太阳能电池片制造工艺毕业设计论文

太阳能电池片制造工艺毕业设计论文内容摘要：

167。 扩散工艺 太阳能电池的核心是 pn结，此扩散的目的便是 利用扩散炉形成一定的磷源梯度场和温度场，将磷原子扩散 到 p型硅片中， 使前表面变成 n型，使 之成为一个 pn结。 原理如下： POCl3液态源 通过气体携带 POCl3分子进入扩散炉管，使之反应生成磷沉淀在表层。 磷在高温下渗透入硅片内部形成 n区，如图 29 （ a） POCL3 液态源扩散原理图 （ b）扩散后硅片截面示意图 图 29 扩散图 其中的过 程是 在 800～ 900℃ 时氮气被通入到 POCl3液态当中。 饱和的氮气随着氧气在扩散炉中从硅片表面流过 [16]： 4POCL3 + 5O2 = 2P2O5 + 6Cl2↑ 生成的五氧化二磷在硅片表面形成一层磷硅玻璃 (SiO2P)，磷 原子会从这 层向硅片深层扩散 ，形成 N区。 反应式如下： 健雄职业技术学院 毕业设计 (论文） 13 2P2O5 + 5Si = 4P + 5SiO2 工业生产太阳电池的扩散方块电阻在 30～ 50Ω／口之间，均匀度越高 ，说明扩散的效果越好。 表面磷掺杂浓度 约 在 11020个 ／ cm3， 结深 ～。 参杂浓度是一个折中的结果，这是因为 扩散浓度高，方块电阻低同时可减小电极与硅 片的接触电阻，但是这样又会产生扩散死层，为提高太阳电池的短波相应，磷原子浓度又不需要太高，在之后的烧结工艺中银浆大约穿透 的结深。 现在工业太阳能发展趋势为：浅结、密栅，高方阻。 167。 刻蚀与镀膜 工艺 刻蚀的目的便是去除因扩散而形成的边缘 pn结。 完成扩散后，硅片周边将不可避免地形成 pn结，周边 pn结的存在将导致电池产生很大的旁路漏电。 相当于在电池正负极间连有导线。 因此在进行后续工艺前，必须对硅片周边pn结进行去除。 当前工业生产中，周边 pn结的去除主要通过等离子刻蚀工艺完成。 其原理为 采 用高频辉光放电反应 使反应气体激活成活性粒子（ CF4→ CF3， CF2， CF， C，以及它们的离子），这些活性粒子与需要被刻蚀区域 的 Si/SiO2发生反应，形成挥发性生成物而被去除 [17]， 如下图 210。 当然过蚀和刻蚀不净都会降低电池的效率，过蚀会使 pn结的有效面积减少，相应的接受光照的面积便会减少；刻蚀不净会使漏电增加，并联电阻很小，同时电池使用时会使电池的温度变得很高，如下图 211。 在刻蚀和镀膜之间还需要进行一次清洗， 原因有两方面： 片表面会形成磷硅玻璃 （ PSG） ， 它的存在会影响 硅片与电极间的电学接触同时也是一层高复合区。 磷硅玻璃的去除工艺为，将刻蚀后的硅片放入 3%～ 8%浓度的 HF溶液中浸泡 3～ 5分钟。 反应式为 ： HF + SiO2 → H2SiF6 + H2O 图 210刻蚀原理图 图 211 过蚀图（ a） 刻蚀不净（ b） 镀减反膜 （ PECVD） 目的为 在硅片前表面均匀的镀上一层高效的减反射健雄职业技术学院 毕业设计 (论文） 14 膜，并对 scSi进 行体钝化 [18]。 根据光学原理，为获得最优的减反射，沉积的减反射膜需满足如下公式： nd=λ/4， 采 用 PECVD进行 SiNx： H膜制备， n即为沉积的 SiNx： H膜的折射率， d为沉积的 SiNx： H薄膜的厚度， λ一般 为 ～。 当制备的钝化膜折射率为 ，需沉积的 SiN： H薄膜厚度相应要求为 70～ 75nm。 完成 SiNx： H减反射钝化膜的制备，硅太阳电池的表面反射率可从制绒后的 14%左右，进一步降低至 3%以下。 镀膜设备分管式和板式两种，管式膜面致密，电池片效率比板式高出%，但与板式相比膜面均匀度差，生产周期长等缺点，商业化生产大多采用板式镀膜。 167。 印刷烧结工艺 这一道工序 属于电池片生产的最后一道工序。 此工序注重与前面工序的协调性。 目的：在电池上下表面各印上电极图形，经烧结与硅片形成欧姆接触。 丝网印刷原理示意图 如下 212，丝网印刷由五大要素构成，即丝印网版、刮刀、浆料、工作台以及基片。 图 212 印刷原理示意图 丝网印刷基本原理是：利用丝网图形部分网孔透浆料，非图文部分网孔不透浆料的基 本原理进行印刷。 