硅太阳能电池-制造工艺.docx

《硅太阳能电池-制造工艺.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《硅太阳能电池-制造工艺.docx（36页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、硅太阳能电池- 制造工艺PV的意思：它是英文单词Photovoltaic 的 简写，中文意思是 光生伏特”（简称 光伏”）。 在物理学中，光生伏特效应（简称为光伏效应），是指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象硅太阳能电池制造工艺流程图1、硅片切割，材料准备:工业制作硅电池所用的单晶硅材料，一般采 用坩锅直拉法制的太阳级单晶硅棒，原始的形状为圆柱形，然后切割成方形硅片（或多晶方形硅片），硅片的边长一般为10? 15cm，厚度约200350um ，电阻率约1 Q .cm 的 p 型（掺硼）。2、 、去除损伤层：硅片在切割过程会产生大量的表面缺陷，这就会产生两个问题，

2、首先表面的质量较差，另外 这些表面缺陷会在电池制造过程中导致碎片增多。因此要将切割损伤层去除，一般采用碱或酸腐蚀，腐蚀的厚度约 10um 。3、 、制绒：制绒，就是把相对光滑的原材料硅片的表面 通过酸或碱腐蚀，使其凸凹不平，变得粗糙，形成漫反射，减少直射到硅片表面的太阳能的损失。对于单晶硅来说一般采用NaOH加醇的方法腐蚀，利用单晶硅的各向异性腐蚀，在表面形成无数的金字塔结构，碱液的温度约80 度，浓 度约12% ，腐蚀时间约15 分钟。对于多晶来说，一般采用酸法腐蚀。4、 、扩散制结：扩散的目的在于形成PN 结。普遍采用磷做n 型掺杂。 由于固态扩散需要很高的温度，因此 在扩散前硅片表面的洁

3、净非常重要，要求硅片在制绒后要进行清洗，即用酸来中和硅片表面的碱残留和金属杂质。5、 边缘刻蚀、清洗：扩散过程中，在硅片的周边表面也形成了扩散层。周边扩散层使电池的上下电极形成短路环，必须将它除去。周边上存在任何微小的局部短路都会使电池并联电阻下降，以至成为废品。目前，工业化生产用等离子干法腐蚀，在辉光放电条件下通过氟和氧交替对硅作用，去除含有扩散层的周边。扩散后清洗的目的是去除扩散过程中形成的磷硅玻璃。6、 沉积减反射层：沉积减反射层的目的在于减少表面反射，增加折射率。广泛使用PECVD淀积SiN , 由于PECVD淀积SiN 时 ， 不光是生长 SiN 作为减反射膜 ， 同时生成了大量的原

4、子氢， 这些氢原子能对多晶硅片具有表面钝化和体钝化的双重作用，可用于大批量生产。7、 丝网印刷上下电极：电极的制备是太阳电池制备过程中一个至关重要的步骤，它不仅决定了发射区的结构，而且也决定了电池的串联电阻和电池表面被金属覆盖的面积。，最早采用真空蒸镀或化学电镀技术，而现在普遍采用丝网印刷法，即通过特殊的印刷机和模版将银浆铝浆（银铝浆）印刷在太阳电的正背面，以形成正负电极引线。8、 共烧形成金属接触：传统工艺晶体硅太阳电池要通过三次印刷金属浆料，要用二次烧结才能形成良好的带有金属电极欧姆接触，共烧工艺只需一次烧结，同时形成上下电极的欧姆接触。在太阳电池丝网印刷电极制作中，通常采用链式烧结炉进行

5、快速烧 结。9、 电池片测试：完成的电池片经过测试分档进行归类。上电极N 型硅PN 结P 型硅下电极太阳电池结构原太阳光线硅太阳电池结构示意图当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸; 光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成P-N 结 ( pn junction)两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过 外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程1 、太阳能光伏系统的组成和原理太阳能光伏系统由以下三部分组成：太阳电池组件；充、放电控制器、逆变器、测试仪表和计算机监控等电力电子设备和蓄电池或其它蓄能和辅助发电设备。太阳能

6、光伏系统具有以下的特点：- 没有转动部件，不产生噪音；- 没有空气污染、不排放废水；- 没有燃烧过程，不需要燃料；- 维修保养简单，维护费用低；- 运行可靠性、稳定性好；- 作为关键部件的太阳电池使用寿命长，晶 体硅太阳电池寿命可达到25 年以上；- 根据需要很容易扩大发电规模。光伏系统应用非常广泛，光伏系统应用的基本形式可分为两大类：独立发电系统和并网发电系统。应用主要领域主要在太空航空器、通信系 统、微波中继站、电视差转台、光伏水泵和无电缺电地区户用供电。随着技术发展和世界经济可持续发展的需要，发达国家已经开始有计划地推 广城市光伏并网发电，主要是建设户用屋顶光伏发电系统和MW级集中型大型

