《光伏材料加工工藝》實(shí)踐報(bào)告

1、行業(yè)精品資料光伏材料加工工藝實(shí)踐報(bào)告題 目 光伏材料加工工藝 專 業(yè) 光伏材料應(yīng)用技術(shù) 學(xué)生姓名 鉗宇鑫 準(zhǔn)考證號(hào) 8 指導(dǎo)教師 陳立 2012 年 4 月目錄一、實(shí)踐目的2二、單晶硅太陽能電池簡介2三、太陽能電池片的化學(xué)清洗工藝3四、太陽能電池片制作工藝流程圖3五、太陽能電池組件封裝工藝流程7六、實(shí)踐心得8光伏材料加工工藝實(shí)踐報(bào)告一、實(shí)踐目的光伏材料是指能將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的材料。光伏材料又稱太陽電池材料，只有半導(dǎo)體材料具有這種功能?？勺鎏栯姵夭牧系牟牧嫌袉尉Ч?、多晶硅、非晶硅、GaAs、GaAlAs、InP、CdS、CdTe等。用于空間的有單晶硅、GaAs、InP。用于地面已批量生產(chǎn)

2、的有單晶硅、多晶硅、非晶硅。本實(shí)踐課程的主要目的就是學(xué)習(xí)光伏材料的加工工藝，掌握光伏材料加工的流程。二、單晶硅太陽能電池簡介單晶硅太陽能電池,是以高純的單晶硅棒為原料的太陽能電池，是當(dāng)前開發(fā)得最快的一種太陽能電池。它的構(gòu)造和生產(chǎn)工藝已定型，產(chǎn)品已廣泛用于空間和地面。圖1 單晶硅太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)為了降低生產(chǎn)成本，現(xiàn)在地面應(yīng)用的太陽能電池等采用太陽能級(jí)的單晶硅棒，材料性能指標(biāo)有所放寬。有的也可使用半導(dǎo)體器件加工的頭尾料和廢次單晶硅材料，經(jīng)過復(fù)拉制成太陽能電池專用的單晶硅棒。 單晶硅太陽能電池將單晶硅棒切成片，一般片厚約0.3毫米。硅片經(jīng)過拋磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太陽能電池片

3、，首先要在硅片上摻雜和擴(kuò)散，一般摻雜物為微量的硼、磷、銻等。擴(kuò)散是在石英管制成的高溫?cái)U(kuò)散爐中進(jìn)行。這樣就硅片上形成PN結(jié)。然后采用絲網(wǎng)印刷法，精配好的銀漿印在硅片上做成柵線，經(jīng)過燒結(jié)，同時(shí)制成背電極，并在有柵線的面涂覆減反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。因此，單晶硅太陽能電池的單體片就制成了。單體片經(jīng)過抽查檢驗(yàn)，即可按所需要的規(guī)格組裝成太陽能電池組件（太陽能電池板），用串聯(lián)和并聯(lián)的方法構(gòu)成一定的輸出電壓和電流。最后用框架和材料進(jìn)行封裝。用戶根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可將太陽能電池組件組成各種大小不同的太陽能電池方陣，亦稱太陽能電池陣列。目前單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右，實(shí)驗(yàn)室成果

4、也有20%以上的。單晶硅太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。三、太陽能電池片的化學(xué)清洗工藝切片要求：切割精度高、表面平行度高、翹曲度和厚度公差小。斷面完整性好，消除拉絲、刀痕和微裂紋。提高成品率，縮小刀(鋼絲)切縫，降低原材料損耗。提高切割速度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化切割。具體來說太陽能硅片表面沾污大致可分為三類：1、有機(jī)雜質(zhì)沾污： 可通過有機(jī)試劑的溶解作用，結(jié)合兆聲波清洗技術(shù)來去除。 2、顆粒沾污：運(yùn)用物理的方法可采機(jī)械擦洗或兆聲波清洗技術(shù)來去除粒徑 0.4 m顆粒，利用兆聲波可去除 0.2 m顆粒。 3、金屬離子沾污：該污染必須采用化學(xué)的方法才能將其清洗掉。硅片表面金屬雜質(zhì)沾污又可分為兩大類：沾污離子或原

