光伏電池制備工藝課件

光伏電池制備工藝系別：光伏材料

當(dāng)照射在PN結(jié)上的光子能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度Eg時，價帶頂?shù)碾娮訒S遷到導(dǎo)帶底，在PN結(jié)內(nèi)建電場的作用下，電子向N型半導(dǎo)體遷移，空穴向P型半導(dǎo)體遷移，從而實現(xiàn)電子-空穴的分離，產(chǎn)生電動勢。PNIph上電極下電極光生電動勢U第一章光伏電池制備的準(zhǔn)備光伏電池發(fā)電原理分離的結(jié)果：

1.電子移向N區(qū)，空穴移向P區(qū)，帶電載流子的定向移動出現(xiàn)光生電流IL；在PN結(jié)內(nèi)部，電流的方向：N→P。太陽電池的性能表征1.光生電動勢——P正N負(fù)，相當(dāng)于在PN結(jié)上加上正向電壓2.光生電流IL——N→P3.正向電流IF——P→N一、太陽電池模型

在入射光的作用下，產(chǎn)生光生電壓為U、光生電流為IL。在PN結(jié)兩端通過負(fù)載RL構(gòu)成的回路及等效電路為太陽電池的模型太陽電池工作時必須具備下述條件

首先，必須有光的照射，可以是單色光、太陽光或模擬太陽光等，光子的能量一定要大于等于禁帶寬度。

其次，光子注入到半導(dǎo)體內(nèi)后，激發(fā)出電子-空穴對，這些電子和空穴應(yīng)該有足夠長的壽命，在分離之前不會完全復(fù)合消失。第三，必須有一個靜電場，電子-空穴在靜電場的作用下分離，電子集中在一邊，空穴集中在另一邊。

第四，被分離的電子和空穴由電極收集，輸出到太陽電池外，形成電流太陽電池的結(jié)構(gòu)N+P減反層正面電極正電極鋁背場負(fù)電極主柵線負(fù)電極子?xùn)啪€PN結(jié)背面電極10晶體硅電池片生產(chǎn)工藝流程分選測試一次清洗、制絨二次清洗燒結(jié)印刷電極PECVD等離子刻蝕檢驗入庫擴散邊長

常見156mm×156mm的單晶硅片、多晶硅片的邊寬要求為：156±0.5mm對角線常見156mm×156mm的單晶硅片與多晶硅片的對角線要求為200±0.3mm厚度

常見156mm×156mm的單晶硅片、多晶硅片的厚度為200μm，厚度范圍為200±20μm（如圖所示）注意：

①尺寸分選的目的在于檢測硅塊開方、倒角和切片中出現(xiàn)的缺陷，以避免出現(xiàn)尺寸偏大或偏?。虎诓捎贸闄z的方式或進行檢測，每一支晶棒、硅塊抽5～10片進行檢測；③測量工具：游標(biāo)卡尺、同心刻度模板、非接觸厚度測試儀。外觀分檢

1）破片2）線痕3）裂紋4）缺角5）翹曲度6）彎曲度

7）針孔

8）微晶

9）缺口

10）崩邊

11）污物破片

主要是觀察硅片是否有破損情況，如有破損則不能使用，破損的硅片如圖線痕說明

硅片上有明顯的發(fā)亮的線痕，將該類線痕稱之為亮線。對于亮線的規(guī)格要求，只考亮線的粗糙度，不考慮亮線的條數(shù)。規(guī)格≤10μm。

缺角缺角主要是由于倒角、切片、清洗等工藝過程中所造成。常見的缺角不良品如圖翹曲度

翹曲度指的是硅片中位面與基準(zhǔn)面最大最小距離的差距的差值。翹曲度過大的硅片在組件層壓工藝中易碎片，硅片翹曲度的要求一般為＜50μm。有翹曲度的硅片及翹曲度的測量工具如圖中位面—與硅片上表面和下表面等距離的面針孔

材料在長晶時，混有微小的金屬雜質(zhì)，這些雜質(zhì)在長晶過程中進入晶體，切片后在制絨階段雜質(zhì)被腐蝕掉，出現(xiàn)針孔。對于硅片的要求應(yīng)該無針孔。不良品如圖微晶

