1、單晶硅太陽能電池的制備09物409020428項金冬摘要：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，是當前開發得最快的一種太陽能電池。它的構造和生產工藝已定型，產品已廣泛用于空間和地面。因此,我們應該制備單晶硅太陽能電池。關鍵字：單晶硅切割制絨制結PECVD技術Abstract:Monocrystallinesiliconsolarbattery,isofhighpuritysiliconrodsforrawmaterialsofsolarcells,isthecurrentdevelopmentofthefastestasolarcell.Itsconstructionandp

2、roductionprocesshastofinalizethedesign,theproductshavebeenwidelyusedinspaceandontheground.Weshould,therefore,preparationofsinglecrystalsiliconsolarcellsKeyword:Monocrystallinesilicon;cutting;system;PECVDflockingtechnology引言：隨著世界能源問題的重視，太陽能成為一代新型能源，硅電池的制造為我們更好的使用太陽提供了可能。單晶硅電池的結構圖:1 .單晶硅的制備:直拉法又稱切克勞斯基

3、法，它是在1917年有切克勞斯基（Czochralski）建立起來的一種晶體生長方法，簡稱CZ法。直拉單晶制造是把原料多硅晶塊放入石英塔期中，在單晶爐中加熱融化，再將一根直徑只有10mm的棒狀晶種（稱籽晶）浸入融液中。在合適的溫度下，融液中的硅原子會順著晶種的硅原子排列結構在固液交界面上形成規則的結晶，成為單晶體。把晶種微微的旋轉向上提升，融液中的硅原子會在前面形成的單晶體上繼續結晶，并延續其規則的原子排列結構。若整個結晶環境穩定，就可以周而復始的形成結晶，最后形成一根圓柱形的原子排列整齊的硅單晶晶體，即硅單晶錠。當結晶加快時，晶體直徑會變粗，提高升速可以使直徑變細，增加溫度能抑制結晶速度。反

4、之，若結晶變慢，直徑變細，則通過降低拉速和降溫去控制。拉晶開始，先引出一定長度，直徑為35mm的細頸，以消除結晶位錯，這個過程叫做引晶。然后放大單晶體直徑至工藝要求，進入等徑階段，直至大部分硅融液都結晶成單晶錠，只剩下少量剩料。2 .硅片切割，材料準備:工業制作硅電池所用的單晶硅材料，一般采用塔鍋直拉法制的太陽級單晶硅棒，原始的形狀為圓柱形，然后切割成方形硅片（或多晶方形硅片），硅片的邊長一般為1075cm,厚度約200350um,電阻率約1.cm的p型（摻硼）。3 .去除損傷層：硅片在切割過程會產生大量的表面缺陷，這就會產生兩個問題，首先表面的質量較差，另外這些表面缺陷會在電池制造過程中導致

5、碎片增多。因此要將切割損傷層去除，一般采用堿或酸腐蝕，腐蝕的厚度約10um=滾磨切片前先將硅單晶棒研磨成具有精確直徑的單晶棒，再沿單晶棒的晶軸方向研磨出主、次參考面，用氫氟酸、硝酸和冰醋酸的混合液腐蝕研磨面，稱為減徑腐蝕。切害U也稱切片，把硅單晶棒切成所需形狀的硅片（如圓片）的工藝。切割分多線切割、外圓切割、超聲切割、電子束切割和普遍采用的內圓切割等研磨也稱磨片，在研磨機上，用白剛玉或金剛砂等配制的研磨液將硅片研磨成具有一定厚度和光潔度的工藝。有單面研磨和雙面研磨兩種方式。倒角為解決硅片邊緣碎裂所引起的表面質量下降，以及光刻涂膠和外延的邊緣凸起等問題的邊緣弧形工藝。倒角方法有磨削、噴砂、化學腐

6、蝕和恰當的拋光等，較普遍采用的是用倒角機以成型的砂輪磨削硅片邊緣，直到硅片邊緣形狀與輪的形狀一致為止化學腐蝕也稱減薄腐蝕，目的是除去切磨后硅片表面的損傷層和沾污層，改善表面質量和提高表面平整度。化學腐蝕法有籃式、桶式、旋轉桿式和盒式，采用氫氟酸、硝酸和冰醋酸的混合液從硅片兩側腐蝕掉一定的厚度。拋光為了制備合乎器件和集成電路制作要求的硅片表面，必須進行拋光，以除去殘留的損傷層并獲得一定厚度的高平整度的鏡面硅片。拋光分機械拋光、化學拋光、電子束拋光、離子束拋光，較普遍采用的是化學機械拋光。化學機械拋光是化學腐蝕和機械磨削同時進行，分為銅離子拋光、銘離子拋光和普遍采用的二氧化硅膠體拋光。二氧化硅膠體

