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(shí)，價(jià)帶頂?shù)碾娮訒?huì)躍遷到導(dǎo)帶底，在PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)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(shí)現(xiàn)電子-空穴的分離，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。PNIph上電極下電極光生電動(dòng)勢(shì)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(dòng)出現(xiàn)光生電流IL；在PN結(jié)內(nèi)部，電流的方向：N→P。太陽(yáng)電池的性能表征1.光生電動(dòng)勢(shì)——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(yáng)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(guò)負(fù)載RL構(gòu)成的回路及等效電路為太陽(yáng)電池的模型太陽(yáng)電池工作時(shí)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(yáng)光或模擬太陽(yáng)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(duì)，這些電子和空穴應(yīng)該有足夠長(zhǎng)的壽命，在分離之前不會(huì)完全復(fù)合消失。第三，必須有一個(gè)靜電場(chǎng)，電子-空穴在靜電場(chǎng)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(yáng)電池外，形成電流太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)N+P減反層正面電極正電極鋁背場(chǎng)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(cè)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(yàn)入庫(kù)擴(kuò)散邊長(zhǎng)

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

常見(jiàn)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(cè)硅塊開(kāi)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(jìn)行檢測(cè)，每一支晶棒、硅塊抽5～10片進(jìn)行檢測(cè)；③測(cè)量工具：游標(biāo)卡尺、同心刻度模板、非接觸厚度測(cè)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(shuō)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(duì)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(guò)程中所造成。常見(jiàn)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(guò)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(cè)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(zhǎng)晶時(shí)，混有微小的金屬雜質(zhì)，這些雜質(zhì)在長(zhǎng)晶過(guò)程中進(jìn)入晶體，切片后在制絨階段雜質(zhì)被腐蝕掉，出現(xiàn)針孔。對(duì)于硅片的要求應(yīng)該無(wú)針孔。不良品如圖微晶

微晶是指每顆晶粒只由幾千個(gè)或幾萬(wàn)個(gè)晶胞并置而成的晶體，從一個(gè)晶軸的方向來(lái)說(shuō)這種晶體只重復(fù)了約幾十個(gè)周期。對(duì)于多晶硅片、單晶硅片微晶常常表現(xiàn)為微晶脫落，對(duì)于硅片的要求為微晶脫落不能超過(guò)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(guò)了10個(gè)，1cm長(zhǎng)度上的晶粒數(shù)超過(guò)了10個(gè)。缺口缺口一般在硅片的邊緣與倒角處，常見(jiàn)的為上下貫穿邊緣的缺損。常見(jiàn)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(duì)于晶片的要求為無(wú)污物。常見(jiàn)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(duì)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(guò)程中是否造成外觀缺陷。

②硅片采用全部檢測(cè)的方式進(jìn)行檢驗(yàn)。

③常用測(cè)量工具事十倍放大鏡、塞尺、線痕表面深度測(cè)試儀。硅片性能測(cè)試

1）電阻率測(cè)試

2）導(dǎo)電類型

3）TTV

4）少子壽命電阻率測(cè)試電阻率為荷電載體通過(guò)材料受阻程度的一種量度，用來(lái)表示各種物質(zhì)電阻特性的物理量，符號(hào)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(cè)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(yáng)電池應(yīng)用的的硅片為P型，測(cè)試工具為電阻率測(cè)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(cè)量工具為測(cè)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(shí)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(shí)間。對(duì)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(cè)工具為少子壽命測(cè)試儀，如圖注意：

①硅片性能檢測(cè)的目的在于檢測(cè)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(cè)的方式進(jìn)行檢驗(yàn)。fortix分選機(jī)

fortix分選機(jī)主要用來(lái)對(duì)來(lái)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(jìn)行檢測(cè)。任務(wù)五制定分檢作業(yè)指導(dǎo)書(shū)