5、子通過吸附分散附著在硅片表面。帶正電的金屬離子得到電子后面附著（尤如“電鍍”）到硅片表面。金屬離子沾污的清楚方法如下：用H2O2作強(qiáng)氧化劑，使“電鍍”附著到硅表面的金屬離子氧化成金屬，溶解在清洗液中或吸附在硅片表面。 用無害的小直徑強(qiáng)正離子（如H+），一般用HCL作為H+的來源，替代吸附在硅片表面的金屬離子，使其溶解于清洗液中，從而清除金屬離子。 用大量去離子水進(jìn)行超聲波清洗，以排除溶液中的金屬離子。 由于SC-1是H2O2和NH4OH的堿性溶液，通過H2O2的強(qiáng)氧化和NH4OH的溶解作用，使有機(jī)物沾污變成水溶性化合物，隨去離子水的沖洗而被排除；同時(shí)溶液具有強(qiáng)氧化性和絡(luò)合性，能氧化Cr、Cu、

6、Zn、Ag、Ni、Co、Ca、Fe、Mg等，使其變成高價(jià)離子，然后進(jìn)一步與堿作用，生成可溶性絡(luò)合物而隨去離子水的沖洗而被去除。因此用SC-1液清洗拋光片既能去除有機(jī)沾污，亦能去除某些金屬沾污。在使用SC-1液時(shí)結(jié)合使用兆聲波來清洗可獲得更好的清洗效果。 另外SC-2是H2O2和HCL的酸性溶液，具有極強(qiáng)的氧化性和絡(luò)合性，能與氧化以前的金屬作用生成鹽隨去離子水沖洗而被去除。被氧化的金屬離子與CL-作用生成的可溶性絡(luò)合物亦隨去離子水沖洗而被去除。四、太陽能電池片制作工藝流程圖太陽能電池片制作工藝流程如圖2所示。圖2 晶體硅太陽能電池片制作工藝流程具體的制作工藝說明（1）切片：采用多線切割，將硅棒切

7、割成正方形的硅片。（2） 清洗：用常規(guī)的硅片清洗方法清洗，然后用酸（或堿）溶液將硅片表面切割損傷層除去3050um。（3）制備絨面：用堿溶液對(duì)硅片進(jìn)行各向異性腐蝕在硅片表面制備絨面。（4）磷擴(kuò)散：采用涂布源（或液態(tài)源，或固態(tài)氮化磷片狀源）進(jìn)行擴(kuò)散，制成PN結(jié)，結(jié)深一般為0.30.5um。（5）周邊刻蝕：擴(kuò)散時(shí)在硅片周邊表面形成的擴(kuò)散層，會(huì)使電池上下電極短路，用掩蔽濕法腐蝕或等離子干法腐蝕去除周邊擴(kuò)散層。（6）去除背面PN結(jié)。常用濕法腐蝕或磨片法除去背面PN結(jié)。（7）制作上下電極：用真空蒸鍍、化學(xué)鍍鎳或鋁漿印刷燒結(jié)等工藝。先制作下電極，然后制作上電極。鋁漿印刷是大量采用的工藝方法。（8）制作減反

8、射膜：為了減少入反射損失，要在硅片表面上覆蓋一層減反射膜。制作減反射膜的材料有MgF2 ，SiO2 ，Al2O3 ，SiO ，Si3N4 ，TiO2 ，Ta2O5等。工藝方法可用真空鍍膜法、離子鍍膜法，濺射法、印刷法、PECVD法或噴涂法等。（9）燒結(jié)：將電池芯片燒結(jié)于鎳或銅的底板上。（10）測(cè)試分檔：按規(guī)定參數(shù)規(guī)范，測(cè)試分類。生產(chǎn)電池片的工藝比較復(fù)雜，一般要經(jīng)過硅片檢測(cè)、表面制絨、擴(kuò)散制結(jié)、去磷硅玻璃、等離子刻蝕、鍍減反射膜、絲網(wǎng)印刷、快速燒結(jié)和檢測(cè)分裝等主要步驟。這里介紹的是晶硅太陽能電池片生產(chǎn)的一般工藝與設(shè)備。 1、硅片檢測(cè)硅片是太陽能電池片的載體，硅片質(zhì)量的好壞直接決定了太陽能電池片轉(zhuǎn)