微晶是指每顆晶粒只由幾千個或幾萬個晶胞并置而成的晶體，從一個晶軸的方向來說這種晶體只重復(fù)了約幾十個周期。對于多晶硅片、單晶硅片微晶常常表現(xiàn)為微晶脫落，對于硅片的要求為微晶脫落不能超過兩處。如圖1-15所示的具有微晶現(xiàn)象的多晶硅片，此圖中的微晶面積＞2cm2、晶粒數(shù)超過了10個，1cm長度上的晶粒數(shù)超過了10個。缺口缺口一般在硅片的邊緣與倒角處，常見的為上下貫穿邊緣的缺損。常見如圖連續(xù)性崩邊的片子污物污物一般為半導(dǎo)體晶片上的塵埃、晶片表面的污染物，且不能用預(yù)檢查溶劑清洗去除。對于晶片的要求為無污物。常見有污物的晶片如圖所示，圖a臟污片雜質(zhì)的主要是氮化硅和碳化硅、圖b臟污片雜質(zhì)主要是水痕等，對于圖a、b中的臟污片均是不合格的晶片。（a）含有氮化硅、碳化硅的臟污片（b）水痕雜質(zhì)臟污片注意：

①外觀缺陷檢查目的在于檢查硅片在切片和清洗過程中是否造成外觀缺陷。

②硅片采用全部檢測的方式進行檢驗。

③常用測量工具事十倍放大鏡、塞尺、線痕表面深度測試儀。硅片性能測試

1）電阻率測試

2）導(dǎo)電類型

3）TTV

4）少子壽命電阻率測試電阻率為荷電載體通過材料受阻程度的一種量度，用來表示各種物質(zhì)電阻特性的物理量，符號為ρ，單位為Ω·cm。156×156cm硅片的電阻率規(guī)格為0.5～3Ω.cm。檢測如圖導(dǎo)電類型半導(dǎo)體導(dǎo)電類型根據(jù)摻雜劑的選擇與摻雜劑的量不同，導(dǎo)致半導(dǎo)體材料中的多數(shù)載流子可能是空穴或者電子，空穴為多子的是P型、電子為主的是N型。目前太陽電池應(yīng)用的的硅片為P型，測試工具為電阻率測試儀，如圖

TTVTTV為總厚度偏差，即晶片厚度的最大值和最小值的差，晶片總厚度偏差的要求為≤30μm。常用測量工具為測厚儀，如圖少子壽命少子壽命指的是晶體中非平衡載流子由產(chǎn)生到復(fù)合存在的平均時間間隔，它等于非平衡少數(shù)載流子濃度衰減到起始值的1/e（e=2.718）所需的時間。對于單晶硅片、多晶硅片少子壽命的要求不同，多晶≥2μs、單晶≥10μs。常用檢測工具為少子壽命測試儀，如圖注意：

①硅片性能檢測的目的在于檢測硅片的內(nèi)在性能指標(biāo)，以滿足電池片的需求。

②采用全部檢測的方式進行檢驗。fortix分選機

fortix分選機主要用來對來料硅片的尺寸、厚度、表面粘污、TTV、電阻率、少子壽命等參數(shù)進行檢測。任務(wù)五制定分檢作業(yè)指導(dǎo)書

根據(jù)太陽電池制備準(zhǔn)備工作，由學(xué)生負(fù)責(zé)制定分檢作業(yè)指導(dǎo)書，作業(yè)指導(dǎo)書如表1-1所示。分檢作業(yè)指導(dǎo)書作業(yè)1、敘述晶體硅太陽電池的基本工藝？以及每一步工藝的目的。2、硅片的來料中有哪些不良現(xiàn)象？出現(xiàn)這些不良后是否都要退回？第二章一次清洗、制絨工藝項目要求:1．掌握制絨工藝的目的2．掌握制絨工藝的原理3．掌握制絨工藝操作流程4．掌握常見制絨不良片的解決方法5．能夠制定單晶硅片、多晶硅片作業(yè)指導(dǎo)書任務(wù)一：制絨工藝的目的與原理制絨目的：

①去除硅片表面的機械損傷層；②并清除表面硅酸鈉、氧化物、油污以及金屬離子雜質(zhì)