根據(jù)太陽(yáng)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(shū)，作業(yè)指導(dǎo)書(shū)如表1-1所示。分檢作業(yè)指導(dǎo)書(shū)作業(yè)1、敘述晶體硅太陽(yáng)電池的基本工藝？以及每一步工藝的目的。2、硅片的來(lái)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(xiàng)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(jiàn)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(shū)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(jī)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(duì)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(duì)于（100）的p型直拉硅片，最常用的是各向異性堿腐蝕，因?yàn)樵诠杈w中，（111）面是原子最密排面，腐蝕速率最慢，所以腐蝕后4個(gè)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(shí)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(guò)程中，常用的原材料堿腐蝕過(guò)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(chē) 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(wú)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(méi)有間隙。任務(wù)二單晶制絨操作工藝1.裝片：

1）戴好防護(hù)口罩和干凈的橡膠手套，以200片為一個(gè)生產(chǎn)批次,把硅片插入清洗小花籃，對(duì)來(lái)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(shí)報(bào)告品管員，將這些硅片分類放置、集中處理；有缺片現(xiàn)象時(shí)，要在缺片記錄上記錄缺片的批號(hào)、廠商、箱號(hào)和缺片數(shù)。3）在“工藝流程卡”上準(zhǔn)確記錄硅片批號(hào)、生產(chǎn)廠家、電阻率、投入數(shù)和投入時(shí)間和主要操作員。4）裝完一個(gè)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(kāi)機(jī)3.生產(chǎn)過(guò)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(tái)上。

2）工藝槽溫度設(shè)定和啟動(dòng)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(jìn)行參數(shù)設(shè)置（包括粗拋、堿蝕、噴淋、鼓泡漂洗時(shí)間和產(chǎn)量的設(shè)置）。

4）參數(shù)設(shè)置完畢，在手動(dòng)狀態(tài)下按“復(fù)位”鍵，運(yùn)行模式撥到“自動(dòng)”狀態(tài)，按“啟動(dòng)”鍵，機(jī)器進(jìn)行復(fù)位，待機(jī)械手停止運(yùn)動(dòng)后即可上料生產(chǎn)。若不立即生產(chǎn)，則暫時(shí)撥回“手動(dòng)”狀態(tài)。5）配制溶液6）生產(chǎn)過(guò)程控制

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

11(10)個(gè)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(bǔ)充N(xiāo)aOH，補(bǔ)充量根據(jù)消耗量確定，并適當(dāng)補(bǔ)充去離子水。7）甩干

甩干員將甩干后的硅片取出，并填寫(xiě)好《工藝流程卡》，通過(guò)傳遞窗流向下一道PECVD工序8）自檢自檢時(shí)，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(wú)的為制絨合格，正常往下流。工序長(zhǎng)每隔1000片抽測(cè)5片減重情況9）關(guān)機(jī)工藝衛(wèi)生要求

1）不允許用手直接接觸硅片，插片時(shí)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(chē)間要保持清潔，地面常有堿液或干堿，要經(jīng)常打掃。

3）盛過(guò)堿液或乙醇的塑料桶要及時(shí)刷洗，不可無(wú)標(biāo)識(shí)長(zhǎng)時(shí)間用桶盛堿液或乙醇。

4）物品和工具定點(diǎn)放置，用過(guò)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(duì)制絨設(shè)備進(jìn)行衛(wèi)生清理。注意事項(xiàng)

1）停做滯留的硅片要用膠帶封好箱，標(biāo)簽注明材料批號(hào)、供應(yīng)商和實(shí)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(shí)調(diào)整。

3）小花籃和承載框任何時(shí)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(yàn)卡片和工序控制點(diǎn)操作，按照規(guī)定的程序進(jìn)行處置。

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

6）操作化學(xué)藥品時(shí)，一定要帶好防護(hù)手套。

7）制絨設(shè)備的窗戶在不必要時(shí)不要打開(kāi)，機(jī)器設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，不得把頭、手伸進(jìn)機(jī)器內(nèi)，以防造成傷害事故。