7、并网发电系统等，同时在交通工具和城市照明等方面大力推广太阳能光伏系统的应用。光伏系统的规模和应用形式各异，如系统规模跨度很大，小到0.3? 2W的太阳能庭院灯，大到MW级的太阳能光伏电站，如3.75kWp 家用型屋顶发电设备、敦煌 10MW项目。其应用形式也多种多样，在家用、交通、通信、空间应用等诸多领域都能得到广泛的应用。尽管光伏系统规模大小不一，但其组成结构和工作原理基本相同。图4-1是一个典型的供应直流负载的光伏系统示意图。其中包含了光伏 系统中的几个主要部件：光伏组件方阵：由太阳电池组件（也称光伏电池组件）按照系统需求串、并联而成，在太阳光照射下将太阳能转换成电能输出，它是太阳能光伏系

8、统的核心部件。 蓄电池：将太阳电池组件产生的电能储存起来，当光照不足或晚上、或者负载需求大于太阳电池组件所发的电量时，将储存的电能释放以满足负载的能量需求，它是太阳能光伏系统的储能部件。目前太阳能光伏系统常用的是铅酸蓄电 池，对于较高要求的系统，通常采用深放电阀控式密封铅酸蓄电池、深放电吸液式铅酸蓄电池等。 控制器：它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出，是整个系统的核心控制部分。随着太阳能光伏产业的发展，控制器的功能越来越强大，有将传统的控制部分、逆变器以及监测系统集成的趋势，如AES公司 的SPP和 SMD系列的控制器就集成了上

9、述三种功能。逆变器：在太阳能光伏供电系统中，如果含有交流负载，那么就要使用逆变器设备，将太阳电池组件产生的直流电或者蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电。太阳能光伏供电系统的基本工作原理就是在太阳光的照射下，将太阳电池组件产生的电能通过控制器的控制给蓄电池充电或者在满足负载需求的情况下直接给负载供电，如果日照不足或者在夜间则由蓄电池在控制器的控制下给直流负 载供电，对于含有交流负载的光伏系统而言，还 需要增加逆变器将直流电转换成交流电。光伏系 统的应用具有多种形式，但是其基本原理大同小异。对于其他类型的光伏系统只是在控制机理和系统部件上根据实际的需要有所不同，下面将对不同类型的光伏系统进行

10、详细地描述。2、光伏系统的分类与介绍一般将光伏系统分为独立系统、并网系统和混合系统。如果根据光伏系统的应用形式、应 用规模和负载的类型，对光伏供电系统进行比较细致的划分，可将光伏系统分为如下六种类型：小型太阳能供电系统( Small DC )；简单直流系统 ( Simple DC )；大型太阳能供电系统( Large DC ); 交流、直流供电系统(AC/DC );并网系统( Utility Grid Connect ) ；混合供电系统 ( Hybrid )；并网混合系统多晶硅薄膜材料同时具有单晶硅材料的高迁移率及非晶硅材料的可大面积、低成本制备的优点。因此，对于多晶硅薄膜材料的研究越来越引起

11、人们的关注，多晶硅薄膜的制备工艺可分为两大类：一类是高温工艺，制备过程中温度高于600 C, 衬底使用昂贵的石英，但制备工艺较简单。另一类是低温工艺，整个加工工艺温度低于600 C,可用廉价玻璃作衬底，因此可以大面积制作，但是制备工艺较复杂。目前制备多晶硅薄膜的方法主要有如下几种：低压化学气相沉积( LPCVD) 这是一种直接生成多晶硅的方法。LPCVD是集成电路中所用多晶硅薄膜的制备中普遍采 用的标准方法，具有生长速度快，成膜致密、均匀、装片容量大等特点。多晶硅薄膜可采用硅烷气体通过LPCVD法直接沉积在衬底上，典型的 沉积参数是：硅烷压力为13.3? 26.6Pa ，沉 积温度 Td=58