③減少光的反射率，提高短路電流，最終提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。制絨的原理晶硅電池分為單晶硅電池、多晶硅電池，在電池片的制備工藝中，由于單晶、多晶的晶顆排列不同，制絨工藝的原理也不同，單晶主要采用各向異性堿腐蝕、多晶主要采用各向同性酸腐蝕。各向異性堿腐蝕

對于單晶硅而言，選擇擇優(yōu)化學(xué)腐蝕劑，就可以在硅片表面形成金字塔結(jié)構(gòu)，稱為絨面結(jié)構(gòu)，又稱表面織構(gòu)化。對于（100）的p型直拉硅片，最常用的是各向異性堿腐蝕，因為在硅晶體中，（111）面是原子最密排面，腐蝕速率最慢，所以腐蝕后4個與晶體硅（100）面相交的（111）面構(gòu)成了金字塔結(jié)構(gòu)。如下圖所示，為單晶硅制絨后的SEM圖，高10μm的峰時方形底面金字塔的頂。制絨工藝的化學(xué)反應(yīng)式與堿制絨硅片表面外貌

堿腐蝕過程中，常用的原材料堿腐蝕過程中，主要儀器設(shè)備堿制絨設(shè)備 花籃承載框 清洗小花籃 推車 電子秤 顯微鏡 橡膠手套堿制絨的工藝要求①硅片減薄重量為0.25g～0.45g。②制絨后硅片目視當(dāng)為黑色，不同角度觀察呈均勻絨面，無絨面不良現(xiàn)象。③制絨后硅片在顯微鏡下觀察，金字塔分布呈均勻致密，相鄰金字塔之間沒有間隙。任務(wù)二單晶制絨操作工藝1.裝片：

1）戴好防護口罩和干凈的橡膠手套，以200片為一個生產(chǎn)批次,把硅片插入清洗小花籃，對來料中如有缺角、崩邊、隱裂等缺陷的硅片不能流入生產(chǎn)線，及時報告品管員，將這些硅片分類放置、集中處理；有缺片現(xiàn)象時，要在缺片記錄上記錄缺片的批號、廠商、箱號和缺片數(shù)。3）在“工藝流程卡”上準(zhǔn)確記錄硅片批號、生產(chǎn)廠家、電阻率、投入數(shù)和投入時間和主要操作員。4）裝完一個生產(chǎn)批次后把“工藝流程卡”隨同硅片一起放在盒架上，等待制絨。2.開機3.生產(chǎn)過程

1）將裝好硅片的小花籃放在花籃承載框中，然后將承載框搬到上料臺上。

2）工藝槽溫度設(shè)定和啟動加熱

3）加熱制絨液體到設(shè)定溫度以后，根據(jù)本班目標(biāo)生產(chǎn)量在控制菜單上進行參數(shù)設(shè)置（包括粗拋、堿蝕、噴淋、鼓泡漂洗時間和產(chǎn)量的設(shè)置）。

4）參數(shù)設(shè)置完畢，在手動狀態(tài)下按“復(fù)位”鍵，運行模式撥到“自動”狀態(tài)，按“啟動”鍵，機器進行復(fù)位，待機械手停止運動后即可上料生產(chǎn)。若不立即生產(chǎn)，則暫時撥回“手動”狀態(tài)。5）配制溶液6）生產(chǎn)過程控制

a.機械手將承載框平移依次送到各處理工位，對硅片進行超聲預(yù)清洗、制絨、鹽酸中和、氫氟酸去氧化層，經(jīng)過11(10)個處理工位全過程處理后，承載框由自動機械手移到出料工位，再由操作員將小花籃取出。

11(10)個處理工位具體為：超聲預(yù)清洗→溫水漂洗→腐蝕制絨（→噴淋）→漂洗→HCl處理→漂洗→HF處理→漂洗→噴淋→漂洗。

b.每制絨一籃，粗拋液、制絨液內(nèi)都要補充NaOH，補充量根據(jù)消耗量確定，并適當(dāng)補充去離子水。7）甩干

甩干員將甩干后的硅片取出，并填寫好《工藝流程卡》，通過傳遞窗流向下一道PECVD工序8）自檢自檢時，主要觀察是否有裂痕、缺角、崩邊、指紋印、污漬、藥液水珠、明顯發(fā)白及發(fā)亮，均無的為制絨合格，正常往下流。工序長每隔1000片抽測5片減重情況9）關(guān)機工藝衛(wèi)生要求

