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太阳电池的制造程序

发布日期:2017-11-20 16:32:47 【关闭】
摘要:太阳电池的工艺跟一般的 IC 工艺虽然有部分的类似,但很多方面则是不同的。工业上太阳电池的工艺须注意四个主要方面:产品的平均效率、量产的能力、生产的成本、和工艺的品质。

   太阳电池的工艺跟一般的 IC 工艺虽然有部分的类似,但很多方面则是不同的。工业上太阳电池的工艺须注意四个主要方面:产品的平均效率、量产的能力、生产的成本、和工艺的品质。

    一般的太阳电池生产公司,其生产能力是以 MW/year 来衡量。其生产能力可视为产品的平均效率与量产能力的乘积。正因如此,太阳电池的工艺,除了强调所生产的太阳电池平均效率,更注重生产线的产量 (throughput),或者简单地说,就是每小时能处理多少芯片(wafer/hour)。例如,用离子注入法(ionimplantation) 也能像扩散法形成 p - n 二极管,而且更能精确地控制掺杂分布,但它不像扩散法,一个扩散炉管可以一次整匹处理约 200 个芯片,因此离子注入法不适用于太阳电池的制备工艺。另一方面,即使是常用的标准工艺,也会因为提高生产量的需要而被改进。例如,用来成长抗反射层的 PECVD,一般只有单一的腔室 (chamber),其抽真空和先前加热需要较长的时间,生产量较低。新型在线 PECVD 则使用三个腔室,并且使用输送带的方式,就能大幅度地提高一条线的生产量。薄膜太阳电池较芯片太阳电池有较大的生产量,因此或许可以弥补其效率较低的缺点。

    在设计太阳电池制造工艺时,生产成本也是必须考虑的重要因素。然而,生产成本和电池效率之间通常会有矛盾。 例如,实验室使用埋层式接触的金属电极,就要比工业界使用网印方法的金属接触有更高的效率。但因为埋层接触工艺涉及使用平板印刷技术,制造成本过高,因此至今尚未被广泛应用。

   太阳电池用硅晶材料的制造,是将一种含二氧化硅(SiO 2 )纯度相当高的石英岩 (quartzite) 砂,和一些含有碳,且碳的组成不同的材料放在炉子里,经过数个步骤的化学反应,可表达为:

gooxian-太阳电池制造程序公式1

   这个程序提炼出来的硅纯度约为 98%,称为冶炼级 (metallurgical grade) 的硅。接下来,硅被捣碎成粉末,和氯化氢 (HCl) 气体产生反应,形成 trichlorosilane(SiHCl 3 )  

 

gooxian-太阳能电池制造程序公式2

    因为 trichlorosilane 的沸点只有 32C,在普通的室温下,它是液体。经过部分蒸馏法的处理,然后和氢气反应产生所谓电子级(electronic grade 或 EG) 的硅。

gooxian-太阳电池制造程序公式3

  为了节省成本,太阳电池是使用太阳级 solar grade (SOG) 的硅,其纯度较电子级的硅为低,因为它省略了一些制造步骤。若是要制造单晶硅,接着就会使用直拉法 Czochralski (CZ)法或浮区法 Float zone (FZ)法制造硅棒 ingot。然后 ingot再经线切割,就得芯片(wafer),当然还有切割浪费掉约 20% 的角料。一般而言,虽然 FZ 芯片的品质较佳,制出的太阳电池效率也较高,但是因为其价钱较 CZ 芯片昂贵许多,工业界一般还是采用 CZ 芯片。至于多晶硅的 ingot,通常则用浇铸的方法制造。

  太阳电池的制造,须在无尘室的环境中进行,而无尘室的级数并不须要特别的高。第一步就是芯片的清洗(wafer cleaning)。当然硅芯片的清洗看似简单,实际上却相当的复杂。太阳电池的工艺并未使用 IC 工艺上最为熟知的RCA 清洗步骤,而是使用较简易的方法,如氢氧化钠 sodium hydroxide (NaOH)或氢氧化钾 potassium hydroxide (KOH) 溶液来清洗芯片。一般而言,芯片的清洗效果取决于溶液的浓度、溶液加热反应的温度、和反应的时间决定。而所用的容器、外加氮气泡、甚至处理芯片的过程,也有可能影响芯片的清洗效果。

