晶體硅太陽能電池片的制作有一套成熟的工藝,雖然單晶硅電池片和多晶硅電池片在制作過程中稍有不同,不過大多數(shù)步驟還是相同的,具體的制作流程如下圖:
6.1、硅片檢測(cè)
硅片是太陽能電池片的載體,硅片質(zhì)量的好壞直接決定了太陽能電池片轉(zhuǎn)換效率的高低,因此需要對(duì)來料硅片進(jìn)行檢測(cè)。該工序主要用來對(duì)硅片的一些技術(shù)參數(shù)進(jìn)行在線測(cè)量,這些參數(shù)主要包括硅片表面不平整度、少子壽命、電阻率、P/N型和微裂紋等。該組設(shè)備分自動(dòng)上下料、硅片傳輸、系統(tǒng)整合部分和四個(gè)檢測(cè)模塊。其中,光伏硅片檢測(cè)儀對(duì)硅片表面不平整度進(jìn)行檢測(cè),同時(shí)檢測(cè)硅片的尺寸和對(duì)角線等外觀參數(shù);微裂紋檢測(cè)模塊用來檢測(cè)硅片的內(nèi)部微裂紋;另外還有兩個(gè)檢測(cè)模組,其中一個(gè)在線測(cè)試模組主要測(cè)試硅片體電阻率和硅片類型,另一個(gè)模塊用于檢測(cè)硅片的少子壽命。在進(jìn)行少子壽命和電阻率檢測(cè)之前,需要先對(duì)硅片的對(duì)角線、微裂紋進(jìn)行檢測(cè),并自動(dòng)剔除破損硅片。硅片檢測(cè)設(shè)備能夠自動(dòng)裝片和卸片,并且能夠?qū)⒉缓细衿贩诺焦潭ㄎ恢?,從而提高檢測(cè)精度和效率。
6.2、表面制絨
單晶硅絨面的制備是利用硅的各向異性腐蝕,在每平方厘米硅表面形成幾百萬個(gè)四面方錐體也即金字塔結(jié)構(gòu)。由于入射光在表面的多次反射和折射,增加了光的吸收,提高了電池的短路電流和轉(zhuǎn)換效率。硅的各向異性腐蝕液通常用熱的堿性溶液,可用的堿有氫氧化鈉,氫氧化鉀、氫氧化鋰和乙二胺等。大多使用廉價(jià)的濃度約為1%的氫氧化鈉稀溶液來制備絨面硅,腐蝕溫度為70-85℃。為了獲得均勻的絨面,還應(yīng)在溶液中酌量添加醇類如乙醇和異丙醇等作為絡(luò)合劑,以加快硅的腐蝕。制備絨面前,硅片須先進(jìn)行初步表面腐蝕,用堿性或酸性腐蝕液蝕去約20~25μm,在腐蝕絨面后,進(jìn)行一般的化學(xué)清洗。經(jīng)過表面準(zhǔn)備的硅片都不宜在水中久存,以防沾污,應(yīng)盡快擴(kuò)散制結(jié)。
6.3、擴(kuò)散制結(jié)
太陽能電池需要一個(gè)大面積的PN結(jié)以實(shí)現(xiàn)光能到電能的轉(zhuǎn)換,而擴(kuò)散爐即為制造太陽能電池PN結(jié)的專用設(shè)備。管式擴(kuò)散爐主要由石英舟的上下載部分、廢氣室、爐體部分和氣柜部分等四大部分組成。擴(kuò)散一般用三氯氧磷液態(tài)源作為擴(kuò)散源。把P型硅片放在管式擴(kuò)散爐的石英容器內(nèi),在850---900攝氏度高溫下使用氮?dú)鈱⑷妊趿讕胧⑷萜?,通過三氯氧磷和硅片進(jìn)行反應(yīng),得到磷原子。經(jīng)過一定時(shí)間,磷原子從四周進(jìn)入硅片的表面層,并且通過硅原子之間的空隙向硅片內(nèi)部滲透擴(kuò)散,形成了N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的交界面,也就是PN結(jié)。這種方法制出的PN結(jié)均勻性好,方塊電阻的不均勻性小于百分之十,少子壽命可大于10ms。制造PN結(jié)是太陽電池生產(chǎn)最基本也是最關(guān)鍵的工序。因?yàn)檎荘N結(jié)的形成,才使電子和空穴在流動(dòng)后不再回到原處,這樣就形成了電流,用導(dǎo)線將電流引出,就是直流電。
