硅電池生成工藝基礎知識一、光伏理論知識1.1光生伏特效應：1839年，法國Becqueral第一次發現，在光照條件下，某些系統的兩端具有電壓，用導線將兩端連接起來后，有電流輸出，這就是光生伏特效應（photovoltaics，簡稱PV）。1954年,貝爾實驗室Chapin等人開發出效率為6％的單晶硅太陽電池，現代硅太陽電池時代從此開始。1.2太陽能電池的應用太陽能電池在航空航天、工農業、生活中隨處可見。神州五號飛船上的太陽能帆板光伏發電站太陽能飛行器光伏供電的通信基站太陽能充電器太陽能路燈1.3太陽能電池的分類 太陽能電池的分類，如圖示。太陽電池太陽電池有機半導體太陽電池硅太陽電池薄膜太陽電池化合物太陽電池有機半導體太陽電池硅太陽電池薄膜太陽電池化合物太陽電池非晶硅太陽電池多晶硅太陽電池單晶硅太陽電池非晶硅太陽電池多晶硅太陽電池單晶硅太陽電池單晶硅多晶硅（1）澆鑄法將熔煉及凝固分開，熔煉在一個石英砂爐襯的感應爐中進行，熔融的硅液澆入一個石墨模型中，石墨模型置于一個升降臺上，周圍用電阻加熱，然后以1mm/min的速度下降。其特點是熔化和結晶在兩個不同的坩堝中進行，這種生產方法可以實現半連續化生產，其熔化、結晶、冷卻分別位于不同的地方，可以有效提高生產效率，降低能源消耗。缺點是因為熔融和結晶使用不同的坩堝，會導致二次污染，此外因為有坩堝翻轉機構及引錠機構，使得其結構相對較復雜。澆筑法硅錠爐示意圖（2）熱交換法及布里曼法都是把熔化及凝固置于同一坩堝中（避免了二次污染），其中熱交換法是將硅料在坩堝中熔化后，在坩堝底部通冷卻水或冷氣體，在底部進行熱量交換，形成溫度梯度，促使晶體定向生長。下圖為一個使用熱交換法的結晶。爐示意圖該爐型采用頂底加熱，在熔化過程中，底部用一個可移動的熱開關絕熱，結晶時則將它移開以便將坩堝底部的熱量通過冷卻臺帶走，從而形成溫度梯度。熱交換法結晶爐爐內結構示意圖（3）電磁鑄錠法的特點是不使用坩堝，硅料通過加料裝置進入加熱區，通過感應加熱使硅料熔融，當硅液向下移離開加熱區后，結晶生長，如此通過不斷加料，不斷將結晶好的硅錠往下移，就可以實現連續生長，錠子高度可達1～2m。但用這種方法生產的硅錠晶粒尺寸小，橫截面小，因此容量也不大。3.2單晶和多晶硅錠的比較3.2.1單晶和多晶硅錠的生長方法比較單晶的轉換效率高，但產能低、能耗大；多晶的轉換效率相對較低，但能耗低、產能大，適合于規模化生產。單晶的FZ及CZ方法與多晶定向凝固生長方法的比較如下表所示序號單晶多晶1原材料純度要求高可用單晶硅頭尾料、單晶硅等2每公斤硅錠能耗高能耗低3生產效率低生產效率高4提純效果穩定、高提純效果視熱場而定，各種爐型提純效果不同，有的甚至很低5轉換效率高比單晶硅低約1.5%~2%6圓形需切割成準方形方形7高度和現行線切割機線網寬度配合程度好和現行線切割機線網寬度不匹配，未充分發揮線切割機功效3.2.2單晶硅與多晶硅的外觀比較多晶硅硅片相對于單晶硅硅片，有明顯的多晶特性，表面有一個個晶粒形狀，而單晶硅硅片表面顏色一致。單晶硅硅片因為使用硅棒原因，四角有圓形大倒角，而多晶硅硅片一般采用小倒角。單晶硅硅片多晶硅硅片3.3CZ法(直拉法)生產單晶硅工藝流程單晶直徑在生長過程中可受到溫度，提拉速度與轉速，坩堝跟蹤速度與轉速，保護氣體的流速等因素的影響。