低壓擴散應用于晶硅太陽電池的可行性工作總結(jié)報告

1、低壓擴散應用于晶硅太陽電池的可行性工作總結(jié)報告一、立項背景面對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、風能、生物能、地熱能、潮汐能等等。作為可再生活潔能源的典型代表，光伏發(fā)電以其無污染、可再生、儲量豐富等優(yōu)點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）的預測，到2040年世界太陽能光伏發(fā)電量將占世界電力總供應的20%以上。根據(jù)預測如圖1所示，太陽能在未來能源結(jié)構(gòu)當中所占的比例越來越大，在本世紀末太陽能將可能會成為主要的能源供給來源，所占比例可能會超過60%。圖1.世界能源使用現(xiàn)狀及未來能源需求結(jié)構(gòu)預測圖在

2、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)鍵之一0對丁擴散工序，最大的問題是如何提高擴散的均勻性。擴散的均勻性直接體現(xiàn)在硅片擴散后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)深對應的燒結(jié)溫度也是不一樣的。換個角度來說，同樣的燒結(jié)條件對丁擴散均勻性好的電池片，其歐姆接觸就會好，短路電流、填充因子等電性能參數(shù)也會比較穩(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的

3、電性能參數(shù)一致性好，也有利丁組件的穩(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，改善擴散后硅片的均勻性，提高晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，我們提出將低壓擴散技術(shù)引入晶硅太陽能電池中。二、項目執(zhí)行情況1、成立項目工作小組為確保本項目的順利實施，公司已經(jīng)形成了有來自浙江大學、湖南科技大學、中國科學院等著名高等院校10多名碩士組成的技術(shù)研發(fā)團隊，共同致力丁公司技術(shù)研發(fā)工作，公司以內(nèi)部研發(fā)中心為依托，成立項目工作小組，該小組下設設備優(yōu)化研究小組、工藝研發(fā)小組和試驗生產(chǎn)小組，對研發(fā)工作進行了細化分解。各小組分工明確，責任到人，從組織

4、上保證了項目的正常運行。各小組細化工作如下：從進氣管1進入工藝氣體，在腔室2中進行低壓擴散，尾氣從尾氣管3排出,泵7、8、9負責創(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低壓擴散的高密封性自冷爐門如圖3所示。前期改造工作在3個月左右時間基本完成。圖3.改造后擴散爐爐門(2) -對丁多晶硅，在低壓條件下，探索溫度、氣體流量、工藝步驟對擴散方阻和擴散均勻性的影響。研究初始低壓擴散條件與最終所得電池片性能參數(shù)間的關(guān)系，成功設計并優(yōu)化初步得出一種高方阻的低壓擴散工藝。(3) -運用高方阻低壓擴散工藝的基礎上，建立了中試生產(chǎn)線，對產(chǎn)品進

5、行試生產(chǎn)。對中途出現(xiàn)的問題不斷排查原因并改善，經(jīng)過生產(chǎn)線近3個月的努力，已基本形成新工藝的批量生產(chǎn)能力。3、項目總結(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散應用丁晶硅太陽能電池項目在公司領(lǐng)導的支持下，通過前期研究，可以運用到生產(chǎn)中。主要研究內(nèi)容本項目提出采用低壓擴散工藝改善擴散均勻性，它一種通過改善爐管氣密性、增加真空系統(tǒng)實現(xiàn)的擴散方式，真空系統(tǒng)提供低壓力余圍，從而增加三氯氧磷分子平均自由程，提高擴散均勻性、穩(wěn)定性和成膜致密性；通過低壓擴散工藝，可以獲得均勻的p-n結(jié)結(jié)構(gòu)，更易實現(xiàn)淺結(jié)高方阻擴散工藝，提升電池轉(zhuǎn)換效率。同時低壓擴散以其優(yōu)異的方阻均勻性大大提高單