9、換效率的高低，因此需要對(duì)來料硅片進(jìn)行檢測(cè)。該工序主要用來對(duì)硅片的一些技術(shù)參數(shù)進(jìn)行在線測(cè)量，這些參數(shù)主要包括硅片表面不平整度、少子壽命、電阻率、P/N型和微裂紋等。該組設(shè)備分自動(dòng)上下料、硅片傳輸、系統(tǒng)整合部分和四個(gè)檢測(cè)模塊。其中，光伏硅片檢測(cè)儀對(duì)硅片表面不平整度進(jìn)行檢測(cè),同時(shí)檢測(cè)硅片的尺寸和對(duì)角線等外觀參數(shù)；微裂紋檢測(cè)模塊用來檢測(cè)硅片的內(nèi)部微裂紋；另外還有兩個(gè)檢測(cè)模組，其中一個(gè)在線測(cè)試模組主要測(cè)試硅片體電阻率和硅片類型，另一個(gè)模塊用于檢測(cè)硅片的少子壽命。在進(jìn)行少子壽命和電阻率檢測(cè)之前，需要先對(duì)硅片的對(duì)角線、微裂紋進(jìn)行檢測(cè)，并自動(dòng)剔除破損硅片。硅片檢測(cè)設(shè)備能夠自動(dòng)裝片和卸片，并且能夠?qū)⒉缓细衿贩诺?/p>

10、固定位置，從而提高檢測(cè)精度和效率。2、表面制絨單晶硅絨面的制備是利用硅的各向異性腐蝕，在每平方厘米硅表面形成幾百萬個(gè)四面方錐體也即金字塔結(jié)構(gòu)。由于入射光在表面的多次反射和折射，增加了光的吸收，提高了電池的短路電流和轉(zhuǎn)換效率。硅的各向異性腐蝕液通常用熱的堿性溶液，可用的堿有氫氧化鈉，氫氧化鉀、氫氧化鋰和乙二胺等。大多使用廉價(jià)的濃度約為1%的氫氧化鈉稀溶液來制備絨面硅，腐蝕溫度為70-85。為了獲得均勻的絨面，還應(yīng)在溶液中酌量添加醇類如乙醇和異丙醇等作為絡(luò)合劑，以加快硅的腐蝕。制備絨面前，硅片須先進(jìn)行初步表面腐蝕，用堿性或酸性腐蝕液蝕去約2025m，在腐蝕絨面后，進(jìn)行一般的化學(xué)清洗。經(jīng)過表面準(zhǔn)備的

11、硅片都不宜在水中久存，以防沾污，應(yīng)盡快擴(kuò)散制結(jié)。3、擴(kuò)散制結(jié)太陽能電池需要一個(gè)大面積的PN結(jié)以實(shí)現(xiàn)光能到電能的轉(zhuǎn)換，而擴(kuò)散爐即為制造太陽能電池PN結(jié)的專用設(shè)備。管式擴(kuò)散爐主要由石英舟的上下載部分、廢氣室、爐體部分和氣柜部分等四大部分組成。擴(kuò)散一般用三氯氧磷液態(tài)源作為擴(kuò)散源。把P型硅片放在管式擴(kuò)散爐的石英容器內(nèi)，在850-900攝氏度高溫下使用氮?dú)鈱⑷妊趿讕胧⑷萜?，通過三氯氧磷和硅片進(jìn)行反應(yīng)，得到磷原子。經(jīng)過一定時(shí)間，磷原子從四周進(jìn)入硅片的表面層，并且通過硅原子之間的空隙向硅片內(nèi)部滲透擴(kuò)散，形成了N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的交界面，也就是PN結(jié)。這種方法制出的PN結(jié)均勻性好,方塊電阻的不均勻性

12、小于百分之十,少子壽命可大于10ms。制造PN結(jié)是太陽電池生產(chǎn)最基本也是最關(guān)鍵的工序。因?yàn)檎荘N結(jié)的形成，才使電子和空穴在流動(dòng)后不再回到原處，這樣就形成了電流，用導(dǎo)線將電流引出，就是直流電。4、去磷硅玻璃該工藝用于太陽能電池片生產(chǎn)制造過程中，通過化學(xué)腐蝕法也即把硅片放在氫氟酸溶液中浸泡，使其產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成可溶性的絡(luò)和物六氟硅酸，以去除擴(kuò)散制結(jié)后在硅片表面形成的一層磷硅玻璃。在擴(kuò)散過程中，POCL3與O2反應(yīng)生成P2O5淀積在硅片表面。P2O5與Si反應(yīng)又生成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。去磷硅玻璃的設(shè)備一般由本體、清洗槽、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械

13、臂、電氣控制系統(tǒng)和自動(dòng)配酸系統(tǒng)等部分組成，主要?jiǎng)恿υ从袣浞帷⒌獨(dú)?、壓縮空氣、純水，熱排風(fēng)和廢水。氫氟酸能夠溶解二氧化硅是因?yàn)闅浞崤c二氧化硅反應(yīng)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(huì)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。5、等離子刻蝕由于在擴(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?cái)U(kuò)散上磷。PN結(jié)的正面所收集到的光生電子會(huì)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。因此，必須對(duì)太陽能電池周邊的摻雜硅進(jìn)行刻蝕，以去除電池邊緣的PN結(jié)。通常采用等離子刻蝕技術(shù)完成這一工藝。等離子刻蝕是在低壓狀態(tài)下，反應(yīng)氣體CF4的母體分子在射頻功率的