12、0? 630C,生长速率5?10nm/min 。由于沉积温度较高，如普通玻璃的软化温度处于 500? 600 C,则不能采用廉价的普通玻璃而必须使用昂贵的石英作衬底。LPCVD法生长的多晶硅薄膜，晶粒具有择优取向，形貌呈“ V 字形，内含高密度的微挛晶缺陷，且晶粒尺寸小， 载流子迁移率不够大而使其在器件应用方面受到一定限制。 虽然减少硅烷压力有助于增大晶粒尺寸，但往往伴随着表面粗糙度的增加，对载流子的迁移率与器件的电学稳 定性产生不利影响。固相晶化(SPC)所谓固相晶化，是指非晶固体发生晶化的温度低于其熔融后结晶的温度。这是一种间接生成多晶硅的方法，先以硅烷气体作为原材料，用LPCVD方法在5

13、50 C 左右沉积a-Si:H 薄膜 , 然后将薄膜在600 C以上的高温下使其熔化， 再在温度稍低的时候出现晶核，随着温度的降低熔融的硅在晶核上继续晶化而使晶粒增大转化为多晶硅薄膜。 使用这种方法，多晶硅薄膜的晶粒大小依赖于薄膜的厚度和结晶温度。退火温度是影响晶化效果的重要因700 C 以下的 退火温度范围内，温度越低，成核速率越低，退火时间相等时所能得到的晶粒尺寸越大；而在700 C以上，由于此时晶界移动引起了晶粒的相互吞并，使得在此温度范围内，晶粒尺寸随温度的升高而增大。经大量研究表明，利用该方法制得的多晶硅晶粒尺寸还与初始薄膜样品的无序程度密切相关，T.Aoyama 等人对初始材料的沉

14、积条件对固相晶化的影响进行了研究，发现初始材料越无序，固相晶化过程中成核速率越低，晶粒尺寸越大。 由于在结晶过程中晶核的形成是自发的，因此，SPC 多晶硅薄膜晶粒的晶面取向是随机的。相邻晶粒晶面取向不同将形成较高的势垒，需要进行氢化处理来提高SPC 多晶硅的性能。这种技术的优点是能制备大面积的薄膜，晶粒尺寸大于直接沉积的多晶硅。可进行原位掺杂，成本低，工艺简单，易于形成生产线。由于SPC 是在非晶硅熔融温度下结晶，属于高温晶化过程，温度高于600 C,通常需要1100 C左右，退火时间长达10个小时以上，不适用于玻璃基底，基底材料采用石英或单晶硅，用于制作小尺寸器件，如液晶光阀、摄像机准分子激

15、光晶化(ELA) 激光晶化相对于固相晶化制备多晶硅来说更为理想，其利用瞬间激光脉冲产生的高能量入 射到非晶硅薄膜表面，仅在薄膜表层100nm 厚的深度产生热能效应，使a-Si 薄膜在瞬间达到 1000 C 左右，从而实现 a-Si 向 p-Si 的转 变。在此过程中，激光脉冲的瞬间(15? 50ns) 能量被 a-Si 薄膜吸收并转化为相变能，因此， 不会有过多的热能传导到薄膜衬底，合理选择激光的波长和功率，使用激光加热就能够使a-Si 薄膜达到熔化的温度且保证基片的温度低于450 C,可以采用玻璃基板作为衬底，既实现了p-Si 薄膜的制备，又能满足LCD 及OEL 对透 明衬底的要求。其主要

16、优点为脉冲宽度短(15? 50ns) ，衬底发热小。通过选择还可获得混合晶化，即多晶硅和非晶硅的混合体。准分子激光退火晶化的机理：激光辐射到a-Si 的表面，使其表面在温度到达熔点时即达到了晶化域值能量密度 Ec 。 a-Si 在激光辐射下吸收能量， 激发 了不平衡的电子- 空穴对，增加了自由电子的导电能量，热电子- 空穴对在热化时间内用无辐射复合的途径将自己的能量传给晶格，导致近表层极其迅速的升温，由于非晶硅材料具有大量的隙态和深能级，无辐射跃迁是主要的复合过程，因 而具有较高的光热转换效率，若激光的能量密度达到域值能量密度Ec 时，即半导体加热至熔点 温度，薄膜的表面会熔化，熔化的前沿会以

17、约10m/s的速度深入材料内部，经过激光照射，薄膜形成一定深度的融层，停止照射后，融层开 始以 108? 1010K/S 的速 度冷却，而固相和液相之间的界面将以1? 2m/s 的速度回到表面，冷却之后薄膜晶化为多晶，随着激光能量密度的增大，晶粒的尺寸增大，当非晶薄膜完全熔化时，薄膜晶化为微晶或多晶， 若激光能量密度小于域值能量密度Ec ，即所吸收的能量不足以使表面温度升至熔点, 则薄膜不发生晶化。一般 情况下 , 能量密度增大，晶粒增大，薄膜的迁移率相应增大，当Si 膜接近全部熔化时，晶粒最大。但能量受激光器的限制，不能无限增大，太大的能量密度反而令迁移率下降。激光波长对晶化效果影响也很大，

