太陽能電池制造工藝

1、1 太陽能電池制造工藝制絨-刻蝕-鍍膜2 培訓(xùn)內(nèi)容 制絨 清洗 刻蝕 去PSG 鍍膜3 制絨的作用制絨的作用 去除損傷層 形成減反射絨面（陷光結(jié)構(gòu)） 單晶絨面為金字塔結(jié)構(gòu),多晶為蜂窩狀結(jié)構(gòu) 4 單晶制絨單晶制絨:超聲清洗裝片粗拋（去除表面損傷）制絨（形成絨面）清洗 HCl（去金屬離子） HF（去除氧化物）清洗干燥清洗5 硅的晶體結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)6 硅的晶向7 單晶制絨的原理各向異性目前太陽能電池所用硅片均為目前太陽能電池所用硅片均為100面面8 NaOH（氫氧化鈉）（氫氧化鈉） IPA（乙丙醇）（乙丙醇） Na2SiO3（硅酸鈉（硅酸鈉單晶制絨所需的化學(xué)藥品9 化學(xué)原理： Si + 2NaOH

2、+ H2O Na2SiO3 + 2H2 Na2SiO3 + H2O H2SiO3 + OH-Na2SiO3 (Na2O)x(SiO2)y10 時間和濃度對粗拋效果影響：時間30-180，濃度10%-35%11 原材料硅片粗拋后絨面12 絨面結(jié)構(gòu)的二次吸收13 腐蝕量和腐蝕速率隨時間變化：14 多晶制絨:裝片制絨（形成絨面）堿洗水洗酸洗（HF/HCl）水洗擴(kuò)散制絨機(jī)干燥水洗15 16 化學(xué)原理硅被HNO3氧化，反應(yīng)為：用HF去除SiO2層，反應(yīng)為：總反應(yīng)為總反應(yīng)為：4NOO2H3SiO4HNO3Si223O2HSiFH6HFSiO26224NOO8HSiF3HHF814HNO3Si262317

3、工藝控制 所需藥品 HNO3（硝酸）（硝酸） HF（ 氫氟酸氫氟酸） 溶液的濃度度 溶液的溫度 腐蝕時間18 清洗19 清洗 鹽酸（HCl）的作用： 去除金屬離子 去除表面殘留的堿溶液 氫氟酸（HF）的作用 去除氧化物 生成疏水的表面 20 安全防護(hù) 鹽酸 強(qiáng)酸性 易揮發(fā) 氫氟酸 強(qiáng)腐蝕 性 易揮發(fā) 防護(hù)措施 防護(hù)面罩 耐酸堿手套21 等離子體刻蝕等離子體刻蝕22 注意事項 單面擴(kuò)散的硅片要注意正反面，鍍膜面為擴(kuò)散面，如果鍍膜在另一面印刷時會在電池的擴(kuò)散面印刷鋁背場，在燒結(jié)時鋁會穿過并破壞PN結(jié)23 等離子刻蝕目的24 什么是等離子體？ 隨著溫度的升高，一般物質(zhì)依次表現(xiàn)為固體、液體和氣體。它們

4、統(tǒng)稱為物質(zhì)的三態(tài)。 如果溫度升高到10e4K甚至10e5K，分子間和原子間的運(yùn)動十分劇烈，彼此間已難以束縛，原子中的電子因具有相當(dāng)大的動能而擺脫原子核對它的束縛，成為自由電子，原子失去電子變成帶正電的離子。這樣，物質(zhì)就變成了一團(tuán)由電子和帶正電的的離子組成的混合物 。這種混合物叫。它可以稱為物質(zhì)的第四態(tài)。25 等離子體的產(chǎn)生26 等離子體刻蝕原理 等離子體刻蝕是采用高頻輝光放電反應(yīng)，使反應(yīng)氣體激活成活性粒子，如原子或游離基，這些活性粒子擴(kuò)散到需刻蝕的部位，在那里與被刻蝕材料進(jìn)行反應(yīng)，形成揮發(fā)性生成物而被去除。它的優(yōu)勢在于快速的刻蝕速率同時可獲得良好的物理形貌 。 這種腐蝕方法也叫做干法腐蝕。27

