chǎn)品，能充分冷卻反應(yīng)后的氣體，并完成收集的工作。（2）低壓擴(kuò)

11、散工藝的研究。低壓擴(kuò)散通過管內(nèi)負(fù)壓環(huán)境提升擴(kuò)散制結(jié)的性能，對(duì)方阻均勻性的影響主要體現(xiàn)在以下 3個(gè)方面：通過低壓環(huán)境使分子自由程增長，增強(qiáng)穿透力，從而提升摻雜均勻性。隨著反應(yīng)管真空度的提升，分子平均自由行程加大，增強(qiáng)分子的穿透力（見表2），使源摻雜均勻性更好，消減了傳統(tǒng)擴(kuò)散的光環(huán)效應(yīng)（即硅片中間方阻值高，而四周方阻值低），提高了擴(kuò)散的均勻性。由于分子的穿透能力變強(qiáng)，石英舟槽間距設(shè)計(jì)可由目前標(biāo)準(zhǔn)的 4.76 mm 降為 2.38 mm，甚至可降至 2mm 以下，在擴(kuò)散爐恒溫區(qū)不變的前提下產(chǎn)能得以大幅度提升。減少紊流，提高氣氛均勻性。擴(kuò)散爐的爐內(nèi)壓力越低越有利于氣流的穩(wěn)定。研究表明：爐內(nèi)壓力為 10

12、 k Pa 時(shí)，即使在擴(kuò)散爐管的末端，氣流依舊穩(wěn)定，幾乎沒有湍流產(chǎn)生；隨著氣壓的升高，當(dāng)壓力為 100 k Pa 時(shí)，擴(kuò)散爐管中出現(xiàn)湍流；當(dāng)壓力為 100 k Pa 時(shí)，擴(kuò)散爐管內(nèi)湍流非常明顯。由此可見，降低管內(nèi)的壓力可減少湍流產(chǎn)生，提高氣氛均勻性，從而提高擴(kuò)散的均勻性?？焖倥趴眨瑴p少表面復(fù)合、降低摻雜源耗。低壓擴(kuò)散爐，可以實(shí)現(xiàn)快速排空，利于形成淺結(jié)，減少表面復(fù)合，適應(yīng)高效晶體硅太陽能電池淺結(jié)高方阻擴(kuò)散的發(fā)展趨勢，此外，在低壓擴(kuò)散環(huán)境中，摻雜原子分壓比大，降低摻雜源耗，降低成本。表 2不同真空度環(huán)境下的分子平均自由行程壓力壓力/Kpa平均自由行程常壓10068nm負(fù)壓301×10-1

13、0.1100m中真空1×10-11×10-30.1100mm高真空1×10-41×10-810cm1km（3）低壓擴(kuò)散爐工藝探索中各氣氛流量、時(shí)間、溫度的不斷調(diào)試修正，形成一套適合設(shè)備現(xiàn)狀、生產(chǎn)實(shí)際和技術(shù)要求的工藝是本技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)。四、低壓擴(kuò)散特點(diǎn)及應(yīng)用情況低壓擴(kuò)散技術(shù)特點(diǎn)非常突出，工藝中低的雜質(zhì)源飽和蒸氣壓、提高了雜質(zhì)的分子自由程，它對(duì)156尺寸的硅片每批次產(chǎn)量1000片的情況下其擴(kuò)散均勻性仍優(yōu)于5%，是高品質(zhì)擴(kuò)散的首選與環(huán)境友好型的生產(chǎn)方式。有研究表明，降低擴(kuò)散爐工作腔內(nèi)的氣壓會(huì)提高擴(kuò)散爐管內(nèi)氣流的均勻性，避免湍流產(chǎn)生，從而提高擴(kuò)散的均勻性。目前，國

14、外先進(jìn)的低壓擴(kuò)散技術(shù)可使晶體硅電池在高至120/sq 的方塊電阻范圍內(nèi)仍具有優(yōu)異的擴(kuò)散均勻性，為晶體硅太陽能電池效率的進(jìn)一步提高奠定了基礎(chǔ)。此外，低壓擴(kuò)散還有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如隨著方阻均勻性的提高，裝片石英舟槽間距設(shè)計(jì)可由目前標(biāo)準(zhǔn)的4.76mm降為標(biāo)準(zhǔn)值的一半左右2.38mm，這樣帶來的效果是在設(shè)備體積不變的情況下產(chǎn)能大幅提升。另外，采用低壓工藝以后，擴(kuò)散過程化學(xué)品的吸收效率大幅提高，可大大降低工藝過程中化學(xué)品的用量，節(jié)省成本。鑒于低壓擴(kuò)散所具有的高均勻性、高產(chǎn)能、和低消耗的優(yōu)勢，低壓擴(kuò)散爐能夠在低成本和小占地面積的情況下生產(chǎn)高品質(zhì)的太陽電池，為晶體硅太陽電池?cái)U(kuò)散工藝設(shè)定了全新標(biāo)準(zhǔn)，是未來擴(kuò)散工藝發(fā)展的趨勢。五、科技成果轉(zhuǎn)化、產(chǎn)業(yè)化經(jīng)費(fèi)投入情況，包括總經(jīng)費(fèi)和科研經(jīng)費(fèi)投入情況。 項(xiàng)目自2016年12月底完成以來，已應(yīng)用于公司新生產(chǎn)線，投入規(guī)?；a(chǎn)，同時(shí)，將項(xiàng)目研發(fā)過程中形成的核心技術(shù)，關(guān)鍵材料和技術(shù)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。經(jīng)紹興興業(yè)會(huì)計(jì)師事務(wù)所有限公司審計(jì)，項(xiàng)目投入技術(shù)開發(fā)經(jīng)費(fèi)合計(jì)萬元，包括：科研用材料費(fèi)萬元，人員經(jīng)費(fèi)萬元，測試費(fèi)萬元，水電費(fèi)萬元。六、 成果轉(zhuǎn)化、產(chǎn)業(yè)化完成的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)。項(xiàng)目實(shí)施以來，已較好完成合同規(guī)定的技術(shù)、研制出低壓擴(kuò)散工藝，設(shè)計(jì)出