6、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散的均勻性。針對高方阻的低壓擴散，成功設計出一種較實用的低壓擴散工藝，其工藝步驟如圖4所示。(1) 關(guān)閉放有硅片的擴散爐爐門后，抽氣使爐內(nèi)壓強至設定壓強并用高溫氧化硅片，在硅片表面生成一薄層SiO2;(2) 采用兩步擴散法制備PN結(jié)：第一步低溫預擴散，第二步高溫擴散；(3) 退火，改變擴散爐內(nèi)部壓強除去雜質(zhì)；步驟(1)至中設定的工藝參數(shù)如下：所述步驟(1)設定的工藝參數(shù)為：爐內(nèi)壓強為50100mbar；氧化溫度為780800C；氧化時間為200800sec；大氮流量為1000030000ml/min;氧氣流量為5002000ml/min;

7、所述步驟(2)設定的工藝參數(shù)為：第一步低溫預擴散工藝參數(shù)為：爐內(nèi)壓強為50100mbar；爐內(nèi)溫度為780800C;擴散時間為250800seq大氮流量為1000030000ml/min；小氮流量為6001000ml/min;氧氣流量為5002000ml/min;第二步高溫擴散工藝參數(shù)為：爐內(nèi)壓強為50100mbar；爐內(nèi)溫度為800830C；擴散時間為250800seq大氮流量為1000030000ml/min;小氮流量為6001000ml/min;氧氣流量為5002000ml/min;所述步驟設定的工藝參數(shù)為：設定退火溫度550650C、時間為10003000seG爐內(nèi)壓強從設定的5010

8、0mbar升至1000mbar再從1000mbar降至設定的50100mbar反復改變24次,每個壓強改變周期在400sec以內(nèi)。試驗低壓擴散工藝，檢測所得方阻均勻性，設定方阻目標值105115Q,采用密舟800片滿載進爐，按常規(guī)先測中心點的五點測試法所得結(jié)果如下表1所示。表1.低壓擴散工藝所得硅片各位置方阻12345110103101104110爐口10310511211010810499109108103/白|r107106108112112:113117117112113爐尾119122127125125方阻平均值111方阻均勻性%低壓方式在爐管包溫區(qū)長度不變的前提下單管裝片量由原來的5

9、00片/管提升至800片/管,產(chǎn)能大幅度提升；擴散方阻均勻性控制在4%以下，相對丁常規(guī)擴散，均勻性明顯改善。研究結(jié)果顯示，公司現(xiàn)有常規(guī)擴散爐可以花費相對較少的資金成功改造成低壓擴散爐，并采用相對合理的低壓擴散工藝成功制備出方阻均勻符合生產(chǎn)要求的電池片，同時產(chǎn)能獲得大幅提升。經(jīng)過低壓擴散的電池片經(jīng)后續(xù)活洗、PECVD和絲印,轉(zhuǎn)換效率比常規(guī)擴散電池片提高。三、技術(shù)創(chuàng)新點和技術(shù)解決方案(1) 擴散設備改造。爐門系統(tǒng)為保證低壓擴散的密封效果，爐門采用雙層密封加自冷結(jié)構(gòu)，精巧的爐門預緊力自調(diào)整機構(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)整臺真空系統(tǒng)包括進口干泵，冷卻裝置及相關(guān)閥門。進口干泵為耐

10、腐蝕干泵，冷卻裝置為專門定制產(chǎn)品，能充分冷卻反應后的氣體，并完成收集的工作。(2) 低壓擴散工藝的研究。低壓擴散通過管內(nèi)負壓環(huán)境提升擴散制結(jié)的性能，對方阻均勻性的影響主要體現(xiàn)在以下3個方面：通過低壓環(huán)境使分子自由程增長，增強穿透力，從而提升摻雜均勻性。隨著反應管真空度的提升，分子平均自由行程加大，增強分子的穿透力(見表2),使源摻雜均勻性更好，消減了傳統(tǒng)擴散的光環(huán)效應(即硅片中問方阻值高，而四周方阻值低)，提高了擴散的均勻性。由丁分子的穿透能力變強，石英舟槽問距設計可由目前標準的降為，甚至可降至2mm以下，在擴散爐包溫區(qū)不變的前提下產(chǎn)能得以大幅度提升。 減少紊流，提高氣余均勻性。擴散爐的爐內(nèi)壓