6.4、去磷硅玻璃
該工藝用于太陽能電池片生產(chǎn)制造過程中,通過化學(xué)腐蝕法也即把硅片放在氫氟酸溶液中浸泡,使其產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成可溶性的絡(luò)和物六氟硅酸,以去除擴(kuò)散制結(jié)后在硅片表面形成的一層磷硅玻璃。在擴(kuò)散過程中,POCL3與O2反應(yīng)生成P2O5淀積在硅片表面。P2O5與Si反應(yīng)又生成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。去磷硅玻璃的設(shè)備一般由本體、清洗槽、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械臂、電氣控制系統(tǒng)和自動(dòng)配酸系統(tǒng)等部分組成,主要?jiǎng)恿υ从袣浞?、氮?dú)狻嚎s空氣、純水,熱排風(fēng)和廢水。氫氟酸能夠溶解二氧化硅是因?yàn)闅浞崤c二氧化硅反應(yīng)生成易揮發(fā)的四氟化硅氣體。若氫氟酸過量,反應(yīng)生成的四氟化硅會(huì)進(jìn)一步與氫氟酸反應(yīng)生成可溶性的絡(luò)和物六氟硅酸。
6.5、等離子刻蝕
由于在擴(kuò)散過程中,即使采用背靠背擴(kuò)散,硅片的所有表面包括邊緣都將不可避免地?cái)U(kuò)散上磷。PN結(jié)的正面所收集到的光生電子會(huì)沿著邊緣擴(kuò)散有磷的區(qū)域流到PN結(jié)的背面,而造成短路。因此,必須對(duì)太陽能電池周邊的摻雜硅進(jìn)行刻蝕,以去除電池邊緣的PN結(jié)。通常采用等離子刻蝕技術(shù)完成這一工藝。等離子刻蝕是在低壓狀態(tài)下,反應(yīng)氣體CF4的母體分子在射頻功率的激發(fā)下,產(chǎn)生電離并形成等離子體。等離子體是由帶電的電子和離子組成,反應(yīng)腔體中的氣體在電子的撞擊下,除了轉(zhuǎn)變成離子外,還能吸收能量并形成大量的活性基團(tuán)。活性反應(yīng)基團(tuán)由于擴(kuò)散或者在電場(chǎng)作用下到達(dá)SiO2表面,在那里與被刻蝕材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng),并形成揮發(fā)性的反應(yīng)生成物脫離被刻蝕物質(zhì)表面,被真空系統(tǒng)抽出腔體。
6.6、鍍減反射膜
拋光硅表面的反射率為35%,為了減少表面反射,提高電池的轉(zhuǎn)換效率,需要沉積一層氮化硅減反射膜?,F(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中常采用PECVD設(shè)備制備減反射膜。PECVD即等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積。它的技術(shù)原理是利用低溫等離子體作能量源,樣品置于低氣壓下輝光放電的陰極上,利用輝光放電使樣品升溫到預(yù)定的溫度,然后通入適量的反應(yīng)氣體SiH4和NH3,氣體經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)和等離子體反應(yīng),在樣品表面形成固態(tài)薄膜即氮化硅薄膜。一般情況下,使用這種等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積的方法沉積的薄膜厚度在70nm左右。這樣厚度的薄膜具有光學(xué)的功能性。利用薄膜干涉原理,可以使光的反射大為減少,電池的短路電流和輸出就有很大增加,效率也有相當(dāng)?shù)奶岣摺?br />