印刷时在丝网一端倒入浆料，用刮刀在丝网的浆料部位施加一定压力，同时朝丝网另一端移动。 油墨在移动中被刮板从图形部分的网孔中挤压到基片上。 由于浆料的粘性作用而使印迹固着在一定范围之内，印刷过程中刮板始终与丝网印版和承印物呈线接触，接触线随刮刀移动而移动，由于丝网与承印物之间保持一定的间隙，使得印刷时的 丝网通过自身的张力而产生对刮板的反作用力。 由于回弹力的作用，使丝网与基片只呈移动式线接触，而丝网其它部分与承印物为脱离状态，保证了印刷尺寸精度和避免蹭脏承印物。 当刷头刮过整个印刷区域后抬起，同时丝网 也脱健雄职业技术学院 毕业设计 (论文） 15 离基片，工作台返回到上料位置，至此为一个印刷行程 [19]。 印刷网版： 通常由尼龙、聚酯、丝绸或金属网制作而成。 网版的主要参数为：张力，目数，丝经。 现在丝网通常是尼龙制造，张力大约在 31177。 ，太大会使弹性应变变小使网版易崩裂，太小又会降低印刷精度。 选择丝网丝径及目数时，要求网格的孔长为浆料粉体粒径的（ ～ 5）倍；目数越低丝网越稀疏，网孔越大，浆料通过性就越好；网孔越小，浆料通过性越差。 图 213 网版外观和丝网微观图 刮刀： 刮刀材料一般为聚胺脂橡胶或氟化橡胶，硬度范围为 邵氏 A60176。 ～A90176。 ，刮板条的硬度越低，印刷图形的厚度越大。 刮刀材料必须耐磨，刃口有很好的直线性，保持与丝网的全接触；刮刀一般选用菱形刮刀，它具有四个刃口，可逐个使用，利用率高。 如下 ： 图 214 刮刀示意图和实物图 同时刮刀的速度对印刷图形也有很大的影响。 印刷速度的设定与印刷图形和印刷用浆料的粘度决定。 印刷图形精密的或粘度较大的速度应当高些，一般正银印刷可用 200～ 230mm/s，被铝印刷可用 230～ 280mm/s。 刮刀角度的设定也与浆料有关；浆料粘度值越高，流动性越差，需要刮刀对浆料的向下的压力 越大，刮刀角度小；刮刀角度调节范围为 45176。 ～ 75176。 在印刷过程中起关键作用的是刮刀刃口 2～ 3mm 的区域，随着印刷时间，刮刀的刃会变的健雄职业技术学院 毕业设计 (论文） 16 不锋利，也会降低印刷精度，这时需要更换刮条。 浆料： 浆料主要包含功能组分（导电材料、玻璃料 (Glass frit)）、有机粘合剂、有机溶剂。 其中导电材料主要是大小为 ，占浆料总重的 60%80%左右；玻璃料主要是氧化物 (PbO、 B20 Si0 Bi0 ZnO)粉末，占总重的 5～ 10%左右，在导体浆料中，功能组份一般为贵金属或贵金属的混合物 [ 20]。 载体是聚合物在有机溶剂中的溶液。 组份决定了成膜后的电性能和机械性能。 载体决定了厚膜的工艺特性，是印刷膜和干燥膜的临时粘结剂。 功能组份和粘结组份一般为粉末状，在载体中进行充分搅拌和分散后形成膏状的厚膜浆料。 烧结后的厚膜导体是由金属与粘结组份组成的。 浆 料的 一些特性有：粘度、可塑性、流动性、粘弹性、干燥性、触变性。 一般粘度过大会增加印刷的难度，相反过小又会降低浆料的可塑性，流动性小的易出现堵网现象。 粘弹性越高越好，触变性要适当，干燥性要求浆料在网版上的干燥越慢越好，在印刷道硅片上后干燥的越快越好。 4： 工作台和 基片，要求有较好的平正度。 同时印刷对周围环境要求较高，如清洁度，温度，湿度等。 烧结原理：固体颗粒具有很大的比表面积，具有极不规则的复杂表面状态以及在颗粒的制造、细化处理等加工过程中，受到的机械、化学、热作用所造成的严重结晶缺陷等，系统具有很高自由能 .烧结时，颗粒由接触到结合，自由表面的收缩、空隙的排除、晶体缺陷的消除等都会使系统的自由能降低，系统转变为热力学中更稳定的状态。 这是厚膜粉末系统在高温下能烧结成密实结构的原因。 标准烧结工艺需要经过低温、中温、高温、冷却四个阶段 [21]。 烧结炉低温温度一般在 400℃ 以内，中温温度为 300～ 700℃ ，高温温度为700～ 900℃。 典型的烧结曲线如 下图 215 所示。 在低温阶段，浆料中的有机溶剂和有机粘合剂被蒸发或被燃烧。 在中温阶段。 银玻璃料开始熔化， Ag颗粒开始聚合。 