1）不允許用手直接接觸硅片，插片時配戴一次性手套，插完硅片后，應(yīng)立即更換，不得重復(fù)使用。

2）制絨車間要保持清潔，地面常有堿液或干堿，要經(jīng)常打掃。

3）盛過堿液或乙醇的塑料桶要及時刷洗，不可無標(biāo)識長時間用桶盛堿液或乙醇。

4）物品和工具定點放置，用過的工具要放回原位，嚴(yán)禁亂放，保持硅片盒和小花籃清潔。

5）每班下班前要對制絨設(shè)備進行衛(wèi)生清理。注意事項

1）停做滯留的硅片要用膠帶封好箱，標(biāo)簽注明材料批號、供應(yīng)商和實際數(shù)目。

2）每批投片前要檢查化學(xué)腐蝕槽中的液位，不合適的要及時調(diào)整。

3）小花籃和承載框任何時候不能放在地上。

4）嚴(yán)格控制標(biāo)準(zhǔn)檢查絨面質(zhì)量，絨面不合格的硅片要按照檢驗卡片和工序控制點操作，按照規(guī)定的程序進行處置。

5）硅片在制絨槽時，絕不能拿出硅片檢查絨面情況，要進入漂洗槽后再查看絨面情況。

6）操作化學(xué)藥品時，一定要帶好防護手套。

7）制絨設(shè)備的窗戶在不必要時不要打開，機器設(shè)備在運行時，不得把頭、手伸進機器內(nèi)，以防造成傷害事故。

8）制絨機衛(wèi)生保養(yǎng)時，要防止電線浸水短路，擦洗槽蓋時要防止制溶液的污染

各原料在制絨中的規(guī)律55g/l15g/l5g/l硅酸鈉含量影響：增加溶液的粘稠度，調(diào)節(jié)反應(yīng)速度；只要判定它的含量是否過量即可。實驗用濃鹽酸滴定，若滴定一段時間后出現(xiàn)少量絮狀物，說明硅酸鈉含量適中；若滴定開始就出現(xiàn)一團膠狀固體且隨滴定的進行變多，說明硅酸鈉過量。30vol%無IPA3vol%時間影響：制絨包括金字塔的行核及長大過程，因此制絨時間對絨面的形貌及硅片腐蝕量均有重要影響。30min10min1min5min攪拌及鼓泡：攪拌及鼓泡有利于提高溶液均勻度，制絨過程中附加攪拌及鼓泡，硅片表面的氣泡能得到很好的脫附，制絨后的硅片表面顯微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為絨面連續(xù)，金字塔大小均勻。但攪拌及鼓泡會略加劇溶液的揮發(fā)，制絨過程硅片的腐蝕速率也略為加快。正確的設(shè)定：無籃循環(huán)，有籃鼓泡HCl的作用：中和殘留在硅片表面殘余堿液；去除在硅片切割時表面引入的金屬雜質(zhì)。HF的作用：去硅片表面二氧化硅層；與硅片表面硅懸掛鍵形成Si-H鈍化鍵。各向同性酸腐蝕

對于由不同晶粒構(gòu)成的鑄造多晶硅片，由于硅片表面具有不同的晶向，擇優(yōu)腐蝕的堿性溶液顯然不再適用。研究人員提出利用非擇優(yōu)腐蝕的酸性腐蝕劑，在鑄造多晶硅表面制造類似的絨面結(jié)構(gòu)，增加對光的吸收。到目前為止，人們研究最多的是HF和HNO3的混合液。分析

經(jīng)過腐蝕，在多晶硅片的表面形成大小不等的腐蝕坑，從而使太陽光的光程增加，降低表面反射率，增加對光的吸收。酸腐蝕的化學(xué)式很簡單，但是球面絨面形成的機理仍然沒有解決。部分研究者認(rèn)為，在硅與硝酸的反應(yīng)中，除生成SiO2外，還生成NO氣體，在硅片表面形成氣泡，這是導(dǎo)致硅片表面產(chǎn)生球形腐蝕坑的主要原因。