7、拋光是由極細的二氧化硅粉、氫氧化鈉（或有機堿）和水配制成膠體拋光液。在拋光過程中，氫氧化鈉與硅表面反應生成硅酸鈉，通過與二氧化硅膠體的磨削，硅酸鈉進入拋光液，兩個過程不停頓地同時進行而達到拋光的目的。根據不同要求，可用一次拋光、二次拋光（粗拋光和精拋光）或三次拋光（粗拋光、中間拋光和精拋光）。為滿足超大規模集成電路對表面質量和平整度的要求，已有無蠟拋光和無磨料拋光等新工藝。檢測拋光面包括目檢、幾何尺寸檢測和熱氧化層錯檢測等。目檢是在正面高強度光或大面積散射光照射下目測拋光片上的原生缺陷和二次缺陷。這些缺陷包括邊緣碎裂、沾污、裂紋、弧坑、鴉爪、波紋、槽、霧、嵌入磨料顆粒、小丘、桔皮、淺坑、劃道、

8、亮點、退刀痕和雜質條紋等。幾何尺寸的檢測包括硅片的厚度、總厚度變化、彎曲度和平整度的檢測。厚度為硅片中心上、下表面兩個對應點之間的距離；總厚度變化為同一硅片上厚度最大值與最小值之差；彎曲度為硅片的中線面與參考平面之間距離的最大值與最小值之差；平整度指硅片表面上最高點與最低點的高度差，用總指示讀數表征。硅片的熱氧化層錯檢測是指硅拋光片表面的機械損傷、雜質沾污和微缺陷等在硅片熱氧化過程中均會產生熱氧化層錯，經擇優腐蝕后，在金相顯微鏡下觀測熱氧化層錯的密度，以此鑒定硅片表面的質量3、制絨:為了進一步提高太陽電池的光電轉換效率，在目前的工藝中，人們致力于降低電池表面的光反射，增強光的有效吸收，對電池表

9、面進行鈍化和通過改進電極的結構1,2。在增強對太陽光的有效吸收方面采用了多種方法：如多層減反射膜，倒金字塔結構，機械和化學刻槽等而隨機產生的金字塔工藝是目前在商品化太陽電池中普遍采用的方法，其工藝簡單，成本低廉，適于大規模生產。但在絨面制作過程中，質量的監控比較困難，我們應用一種比較簡單而準確的MOSIU量技術，通過對所制作的絨面進行電容測量可間接得到電池的表面積數據，從而可對絨面制作工藝進行分析和控制。通過對MOS(統的C-V特性測試還可進一步對太陽電池的表面和界面性能作更加系統和全面的研究。樣品采用未經拋光的p型(100)面硅單晶，厚度約400Lm,電阻率0.5-1.58cm,未經磨、拋的

10、單晶硅片分別用酸性和堿性腐蝕液除去表面損傷層，酸性腐蝕液為硝酸和氫氟酸的混合液，其反應為3Si+4HNO3=3SiO2+2HO+4NOSiO2+6HAH2SiF6+2H2T堿性腐蝕液采用KOH(2O-25%)溶液，其反應為Si+KOH+H28KSQ3+2H2T用不同溶液及它們的組合進行系列實驗，包才1)KOH表面腐蝕，(2)HNO3:HF腐蝕，(3)NaOH表面腐蝕后，再用HNO僑口HF混合液腐蝕。絨面制作采用KOH(1%溶液在80C下腐蝕3040min,通過控制溶液的比例(如加異丙醇或無水乙醇等)控制金字塔的大小。通過對硅片表面SEMK驗發現，用第三種方法制作的絨面，其金字塔結構分布比較均勻

11、，表面覆蓋效果良好。4、擴散制結：擴散法主要有熱擴散法、離子注入法、薄膜生長法、合金法、激光法和高頻電注入法等。通常采用熱擴散法制結。而熱擴散法又分為涂布源擴散、液態源擴散和固態源擴散之分。以液態源擴散為例，一般采用POC3液態源作為擴散源，POCl3液態源擴散方法具有生產效率較高，得到PN結均勻、平整和擴散層表面良好等優點，這對于制作具有大面積結的太陽電池是非常重要的。POC3液態源擴散公式如下：4POCL3+5O2=2P2O5+CL2T2P2O5+5Si=4P+SiO2清洗一一初次擴散前，擴散爐石英管首先連接TCA裝置，當爐溫升至設定溫度，以設定流量通過TCA60分鐘清洗石英管。清洗開始時