在高温阶段， Ag、 Si及玻璃料成分发生反应，形成 Ag—Si接触；冷却时， Ag粒子在硅片表面结品生长。 高温驱动表面 H离予向硅片内部扩散。 实际在硅片上发生的反应温度远低于烧结炉设定温度，有学者研究 Ag与 Si的宴际晟佳反应温度为 605℃。 远低于Ag—si共品点温 835℃ ，这可能是由于反麻体系中含有多相成分 (Ag、 Si、 Pb、Bi等 )而使合金熔点降低。 实际的烧结炉各温区温度，需要综合考虑 N层的扩散浓度、浆料成分、减反射膜厚度等诸多因素来设定，如果峰值温度过低，健雄职业技术学院 毕业设计 (论文） 17 则有部分区域没有结晶产生，造成 Rs变大， FF降低；同时烧结的时间影响着结晶颗粒的大小，若带速过慢， Ag颗粒长大， 玻璃液相 腐蚀硅片加深，容易造成 p/n结穿透， Rsh明显降低 [12]。 图 215 典型烧结曲线 铝背场的形成大致过程为： a） T﹤ 577℃ ，在 P型硅背面采用丝网印刷形成 Al浆层 b） 577℃ T660℃ ，达到 AlSi共晶点 577℃ 时开始形成 AlSi共晶， Al在Al浆层和 +AlSi熔体的界面间融化， Si在硅片和 AlSi熔体的界面间融化。 c） T660℃ ， Al浆层中的 Al已经全部熔化，形成 AlSi合金溶液。 d）从最高温区冷却至室温，从最高温度冷却到 577℃ 是，熔体中的 Si含量下降到共晶状态下的 12%， Si在硅片上进行外延生长，溶解在 Si、中的 Al外延生长形成 P+层，形成 BSF；当从 577℃ 冷却至室温时，余下的共晶成分的熔体在 BSF附近固化，并且在表面形成氧化层 [22]。 通常 P+层越厚、均匀性越好， BSF作用更明显。 一般增加烧结时间可以使合金层厚度从正常的 3～ 4um增加到 6～ 7um， Voc有 4～ 6mV的提高， Rs略有降低，效率提升约 %～ %。 烧结好的银硅，铝硅的 SEM图如下 ： 健雄职业技术学院 毕业设计 (论文） 18 （ a） AgSi截面 （ b） AlSi共融相图 图 216 铝硅的 SEM 截面图 167。 实验背景和意义 随着生产技术的进步，晶体硅太阳电池的厚度不断减薄，从早期的 325μm 到 270μm，再到 240～ 220μm，而下一步的发展目标是 180～ 150μm。 随着厚度的不断变薄，硅片少子体寿命对电池效率的 影响逐步降低，这主要是因为随着硅片厚度减薄，基区少子到达 pn结所需距离变短，这就意味着，即便材料的少子寿命较低，仍然有足够的扩散长度保证足够多的少子被 pn结收集。 与之相对应的，电池片上下表面的复合速率对效率的影响逐步增长。 改善表面钝化的质量、降低表面复合速率已经成为提高电池效率的主要手段之一。 目前工业上主要采用铝背场进行表面钝化 [23]。 167。 复合机制 所有处在导带中的电子都是亚稳定状态的，并最终会回到价带中更低的能量状态。 它必须移回到一个空的价带能级中，所以，当电子回到价带的同时也有效地消除 了一个空穴。 这种过程叫做复合 [24]。 在单晶半导体材料中，复合过程大致可以分为三种 辐射复合 ，辐射复合是 LED 灯和激光这类的半导体器件的主要复合机制。 然而，对于由硅制成的陆地用太阳能电池来说，辐射复合并不是主要的，因为硅的禁带并不是直接禁带，它使得电子不能直接从价带跃迁到导带。 通过复合中心的复合 也被叫做肖克莱 莱德 霍尔或 SRH 复合，它不会发生在完全纯净的、没有缺陷的材料中。 一些杂质和缺陷的存在使禁带中存在允许许能级，电子从导带能级豫驰到缺陷能级然后豫驰到导带，便完成了复合。 这是晶体太阳能电池的主 要复合形式。 俄歇复合 在俄歇效应中，电子与空穴复合时，将多余的能量传给第二个电子而不是发光，然后第二个电子通过发射声子豫驰回到它初始所在的能级，便完成了一次复合。 俄歇复合是重掺杂材料和被加热至高温的材料最主要的复合形式。 167。 铝背场钝化原理和提高效率的原因 表面钝化，降低背表面复合速率，提高少数载流子的收集率，提高开路电健雄职业技术学院 毕业设计 (论文） 19 压。 BSF中铝的浓度在 1～ 31018个 /cm 3，而在大部分 P型硅中，硼的浓度一般小于 21016个 /cm 3，因此在。