14、激發(fā)下，產(chǎn)生電離并形成等離子體。等離子體是由帶電的電子和離子組成，反應(yīng)腔體中的氣體在電子的撞擊下，除了轉(zhuǎn)變成離子外，還能吸收能量并形成大量的活性基團(tuán)?；钚苑磻?yīng)基團(tuán)由于擴(kuò)散或者在電場(chǎng)作用下到達(dá)SiO2表面，在那里與被刻蝕材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并形成揮發(fā)性的反應(yīng)生成物脫離被刻蝕物質(zhì)表面，被真空系統(tǒng)抽出腔體。6、鍍減反射膜拋光硅表面的反射率為35%,為了減少表面反射,提高電池的轉(zhuǎn)換效率,需要沉積一層氮化硅減反射膜?，F(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中常采用PECVD設(shè)備制備減反射膜。PECVD即等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積。它的技術(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，利用輝光放電使樣品升溫到預(yù)定

15、的溫度，然后通入適量的反應(yīng)氣體SiH4和NH3，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)薄膜即氮化硅薄膜。一般情況下，使用這種等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積的方法沉積的薄膜厚度在70nm左右。這樣厚度的薄膜具有光學(xué)的功能性。利用薄膜干涉原理，可以使光的反射大為減少，電池的短路電流和輸出就有很大增加，效率也有相當(dāng)?shù)奶岣摺?、絲網(wǎng)印刷太陽電池經(jīng)過制絨、擴(kuò)散及PECVD等工序后，已經(jīng)制成PN結(jié)，可以在光照下產(chǎn)生電流，為了將產(chǎn)生的電流導(dǎo)出，需要在電池表面上制作正、負(fù)兩個(gè)電極。制造電極的方法很多，而絲網(wǎng)印刷是目前制作太陽電池電極最普遍的一種生產(chǎn)工藝。絲網(wǎng)印刷是采用壓印的方式將預(yù)定的圖形印刷在基板

16、上，該設(shè)備由電池背面銀鋁漿印刷、電池背面鋁漿印刷和電池正面銀漿印刷三部分組成。其工作原理為：利用絲網(wǎng)圖形部分網(wǎng)孔透過漿料，用刮刀在絲網(wǎng)的漿料部位施加一定壓力，同時(shí)朝絲網(wǎng)另一端移動(dòng)。油墨在移動(dòng)中被刮刀從圖形部分的網(wǎng)孔中擠壓到基片上。由于漿料的粘性作用使印跡固著在一定范圍內(nèi)，印刷中刮板始終與絲網(wǎng)印版和基片呈線性接觸，接觸線隨刮刀移動(dòng)而移動(dòng)，從而完成印刷行程。8、快速燒結(jié)經(jīng)過絲網(wǎng)印刷后的硅片，不能直接使用，需經(jīng)燒結(jié)爐快速燒結(jié)，將有機(jī)樹脂粘合劑燃燒掉，剩下幾乎純粹的、由于玻璃質(zhì)作用而密合在硅片上的銀電極。當(dāng)銀電極和晶體硅在溫度達(dá)到共晶溫度時(shí)，晶體硅原子以一定的比例融入到熔融的銀電極材料中去，從而形成上

17、下電極的歐姆接觸，提高電池片的開路電壓和填充因子兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，使其具有電阻特性，以提高電池片的轉(zhuǎn)換效率。燒結(jié)爐分為預(yù)燒結(jié)、燒結(jié)、降溫冷卻三個(gè)階段。預(yù)燒結(jié)階段目的是使?jié){料中的高分子粘合劑分解、燃燒掉，此階段溫度慢慢上升；燒結(jié)階段中燒結(jié)體內(nèi)完成各種物理化學(xué)反應(yīng)，形成電阻膜結(jié)構(gòu)，使其真正具有電阻特性，該階段溫度達(dá)到峰值；降溫冷卻階段，玻璃冷卻硬化并凝固，使電阻膜結(jié)構(gòu)固定地粘附于基片上。9、外圍設(shè)備在電池片生產(chǎn)過程中，還需要供電、動(dòng)力、給水、排水、暖通、真空、特汽等外圍設(shè)施。消防和環(huán)保設(shè)備對(duì)于保證安全和持續(xù)發(fā)展也顯得尤為重要。一條年產(chǎn)50MW能力的太陽能電池片生產(chǎn)線，僅工藝和動(dòng)力設(shè)備用電功率就在180