8）制絨機(jī)衛(wèi)生保養(yǎng)時(shí)，要防止電線浸水短路，擦洗槽蓋時(shí)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(guò)量即可。實(shí)驗(yàn)用濃鹽酸滴定，若滴定一段時(shí)間后出現(xiàn)少量絮狀物，說(shuō)明硅酸鈉含量適中；若滴定開(kāi)始就出現(xiàn)一團(tuán)膠狀固體且隨滴定的進(jìn)行變多，說(shuō)明硅酸鈉過(guò)量。30vol%無(wú)IPA3vol%時(shí)間影響：制絨包括金字塔的行核及長(zhǎng)大過(guò)程，因此制絨時(shí)間對(duì)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(guò)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(huì)略加劇溶液的揮發(fā)，制絨過(guò)程硅片的腐蝕速率也略為加快。正確的設(shè)定：無(wú)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(shí)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(duì)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(duì)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(guò)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(yáng)光的光程增加，降低表面反射率，增加對(duì)光的吸收。酸腐蝕的化學(xué)式很簡(jiǎn)單，但是球面絨面形成的機(jī)理仍然沒(méi)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(shí)際工藝中，HF和HNO的3比例、添加劑、溫度和時(shí)間等因素，都對(duì)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(hù)口罩和干凈的橡膠手套；2）操作員打開(kāi)包裝，查看規(guī)格、電阻率、厚度、單多晶、廠家、編號(hào)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(lái)料有問(wèn)題，需及時(shí)報(bào)告品管員；對(duì)原硅裂片，放片員需用膠帶粘好，統(tǒng)一交還給車(chē)間小倉(cāng)庫(kù)管理員。多晶硅生產(chǎn)2．開(kāi)機(jī)

1）操作員打開(kāi)工藝排風(fēng)，打開(kāi)壓縮空氣閥門(mén)，打開(kāi)設(shè)備進(jìn)水總閥；

2）操作員啟動(dòng)設(shè)備，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)按鈕，檢查設(shè)備是否正常運(yùn)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(zhǎng)將設(shè)備“自動(dòng)”轉(zhuǎn)換為“手動(dòng)”，點(diǎn)擊“廢液排放”；

2）觀察PC柜電腦畫(huà)面，工作槽內(nèi)液體排完后會(huì)自動(dòng)停止；

3）工序長(zhǎng)再點(diǎn)擊“槽體清洗”，清洗結(jié)束后會(huì)自動(dòng)停止；

4）再點(diǎn)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(guò)100片），用右手將硅片旋開(kāi)；

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(zhǎng)每隔1000片抽測(cè)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(duì)絨面質(zhì)量合格的硅片，收片員詳細(xì)填寫(xiě)“工藝流程卡”，并裝在小花籃內(nèi)（每200片為一批，每個(gè)小花籃裝25片硅片），每一批硅片有一張流程卡，流入到擴(kuò)散工序；4）操作員在設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，不能離開(kāi)，需時(shí)刻監(jiān)視設(shè)備運(yùn)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(shí)報(bào)告工序長(zhǎng)、品管員、工藝員，共同解決。6）對(duì)制絨不良的硅片需進(jìn)行隔離，并報(bào)告給工序長(zhǎng)和品管員，集中在統(tǒng)一的時(shí)間返工；7）工序長(zhǎng)在每個(gè)班在交班前，及時(shí)更換槽的純水、堿液、酸液，并對(duì)此次換液進(jìn)行相應(yīng)的記錄；

8）自檢①在制絨完成后，工序長(zhǎng)和收片員需進(jìn)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(wú)明顯滾輪印、指紋印、污漬、無(wú)藥液水珠殘留、無(wú)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(jìn)行隔離，達(dá)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(guò)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(wú)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(shí)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(chē)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(guò)多；或者出制絨槽后，沒(méi)有立即放入漂洗槽，導(dǎo)致藥液殘