5、 等離子體刻蝕反應(yīng)28 首先，母體分子CF4在高能量的電子的碰撞作用下分解成多種中性基團(tuán)或離子。 其次，這些活性粒子由于擴(kuò)散或者在電場作用下到達(dá)SiO2表面，并在表面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 生產(chǎn)過程中，CF4中摻入O2，這樣有利于提高Si和SiO2的刻蝕速率。它們的離子以及CF,CF,CF,CFCF23e4 29 等離子體刻蝕工藝 裝片在待刻蝕硅片的兩邊，分別放置一片與硅片同樣大小的玻璃夾板，疊放整齊，用夾具夾緊，確保待刻蝕的硅片中間沒有大的縫隙。將夾具平穩(wěn)放入反應(yīng)室的支架上，關(guān)好反應(yīng)室的蓋子。30 工藝設(shè)置片數(shù)氣體流量氣壓（Pa）輝光功率（瓦）反射功率CF4（sccm）O2 (sccm)200-3

6、0020020100500-7000工藝步驟預(yù)抽預(yù)抽主抽主抽送氣送氣輝光輝光清洗清洗充氣充氣31 邊緣刻蝕控制 短路形成途徑 由于在擴(kuò)散過程中，即使采用背靠背擴(kuò)散，硅片的所有表面（包括邊緣）都將不可避免地擴(kuò)散上磷。PN結(jié)的正面所收集到的光生電子會沿著邊緣擴(kuò)散有磷的區(qū)域流到PN結(jié)的背面，而造成短路。此短路通道等效于降低并聯(lián)電阻。 控制方法 對于不同規(guī)格的硅片，應(yīng)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整輝光功率和刻蝕時間使達(dá)到完全去除短路通道的效果。32 刻蝕工藝不當(dāng)?shù)挠绊慙IDIshRsRedger33 在等離子體刻蝕工藝中，關(guān)鍵的工藝參數(shù)是射頻功率和刻蝕時間。 刻蝕不足：電池的并聯(lián)電阻會下降。 射頻功率過高：等離子體中離子

7、的能量較高會對硅片邊緣造成較大的轟擊損傷，導(dǎo)致邊緣區(qū)域的電性能變差從而使電池的性能下降。在結(jié)區(qū)（耗盡層）造成的損傷會使得結(jié)區(qū)復(fù)合增加。34 刻蝕時間過長：刻蝕時間越長對電池片的正反面造成損傷影響越大，時間長到一定程度損傷不可避免會延伸到正面結(jié)區(qū)，從而導(dǎo)致?lián)p傷區(qū)域高復(fù)合。 射頻功率太低：會使等離子體不穩(wěn)定和分布不均勻，從而使某些區(qū)域刻蝕過度而某些區(qū)域刻蝕不足，導(dǎo)致并聯(lián)電阻下降。35 檢驗方法 冷熱探針法冷熱探針法測導(dǎo)電型號36 檢驗原理 熱探針和N型半導(dǎo)體接觸時，傳導(dǎo)電子將流向溫度較低的區(qū)域，使得熱探針處電子缺少，因而其電勢相對于同一材料上的室溫觸點而言將是正的。 同樣道理，P型半導(dǎo)體熱探針觸點

8、相對于室溫觸點而言將是負(fù)的。 此電勢差可以用簡單的微伏表測量。 熱探針的結(jié)構(gòu)可以是將小的熱線圈繞在一個探針的周圍，也可以用小型的電烙鐵。37 檢驗操作及判斷確認(rèn)萬用表工作正常，量程置于200mV。冷探針連接電壓表的正電極，熱探針與電壓表的負(fù)極相連。用冷、熱探針接觸硅片一個邊沿不相連的兩個點，電壓表顯示這兩點間的電壓為正值，說明導(dǎo)電類型為P型，刻蝕合格。相同的方法檢測另外三個邊沿的導(dǎo)電類型是否為P型。如果經(jīng)過檢驗，任何一個邊沿沒有刻蝕合格，則這一批硅片需要重新裝片，進(jìn)行刻蝕。38 等離子刻蝕注意點 單面擴(kuò)散在鍍膜結(jié)束前絕對不能搞混正反面 刻蝕前要保證硅片邊緣對齊 輝光過程注意實際輸出功率和反射功