18、0KW左右。工藝純水的用量在每小時(shí)15噸左右，水質(zhì)要求達(dá)到中國電子級(jí)水GB/T11446.1-1997中EW-1級(jí)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。工藝?yán)鋮s水用量也在每小時(shí)15噸左右，水質(zhì)中微粒粒徑不宜大于10微米，供水溫度宜在15-20。真空排氣量在300M3/H左右。同時(shí)，還需要大約氮?dú)鈨?chǔ)罐20立方米，氧氣儲(chǔ)罐10立方米?？紤]到特殊氣體如硅烷的安全因素，還需要單獨(dú)設(shè)置一個(gè)特氣間，以絕對(duì)保證生產(chǎn)安全。另外，硅烷燃燒塔、污水處理站等也是電池片生產(chǎn)的必備設(shè)施。五、太陽能電池組件封裝工藝流程組件線又叫封裝線，封裝是太陽能電池生產(chǎn)中的關(guān)鍵步驟，沒有良好的封裝工藝，多好的電池也生產(chǎn)不出好的組件板。電池的封裝不僅可以使電池的壽

19、命得到保證，而且還增強(qiáng)了電池的抗擊強(qiáng)度。產(chǎn)品的高質(zhì)量和高壽命是贏得可客戶滿意的關(guān)鍵，所以組件板的封裝質(zhì)量非常重要。 太陽能電池組件封裝工藝流程如下： 電池檢測(cè)正面焊接檢驗(yàn)背面串接檢驗(yàn)敷設(shè)（玻璃清洗、材料切割、玻璃預(yù)處理、敷設(shè)層壓去毛邊（去邊、清洗）裝邊框（涂膠、裝角鍵、沖孔、裝框、擦洗余膠）焊接接線盒高壓測(cè)試組件測(cè)試外觀檢驗(yàn)包裝入庫在這里簡單的介紹一下工藝的作用。1、電池測(cè)試：由于電池片制作條件的隨機(jī)性，生產(chǎn)出來的電池性能不盡相同，所以為了有效的將性能一致或相近的電池組合在一起，所以應(yīng)根據(jù)其性能參數(shù)進(jìn)行分類；電池測(cè)試即通過測(cè)試電池的輸出參數(shù)（電流和電壓）的大小對(duì)其進(jìn)行分類。以提高電池的利用率，

20、做出質(zhì)量合格的電池組件。2、正面焊接：是將匯流帶焊接到電池正面（負(fù)極）的主柵線上，匯流帶為鍍錫的銅帶，我們使用的焊接機(jī)可以將焊帶以多點(diǎn)的形式點(diǎn)焊在主柵線上。焊接用的熱源為一個(gè)紅外燈（利用紅外線的熱效應(yīng)）。焊帶的長度約為電池邊長的2倍。多出的焊帶在背面焊接時(shí)與后面的電池片的背面電極相連3、背面串接：背面焊接是將36片電池串接在一起形成一個(gè)組件串，我們目前采用的工藝是手動(dòng)的，電池的定位主要靠一個(gè)膜具板，上面有36個(gè)放置電池片的凹槽，槽的大小和電池的大小相對(duì)應(yīng)，槽的位置已經(jīng)設(shè)計(jì)好，不同規(guī)格的組件使用不同的模板，操作者使用電烙鐵和焊錫絲將“前面電池”的正面電極（負(fù)極）焊接到“后面電池”的背面電極（正極）上，這樣依次將36片串接在一起并在組件串的正負(fù)極焊接出引線。4、層壓敷設(shè)：背面串接好且經(jīng)過檢驗(yàn)合格后，將組件串、玻璃和切割好的EVA 、玻璃纖維、背板按照一定的層次敷設(shè)好，準(zhǔn)備層壓。玻璃事先涂一層試劑（primer）以增加玻璃和EVA的粘接強(qiáng)度。敷設(shè)時(shí)保證電池串與玻璃等材料的相對(duì)位置，調(diào)整好電池間的距離，為層壓打好基礎(chǔ)。（敷設(shè)層次：由下向上：玻璃、EVA、電池、EVA、玻璃纖維、背板）。5、組件層壓：將敷設(shè)好的電池放入層壓機(jī)內(nèi)，通過抽真空將組件內(nèi)的空氣抽出，然后加熱使EVA熔化將電