18、波长越长，激光能量注入Si 膜越深，晶化效果越好。ELA 法制备的多晶硅薄膜晶粒大、空间选择性好，掺杂效率高、晶内缺陷少、电学特性好、迁移率高达到400cm2/v.s ，是目前综合性能最好的低温多晶硅薄膜。工艺成熟度高，已有大 型的生产线设备，但它也有自身的缺点，晶粒尺 寸对激光功率敏感，大面积均匀性较差。 重复性 差、设备成本高，维护复杂。随着时间而上升， 这一阶段称为升温阶段。单位时间内温度的变化量是很容易控制的。在升温过程结束后，温度就 处于一个稳定阶段。最后，当退火炉的电源关掉后，温度就随着时间而降低，这一阶段称为冷却阶段。用含氢非晶硅作为初始材料，进行退火处理。平衡温度控制在600

19、C 以上，纳米硅晶粒能在非晶硅薄膜中形成，而且所形成的纳米硅晶粒的大小随着退火过程中的升温快慢而变化。在 升温过程中，若单位时间内温度变化量较大时( 如 100 C /S ) ，则所形成纳米硅晶粒较小( 1.6? 15nm) ; 若单位时间内温度变化量较小( 如 1 C /s ) ，则纳米硅粒较大( 23?46nm) 。 进一步的实验表明：延长退火时间和提高退火温度并不能改变所形成的纳米硅晶粒的大小; 而在 退火时，温度上升快慢直接影响着所形成的纳米硅晶粒大小。为了弄清楚升温量变化快慢对所形成的纳米硅大小晶粒的影响， 采用晶体生长中成核理论。在晶体生长中需要两步：第一步是成核，第二步是生长。也

20、就是说，在第一步中需要足够量的生长仔晶。结果显示：升温快慢影响所形成 的仔晶密度。若单位时间内温度变化量大, 则产 生的仔晶密度大；反之，若单位时间内温度变化量小，则产生的仔晶密度小。RTA 退火时升高退火温度或延长退火时间并不能消除薄膜中的非晶部分，薛清等人提出一种从非晶硅中分形生长出纳米硅的生长机理：分形生长。从下到上， 只要温度不太高以致相邻的纳米硅岛不熔化，那 么即使提高退火温度或延长退火时间都不能完全消除其中的非晶部分。RTA 退火法制备的多晶硅晶粒尺寸小，晶体内部晶界密度大，材料缺陷密度高，而且属于高温退火方法，不适合于以玻璃为衬底制备多晶硅。等离子体增强化学反应气相沉积（ PEC

21、VD） 等离子体增强化学反应气相沉积（ PECVD） 法是利用辉光放电的电子来激活化学气相沉积反应的。起初，气体由于受到紫外线等高能宇宙射线的辐射，总不可避免的有轻微的电离， 存在 着少量的电子。在充有稀薄气体的反应容器中引 进激发源（例如，直流高压、射频、脉冲电源等），电子在电场的加速作用下获得能量，当它和气体中的中性粒子发生非弹性碰撞时，就有可能使之产生二次电子，如此反复的进行碰撞及电离，结 果将产生大量的离子和电子。 由于其中正负粒子数目相等。故称为等离子体，并以发光的形式释放出多余的能量，即形成“辉光”。在等离子体中，由于电子和离子的质量相差悬殊，二者通过碰撞 交换能量的过程比较缓慢，

22、所以在等离子体内部各种带电粒子各自达到其热力学平衡状态，于是 在这样的等离子体中将没有统一的温度，就只有 所谓的电子温度和离子温度。 此时电子的温度可达 104 C,而分子、原子、离子的温度却只有25? 300 C。所以，从宏观上来看，这种等离子的温度不高, 但其内部电子却处于高能状态, 具有较高的化学活性。若受激发的能量超过化学反应所需要的热能激活， 这时受激发的电子能量（ 1 ? 10eV ）足以打开分子键，导致具有化学活性的物质产生。因此，原来需要高温下才能进行的化学反应，通过放电等离子体的作用，在较 低温度下甚至在常温下也能够发生。 PECVD 法沉积薄膜的过程可以概括为三个阶段：1.