9、率以及輝光顏色39 在擴(kuò)散過程中發(fā)生如下反應(yīng)： POCl3分解產(chǎn)生的P2O5淀積在硅片表面， P2O5與Si反應(yīng)生成SiO2和磷原子： 這樣就在硅片表面形成一層含有磷元素的SiO2，稱之為磷硅玻璃。什么是磷硅玻璃？PSiOSiOP4552252322 524526P C lOPOC l40 氫氟酸能夠溶解二氧化硅是因為氫氟酸能與二氧化硅作用生成易揮發(fā)的四氟化硅氣體。 若氫氟酸過量，反應(yīng)生成的四氟化硅會進(jìn)一步與氫氟酸反應(yīng)生成可溶性的絡(luò)和物六氟硅酸。 總反應(yīng)式為：O2HSiF4HFSiO242SiFH2HFSiF624O2HSiFH6HFSiO262241 PECVDvPECVD =Plasma

10、Enhanced Chemical Vapor Deposition 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。42 工藝流程 上料加熱-鍍膜-冷卻下料43 PECVD原理v 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。PEC

11、VD方法區(qū)別于其它CVD方法的特點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，使得原來需要在高溫下才能進(jìn)行的CVD過程得以在低溫下實現(xiàn)。 44 CVD各工藝條件的比較v其它方法的沉積溫度： APCVD常壓CVD，700-1000 LPCVD低壓CVD， 750，0.1mbar對比 PECVD 300-450 ，0.1mbar45 PECVD的特點 PECVD的一個基本特征是實現(xiàn)了薄膜沉積工藝的低溫化（450）。因此帶來的好處：節(jié)省

12、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46 PECVD種類vPECVD的種類： 直接式基片位于一個電極上，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）47 PECVD種類 直接式的PECVD48 PECVD種類間接式的PECVD49 PECVD種類 間接PECVD的特點： 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，這對大規(guī)模生產(chǎn)尤其重要。50 SiNx:H簡介v

13、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)計量比會隨工藝不同而變化，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。51 SiNx:H簡介v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H3PO452 SiNx在太陽電池中的應(yīng)用SiNx的優(yōu)點：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mc-Si提供體鈍化 53 減反射原理（干涉） 為了使第一次反射和第二次反

14、射光最弱他們的相干應(yīng)該是相位差為半波長的奇數(shù)倍 /2=2nd d= 4 /n54 減反射原理（界面反射） 在可見光段可以簡化為 氮化硅最佳透射折射率為空氣和硅折射率乘積的平方根 2222) 1() 1(knkn22) 1() 1(nnsinnn055 硅的n,k與光子能量關(guān)系56 半導(dǎo)體吸收系數(shù)57 相關(guān)公式 h=6.6310-34 普朗克常數(shù)58 太陽光譜59 膜厚和折射率的選擇 硅的禁帶寬度是1.12eV， 對應(yīng)于1100nm的電磁波 太陽光譜相當(dāng)于6000K黑體的光譜，能量峰值在600nm左右 所以減反射中心應(yīng)該在600nm 單晶硅太陽能電池氮化硅膜厚度75-80nm折射率為2.05的氮化硅薄膜，薄膜為深藍(lán)色60 鈍化技術(shù)v對于McSi，因存在較高的晶界、點缺陷（空位、填隙原子、金屬雜質(zhì)、氧、氮及他們的復(fù)合物）對材料表面和體內(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。v表面氧鈍化：通過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。61 鈍化技術(shù)v氫鈍化：鈍化硅體內(nèi)的懸掛鍵等缺陷。在晶體生長中受應(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