其中溫度主要決定能否成晶，而速度將直接影響到晶體的內在質量，而這種影響卻只能在單晶拉出后通過檢測才能獲知。溫度分布合適的熱場，不僅單晶生長順利，而且品質較高；如果熱場的溫度分布不是很合理,生長單晶的過程中容易產生各種缺陷,影響質量，情況嚴重的出現變晶現象生長不出來單晶。因此在投資單晶生長企業的前期，一定要根據生長設備，配置出最合理的熱場，從而保證生產出來的單晶的品質。直拉單晶爐及其基本原理單晶硅硅棒生成生成過程單晶爐單晶硅硅棒3.4多晶硅硅片加工工藝流程冷卻凝固硅錠出爐 定向生長融化冷卻凝固硅錠出爐 定向生長融化裝料清洗硅料包裝硅片清洗多線切割破錠包裝硅片清洗多線切割破錠硅片的檢測尺寸：邊長、對角、厚度、倒角性能：導電類型、少子壽命、電阻率、外觀：硅片外觀、包裝外觀3.5晶體硅太陽電池生產的工藝流程擴散制結Diffusion去磷硅玻璃PSGremoval擴散制結Diffusion去磷硅玻璃PSGremoval等離子刻蝕PlasmaEtching硅片清洗制絨Texturing檢測分級Testing&Sorting絲網印刷ScreenPrinting檢測分級Testing&Sorting絲網印刷ScreenPrinting燒結Dryer/Sintering減反射膜制備PECVD3.5.1晶體化學表面處理（清洗制絨）在硅片的切割生產過程中會形成厚度達10微米左右的損傷層，且可能引入一些金屬雜質和油污。如果損傷層去除不足，殘余缺陷在后續的高溫處理過程中向硅片深處繼續延伸，會影響到太陽電池的性能。清洗的目的：（1）清除硅片表面的機械損傷層；（2）清除表面油污和金屬雜質；（3）形成起伏不平的絨面，減小太陽光的反射。單晶硅片的清洗采用堿液腐蝕的技術，堿液與硅反應生成可溶于水的化合物，同時在表面形成“金字塔”狀的絨面結構。多晶硅片的清洗則采用酸液腐蝕技術，酸液與硅反應生成可溶于水的化合物，同時形成的絨面結構是不規則的半球形或者蚯蚓狀的“凹陷”。（1）工序步驟制絨→堿洗（去多孔硅，中和酸）→酸洗→吹干（2）SPC4-6微米（3）常用物品：HNO3，HF，HCL制絨工序最忌諱的就是污染，可去除硅片表面金屬離子(Fe,Au,Mg,Ca)、油污、手指印。3.5.2磷擴散磷擴散原理把p型硅片放在一個石英容器內，同時將含磷的氣體通入這個石英容器內，并將此石英容器加熱到一定的溫度，這時施主雜質磷可從化合物中分解出來，在容器內充滿著含磷的蒸汽，在硅片周圍包圍著許許多多的含磷的分子。磷化合物分子附著到硅片上生成磷原子。由于硅片的原子之間存在空隙，使磷原子能從四周進入硅片的表面層，并且通過硅原子之間的空隙向硅片內部滲透擴散。如果擴散進去的磷原子濃度高于p型硅片原來受主雜質濃度，就使得p型硅片靠近表面的薄層轉變成為n型，n型硅和p型硅交界處就形成了pn結。磷擴散的目的：(1)制備太陽電池的核心:p-n結；(2)吸除硅片內部的部分金屬雜質。磷擴散的方法：（1）三氯氧磷（POCl3）液態源擴散（2）噴涂磷酸水溶液后鏈式擴散（3）絲網印刷磷漿料后鏈式擴散目前行業上普遍采用第一種方法，這種方法具有生產效率較高，得到的pn結均勻、平整和擴散層表面良好等優點，非常適合制作大面積的太陽電池。POCl3在高溫下（>600℃）分解生成五氯化磷（PCl5）和五氧化二磷（P2O5）:POCl3>600度PCl5+P2O5生成的P2O5又進一步與硅作用，生成SiO2和磷原子，這一層物質叫做磷-硅玻璃(psg)，然后磷原子再向硅中進行擴散。