12、，先開氧氣，再開TCA清洗結束后，先關TCA再關氧氣。清洗結束后，將石英管連接擴散源，待擴散。飽和一一每班生產前，需對石英管進行飽和。爐溫升至設定溫度時，以設定流量通小氮氣(攜源)和氧氣，使石英管飽和，20分鐘后，關閉小氮氣和氧氣。初次擴散前或停產一段時間以后恢復生產時，須使石英管在950攝氏度通源飽和1小時以上。裝片一一戴好防護口罩和干凈的塑料手套，將清洗甩干的硅片從傳遞窗口取出，放在潔凈臺上。用吸筆依次將硅片從硅片盒中取出，插入石英舟。送片一一用舟將裝滿硅片的石英舟放在碳化硅臂漿上，保證平穩，緩緩放入擴散爐。回溫回溫一一打開氧氣，等待石英管升溫至設定溫度。擴散一一打開小氮氣，以設定流量通小

13、氮氣（攜源）進行擴散。擴散結束后，關閉小氮氣和氧氣，將石英舟緩緩退至爐口，降溫以后，用舟叉從臂漿上取下石英舟。并立即放上新的石英舟，進行下一輪擴散。如沒有待擴散的硅片，將臂漿推入擴散爐，盡量縮短臂漿暴露在空氣中的時間。等待硅片冷卻后，將硅片從石英舟上卸下并放置在硅片盒中，放入傳遞窗。5、邊緣刻蝕、清洗:刻蝕的目的：去除擴散后硅片邊緣的PN結，防止短路。濕法刻蝕：是將刻蝕材料浸泡在腐蝕液內進行腐蝕的技術，是最普遍、也是設備成本最低的刻蝕方法。它是一種純化學刻蝕，具有優良的選擇性，刻蝕完當前薄膜就會停止，而不會損壞下面一層其他材料的薄膜。由于所有的半導體濕法刻蝕都具有各向同性，所以無論是氧化層還是

14、金屬層的刻蝕，橫向刻蝕的寬度都接近于垂直刻蝕的深度。濕法刻蝕原理：4HNO+3Si-3Si6+4NO+2H）SiO2+6FU罔SiF6+2H2O磷硅玻璃：在擴散過程中，POCl3分解產生的P2O5淀積在硅片表面，P2O5與Si反應生成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PSG（磷硅玻璃）原理：SiO2+4HF-SiF4T+2H2OSiF4+2HFfH2SiF66、沉積減反射層:沉積減反射層的目的在于減少表面反射，增加折射率。廣泛使用PECV而積SiN,由于PECV靛積SiN時，不光是生長SiN作為減反射膜，同時生成了大量的原子氫,這些氫原子能對多晶

15、硅片具有表面鈍化和體鈍化的雙重作用，可用于大批量生產。PECVD技術分類：、直接法一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、間接法一基片不接觸激發電極（如2.45GHz微波激發等離子）鈍化技術：對于MlSi,因存在較高的晶界、點缺陷（空位、填隙原子、金屬雜質、氧、氮及他們的復合物）對材料表面和體內缺陷的鈍化尤為重要，除前面提到的吸雜技術外，鈍化工藝一般分表面氧鈍化和氫鈍化。、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界面的復合速度大大下降，其鈍化效果取決于發射區的表面濃度、界面態密度和電子、空穴的俘獲截面。在氫氣

16、氛圍中退火可使鈍化效果更加明顯。、氫鈍化：鈍化硅體內的懸掛鍵等缺陷。在晶體生長中受應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或等離子體處理。在多晶硅太陽電池表面采用PECVDt鍍上一層氮化硅減反射膜，由于硅烷分解時產生氫離子，對多晶硅可產生氫鈍化的效果。7、絲網印刷上下電極和共燒形成金屬接觸:電極的制備是太陽電池制備過程中一個至關重要的步驟，它不僅決定了發射區的結構，而且也決定了電池的串聯電阻和電池表面被金屬覆蓋的面積。，最早采用真空蒸鍍或化學電鍍技術，而現在普遍采用絲網印刷法，即通過特殊的印刷機和模版將銀漿鋁漿（銀鋁漿）印刷在太陽電池的正背面，以形成正負電極線。晶體硅太陽電池要通過三次印刷金屬漿料，傳統工藝要用二次燒結才能形成良好的帶有金屬電極歐姆接觸，共燒工藝只需一次燒結，同時形成上下電極的歐姆接觸。