11、力越低越有利丁氣流的穩(wěn)定。研究表明：爐內(nèi)壓力為10kPa時,即使在擴散爐管的末端，氣流依舊穩(wěn)定，幾乎沒有湍流產(chǎn)生；隨著氣壓的升高，當壓力為100kPa時，擴散爐管中出現(xiàn)湍流；當壓力為100kPa時，擴散爐管內(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，提高氣余均勻性，從而提高擴散的均勻性。 快速排空，減少表面復合、降低摻雜源耗。低壓擴散爐，可以實現(xiàn)快速排空,利丁形成淺結(jié)，減少表面復合，適應高效晶體硅太陽能電池淺結(jié)高方阻擴散的發(fā)展趨勢，此外，在低壓擴散環(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/Kpa常壓10068nm負壓301X10-11

12、00m中真空1X10-11x10-3100mm局真空1X10-41x10-810cm1km(3) 低壓擴散爐工藝探索中各氣余流量、時間、溫度的不斷調(diào)試修正，形成一套適合設備現(xiàn)狀、生產(chǎn)實際和技術(shù)要求的工藝是本技術(shù)的創(chuàng)新點。四、低壓擴散特點及應用情況低壓擴散技術(shù)特點非常突出，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156尺寸的硅片每批次產(chǎn)量1000片的情況下其擴散均勻性仍優(yōu)丁5%,是高品質(zhì)擴散的首選與環(huán)境友好型的生產(chǎn)方式。有研究表明，降低擴散爐工作腔內(nèi)的氣壓會提高擴散爐管內(nèi)氣流的均勻性，避免湍流產(chǎn)生，從而提高擴散的均勻性。目前，國外先進的低壓擴散技術(shù)可使晶體硅電池在高至120Q/s

13、q的方塊電阻范圍內(nèi)仍具有優(yōu)異的擴散均勻性，為晶體硅太陽能電池效率的進一步提高奠定了基礎。此外，低壓擴散還有諸多優(yōu)點，例如隨著方阻均勻性的提高，裝片石英舟槽問距設計可由目前標準的降為標準值的一半左右，這樣帶來的效果是在設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，擴散過程化學品的吸收效率大幅提高，可大大降低工藝過程中化學品的用量，節(jié)省成本。鑒丁低壓擴散所具有的高均勻性、高產(chǎn)能、和低消耗的優(yōu)勢，低壓擴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，為晶體硅太陽電池擴散工藝設定了全新標準，是未來擴散工藝發(fā)展的趨勢。五、科技成果轉(zhuǎn)化、產(chǎn)業(yè)化經(jīng)費投入情況，包括總經(jīng)費和科研經(jīng)費投入情況。項目自2016年12月底完成以來，已應用丁公司新生產(chǎn)線，投入規(guī)?；a(chǎn)，同時，將項目研發(fā)過程中形成的核心技術(shù)，關(guān)鍵材料和技術(shù)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。經(jīng)紹興興業(yè)會計師事務所有限公司審計，項目投入技術(shù)開發(fā)經(jīng)費合計？萬元,包括：科研用材料費I?萬元，人員經(jīng)費I?萬元，測試費？|萬元，水電費？萬元。六、成果轉(zhuǎn)化、產(chǎn)業(yè)化完成的技術(shù)和經(jīng)濟效益指標。項目實施以來，已較好完成合同規(guī)定的技術(shù)、研制出低壓擴散工藝，設計出合適的工藝參數(shù)，生