23、SiH4 分解产生活性粒子Si 、 H 、 SiH2 和 SiH3等；2. 活性粒子在衬底表面的吸附和扩散；3. 在衬底上被吸附的活性分子在表面上发生反应生成Poly-Si 层，并放出H2 ；研究表面，在等离子体辅助沉积过程中，离子、 荷电集团对沉积表面的轰击作用是影响结晶质量的重要因素之一。克服这种影响是通过外加偏压抑制或增强。对于采用PECVD技术制备多晶体硅薄膜的晶化过程, 目前有两种主要的观点：一种认为是活性粒子先吸附到衬底表面, 再发生各种迁移、反应、解离等表面过程 , 从而形成晶相结构，因此 , 衬底的表面状态对薄膜的晶化起到非常重要的作用；另一种认为是空间气相反应对薄膜的低温晶化

24、起到更为重要的作用, 即具有晶相结构 的颗粒首先在空间等离子体区形成, 而后再扩散到衬底表面长大成多晶膜。对于 SiH4:H2 气体 系统 , 有研究表明 , 在高氢掺杂的条件下, 当用RFPECVD的方法沉积多晶硅薄膜时, 必须采用衬底加热到600 C 以上的办法， 才能促进最初成长阶段晶核的形成。而当衬底温度小于300 C 时 , 只能形成氢化非晶硅(a-Si:H) 薄膜。以SiH4:H2 为气源沉积多晶硅温度较高，一般高于 600 C,属于高温工艺，不适用于玻璃基底。目前有报道用SiC14:H2或者 SiF4:H2 为气 源沉积多晶硅，温度较低，在300 C左右即可获得多晶硅，但用CVD

25、 法制备得多晶硅晶粒尺寸小，一般不超过50nm ，晶内缺陷多，晶界多。金属横向诱导法(MILC)20 世纪 90 年代初发现a-Si 中加入一些金属如Al , Cu , Au , Ag , Ni 等沉积在a-Si : H上或离子注入到 a-Si : H薄膜的内部，能够降低 a-Si 向 p-Si 转变的相变能量, 之后对 Ni/a-Si:H 进行退火处理以使a-Si 薄膜晶化 , 晶化温度可低于500 C。但由于存在金属污染未能在 TFT 中应用。随后发现Ni 横向诱导晶化可以避免孪晶产生 , 镍硅化合物的晶格常数与单晶硅相近、低互溶性和适当的相变能量, 使用 镍金属诱导a-Si 薄膜的方法得

26、到了横向结晶的多晶硅薄膜。横向结晶的多晶硅薄膜的表面平 滑，具有长晶粒和连续晶界的特征，晶界势垒高度低于 SPC 多晶硅的晶界势垒高度，因此，MILC TFT 具有优良的性能而且不必要进行氢化处理。利用金属如镍等在非晶硅薄膜表面形成诱导层，金属Ni 与 a-Si 在界面处形成 NiSi2 的硅化物，利用硅化物释放的潜热及界面处因晶 格失错而提供的晶格位置，a-Si 原子在界面处重结晶，形成多晶硅晶粒，NiSi2 层破坏，Ni 原子逐渐向a-Si层的底层迁移，再形成 NiSi2 硅化物，如此反复直a-Si层基本上全部晶化，其诱导温度一般在500 C,持续时间在10小 时左右，退火时间与薄膜厚度有

27、关。金属诱导非晶硅晶化法制备多晶硅薄膜具有均匀性高、 成本低、相连金属掩蔽区以外的非晶硅也可以被晶化、生长温度在500 C。但是MILC 目前它的晶化速率仍然不高 , 并且随着热处理时间的增长速率会降低。我们采用MILC 和光脉冲辐射相结合的方法, 实现了 a-Si 薄膜 在低温环境下快速横向晶化, 得到高迁移率、低 金属污染的多晶硅带。除了上述几种制备多晶硅薄膜的主要方法外 , 还有超高真空化学气相沉积(UHV/CVD) 、 电子束蒸发等。用UHV/CVD生长多晶硅，当生长温度低于550 C时能生成高质量细颗粒多晶硅薄膜，不用再结晶处理，这是传统CVD做 不到的，因此该法很适用于低温多晶硅薄膜晶体管制备。另外，日立公司研究指出，多晶硅还可用电子束蒸发来实现，温度低于530 C。因此，我们相信随着上述几种多晶硅制备方法的日益成熟和新的制备方法的出现，多晶硅技术的发展必将跨上一个新的台阶，从而推动整个半导体产 业和相关行业的发展.