2P2O5+5Si5SiO2+4PPOCl3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。3.5.3背面及周邊刻蝕擴散后的硅片除了表面的一薄層n型硅外，在背面以及周邊都有n型硅薄層，而晶體硅太陽電池實際只需要表面的n型硅，因此須去除背面以及周邊的n型硅薄層。背面以及周邊刻蝕的方法：酸液腐蝕（濕法刻蝕）、等離子體刻蝕（干法刻蝕）。刻蝕中容易產生的問題的：刻蝕不足導致電池的并聯電阻下降；過度刻蝕引起正面金屬柵線與P型硅接觸，造成短路。背面以及周邊刻蝕的目的：（1）去除硅片背面和周邊的pn結；（2）去除表面的磷硅玻璃。磷硅玻璃是擴散過程中的反應產物：一層含磷原子的二氧化硅。3.5.4PECVD鍍氮化硅（SiN）薄膜PECVD（PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition即“等離子增強型化學氣相沉積”，是一種化學氣相沉積的鍍膜技術）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，而等離子化學活性很強，很容易發生反應，在基片上沉積出所期望的薄膜。等離子體中含有大量高能量的電子，它們可以提供化學氣相沉積過程所需的激活能，大大降低薄膜沉積所需的溫度。SiN薄膜作為減反射膜可減小入射光的反射；在SiN薄膜的沉積過程中，反應產物氫原子進入到SiN薄膜內以及硅片內，起到了鈍化缺陷的作用。太陽電池表面的深藍色SiN薄膜SiN薄膜的物理性質和化學性質：結構致密，硬度大；能抵御堿金屬離子的侵蝕；介電強度高；耐濕性好；耐一般的酸堿，除HF和熱H3PO4。PECVD的優點：節省能源，降低成本；提高產能；減少了高溫導致的硅片中少子壽命衰減；PECVD的一個基本特征是實現了薄膜沉積工藝的低溫化（<450℃）。3.5.5絲網印刷與燒結絲網印刷的目的：印刷背面電極漿料，銀鋁（Ag/Al）漿，并烘干；印刷背面場漿料，鋁漿，并烘干；印刷正面電極漿料，銀漿，并烘干。3.5.6燒結燒結的目的：燃盡漿料的有機組分，使漿料和硅片形成良好的金屬電極。燒結對電池片的影響：（1）相對于鋁漿燒結，銀漿的燒結要重要很多，對電池片電性能影響主要表現在串聯電阻和并聯電阻，即FF的變化。（2）鋁漿燒結的目的使漿料中的有機溶劑完全揮發，并形成完好的鋁硅合金和鋁層。局部的受熱不均和散熱不均可能會導致起包，嚴重的會起鋁珠。（3）背面場經燒結后形成的鋁硅合金，鋁在硅中是作為P型摻雜，它可以減少金屬與硅交接處的少子復合，從而提高開路電壓和短路電流，改善對紅外線的響應。硅電池的印刷、燒結工藝流程：（1）印刷工藝流程：印刷背電極烘干印刷背電場烘干印刷正面柵線（2）燒結工藝流程：印刷完硅片烘干升溫降溫共晶冷卻測試與分選將太陽電池接上負載。在光照條件下，改變負載的電阻，太陽電池的輸出電壓V、輸出電流I和輸出功率P將隨之變化。記錄下V、I、P的變化情況，并將數據繪成曲線，將得到下圖的曲線，稱為太陽電池的電流－電壓特性。太陽能電池的伏安特性圖3.5.7太陽電池的性能參數1、短路電流Isc：負載的電阻為零時，太陽電池的輸出電流；2、開路電壓Voc：負載的電阻無窮大時，太陽電池的輸出電壓；3、最大功率點Pm：太陽電池的