6.7、絲網(wǎng)印刷
太陽電池經(jīng)過制絨、擴(kuò)散及PECVD等工序后,已經(jīng)制成PN結(jié),可以在光照下產(chǎn)生電流,為了將產(chǎn)生的電流導(dǎo)出,需要在電池表面上制作正、負(fù)兩個(gè)電極。制造電極的方法很多,而絲網(wǎng)印刷是目前制作太陽電池電極最普遍的一種生產(chǎn)工藝。絲網(wǎng)印刷是采用壓印的方式將預(yù)定的圖形印刷在基板上,該設(shè)備由電池背面銀鋁漿印刷、電池背面鋁漿印刷和電池正面銀漿印刷三部分組成。其工作原理為:利用絲網(wǎng)圖形部分網(wǎng)孔透過漿料,用刮刀在絲網(wǎng)的漿料部位施加一定壓力,同時(shí)朝絲網(wǎng)另一端移動(dòng)。油墨在移動(dòng)中被刮刀從圖形部分的網(wǎng)孔中擠壓到基片上。由于漿料的粘性作用使印跡固著在一定范圍內(nèi),印刷中刮板始終與絲網(wǎng)印版和基片呈線性接觸,接觸線隨刮刀移動(dòng)而移動(dòng),從而完成印刷行程。
6.8、快速燒結(jié)
經(jīng)過絲網(wǎng)印刷后的硅片,不能直接使用,需經(jīng)燒結(jié)爐快速燒結(jié),將有機(jī)樹脂粘合劑燃燒掉,剩下幾乎純粹的、由于玻璃質(zhì)作用而密合在硅片上的銀電極。當(dāng)銀電極和晶體硅在溫度達(dá)到共晶溫度時(shí),晶體硅原子以一定的比例融入到熔融的銀電極材料中去,從而形成上下電極的歐姆接觸,提高電池片的開路電壓和填充因子兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù),使其具有電阻特性,以提高電池片的轉(zhuǎn)換效率。燒結(jié)爐分為預(yù)燒結(jié)、燒結(jié)、降溫冷卻三個(gè)階段。預(yù)燒結(jié)階段目的是使?jié){料中的高分子粘合劑分解、燃燒掉,此階段溫度慢慢上升;燒結(jié)階段中燒結(jié)體內(nèi)完成各種物理化學(xué)反應(yīng),形成電阻膜結(jié)構(gòu),使其真正具有電阻特性,該階段溫度達(dá)到峰值;降溫冷卻階段,玻璃冷卻硬化并凝固,使電阻膜結(jié)構(gòu)固定地粘附于基片上。
6.9、測(cè)試分檔
在電池片生產(chǎn)過程中,還需要供電、動(dòng)力、給水、排水、暖通、真空、特汽等外圍設(shè)施。消防和環(huán)保設(shè)備對(duì)于保證安全和持續(xù)發(fā)展也顯得尤為重要。一條年產(chǎn)50MW能力的太陽能電池片生產(chǎn)線,僅工藝和動(dòng)力設(shè)備用電功率就在1800KW左右。工藝純水的用量在每小時(shí)15噸左右,水質(zhì)要求達(dá)到中國(guó)電子級(jí)水GB/T11446.1-1997中EW-1級(jí)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。工藝?yán)鋮s水用量也在每小時(shí)15噸左右,水質(zhì)中微粒粒徑不宜大于10微米,供水溫度宜在15-20℃。真空排氣量在300M3/H左右。同時(shí),還需要大約氮?dú)鈨?chǔ)罐20立方米,氧氣儲(chǔ)罐10立方米??紤]到特殊氣體如硅烷的安全因素,還需要單獨(dú)設(shè)置一個(gè)特氣間,以絕對(duì)保證生產(chǎn)安全。另外,硅烷燃燒塔、污水處理站等也是電池片生產(chǎn)的必備設(shè)施。