在實際工藝中，HF和HNO的3比例、添加劑、溫度和時間等因素，都對絨面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。1．準(zhǔn)備工作1）穿戴好工作衣帽、防護口罩和干凈的橡膠手套；2）操作員打開包裝，查看規(guī)格、電阻率、厚度、單多晶、廠家、編號是否符合要求；3）操作員檢查硅片是否有崩邊、裂紋、針孔、缺角、油污、劃痕、凹痕；如來料有問題，需及時報告品管員；對原硅裂片，放片員需用膠帶粘好，統(tǒng)一交還給車間小倉庫管理員。多晶硅生產(chǎn)2．開機

1）操作員打開工藝排風(fēng)，打開壓縮空氣閥門，打開設(shè)備進水總閥；

2）操作員啟動設(shè)備，打開電源開關(guān)按鈕，檢查設(shè)備是否正常運轉(zhuǎn)，檢查導(dǎo)輪上是否有碎片。清洗制絨設(shè)備清洗制絨槽3．供液供液間4．換液

1）工序長將設(shè)備“自動”轉(zhuǎn)換為“手動”，點擊“廢液排放”；

2）觀察PC柜電腦畫面，工作槽內(nèi)液體排完后會自動停止；

3）工序長再點擊“槽體清洗”，清洗結(jié)束后會自動停止；

4）再點擊“廢液排放”，排放槽內(nèi)液體；

5）最后將槽體內(nèi)碎片和殘留化學(xué)品清理干凈。5、生產(chǎn)

1）放片

放片員從硅片盒中一次性拿起一疊硅片（最多不能超過100片），用右手將硅片旋開；

捏住硅片的中間（不能拿硅片的角，容易產(chǎn)生碎片）一片一片放到軌道上面

軌道共5道，每一道前后2片硅片的距離應(yīng)大于5cm2）工序長每隔1000片抽測5片減重情況，并將相關(guān)數(shù)據(jù)記錄在“一次清洗減薄量記錄表”中，控制在0.4～0.5g之間，確定絨面質(zhì)量合格后，硅片方可流入下道工序；3）對絨面質(zhì)量合格的硅片，收片員詳細(xì)填寫“工藝流程卡”，并裝在小花籃內(nèi)（每200片為一批，每個小花籃裝25片硅片），每一批硅片有一張流程卡，流入到擴散工序；4）操作員在設(shè)備自動運行過程中，不能離開，需時刻監(jiān)視設(shè)備運行情況；生產(chǎn)

5）收片收片員在小花籃下墊海綿墊片，雙手輕輕拿硅片兩端，將硅片輕輕插入小花籃，如圖所示。發(fā)現(xiàn)有硅片發(fā)亮、未吹干、藥液殘留等異?，F(xiàn)象，及時報告工序長、品管員、工藝員，共同解決。6）對制絨不良的硅片需進行隔離，并報告給工序長和品管員，集中在統(tǒng)一的時間返工；7）工序長在每個班在交班前，及時更換槽的純水、堿液、酸液，并對此次換液進行相應(yīng)的記錄；

8）自檢①在制絨完成后，工序長和收片員需進行自檢，符合工藝、質(zhì)量要求才能流入下道工序；②自檢標(biāo)準(zhǔn)：外觀均勻、無明顯滾輪印、指紋印、污漬、無藥液水珠殘留、無明顯發(fā)白、發(fā)亮的為制絨合格硅片，可以正常往下流；③不合格制絨硅片需進行隔離，達到工藝質(zhì)量要求方能流入下道工序。任務(wù)四制絨不良片案例分析

制絨過程中出現(xiàn)的不良情況，主要有表面污染、表面發(fā)白、表面發(fā)亮、腐蝕不均、無絨面等情況。表面污染

a圖中出現(xiàn)的是硅片表面有指紋殘留；出現(xiàn)的原因是，在包裝時人為的接觸硅片；解決的措施：添加IPA，Na2SiO3,可以起到一定效果，但是不能杜絕，需要硅片車間的配合。表面污染

b圖中出現(xiàn)的是硅片表面有大量的藥液殘留；

出現(xiàn)的原因是IPA添加過多；或者出制絨槽后，沒有立即放入漂洗槽，導(dǎo)致藥液殘