  芯片清洗后,其表面要做织构 texture 处理。这可以使用方向性蚀刻(anisotropic etching) 来完成。使用 NaOH 加异丙醇 isopropyl alcohol (IPA) 的溶液,就会对硅芯片 (100) 表面产生方向性蚀刻,暴露出硅晶 <111> 的截面,产生大小不一的金字塔形状的表面。texture 处理的好坏主要取决于芯片的洁净度、 NaOH 和 IPA 的浓度及其比例、溶液的温度、和反应的时间。而所用的容器、IPA 挥发的程度、残余的硅酸钠 sodium silicate也会影响 texturing 的效果。

   接下来,则是使用扩散法,在硅芯片上形成 p - n 二极管。因为通常使用 p -型硅芯片,所以要做 n 型磷扩散。一般是使用 POCl 3 加上氧气与氮气,在高温扩散炉管内进行扩散。其化学反应式可表为

gooxian-太阳电池制造程序公式4

   产生的磷原子经由高温扩散的方式进入硅晶格内,形成 n -型的掺杂(dopant)。而硅晶表面也产生一层 SiO 2 。磷的浓度 (由氮气 carrier 的流量决定),氧气和氮气的流量,和其引入、作用、与截止的时间和方式,炉管的温度随时间的控制,会决定最终的扩散效果。而扩散效果,就决定扩散结的深度、扩散面的表层电阻(sheet resistance)、和掺杂元素的分布(dopant profile)。

   硅晶表面会和空气中和氧气或水气作用,尤其是加热造成的热氧化(thermal oxidation),表面都会形成二氧化硅(silicon dioxide)。经过磷高温扩散后,一般的工艺,都会使用氢氟酸 hydrofluoric acid (HF) 来除去硅晶表面的SiO 2 ,其化学反应为 

gooxian-太阳电池制造程序公式5

  其中 H 2 SiF 6 是可溶于水的。

   经过扩散工艺后,整个 p -型芯片便会被一层 n -型 doping 层包裹着。所以接着便要经由边缘蚀刻(edge etching)的处理,将 n -型边缘除去,才能彰显出 p - n二极管的结构。这通常是使用 CF 4 加上 O 2 的等离子体蚀刻 (plasma etching)。其结果则取决于芯片堆栈置放的方式、RF 的频率与功率、作用的时间、CF 4 和O 2 气体的流量、与两者的成份比例。如果 edge isolation 处理不完全,则太阳电池的 shunt resistance 便会减小,太阳电池的效率也因此降低。

  太阳电池的工艺中,一般使用 plasma enhanced chemical vapor deposition(PECVD) 的方法,在芯片上镀上一层 silicon nitride (SiN) 的抗反射层镀膜 anti-reflection coating (ARC)。PECVD 作用气体可以使用硅烷 silane (SiH 4 ) 和 氨ammonia (NH 3 ),其化学反应可以简单写成:

 

gooxxian-太阳电池制造程序公式6

 

   也可以使用 SiH 4 和 N 2 ,则其化学反应可以简单写成:

  

gooxxian-太阳电池制造程序公式6

   其中 SiN:H 是指 PECVD 生长的 silicon nitride ,实际上是一富含氢的非晶结构。PECVD 的工艺中,RF 的频率与功率、RF 输入腔体的电极排列与间距,作用的时间、作用时的温度与总气压、作用气体的流量及其成份比例等因素,都会影响抗反射层的效果。决定镀膜的组成、硅/氮比例、氢含量、折射系数、密度、介电常数、电阻、介电强度、能隙、和应力等。

  制备太阳电池的金属电极也和一般的 IC 工艺不一样,并没有使用蒸发
( evaporation ) 或 溅 射 ( sputtering ) 的 物 理 气 相 沉 积 ( physical vapordeposition)方式, 也没有使用化学气相沉积(chemical vapor deposition) 的方法,而是使用网(screen printing)加上烘烤 (firing) 的工艺,这相对而言也比较简易,而且适合大批量的工艺需求。也就是使用网印机将金属浆料 (paste) 涂抹在芯片上,然后经过高温烘烤形成金属接触。当然,金属浆料的成份与烘烤过程的温度控制,是影响金属接触效果的最重要因素。除此之外,涂抹金属浆料的方式,网印机器的调整,甚至烘烤时芯片安置的方式与传送速率,都会影响金属接触的效果。

    这里必须特别强调的是,每一个步骤并非是完全独立的,而是互相关联,这一点在工业上生产太阳电池时必须要考虑。经验告诉我们,若每一个步骤都是独立地正确,则只能生产出一般效率的电池,但若所有步骤都是关联地正确,才能生产出高效率的电池。在工业界的工艺上,这往往也是决定是否能生产高效率太阳电池的关键因素。

 

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