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太阳电池的制造程序

2017-11-22 11:12:44 2643 太阳电池

0 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：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 ) 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。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： http://www.gooxian.com/ 也可以使用 SiH 4 和 N 2 ，则其化学反应可以简单写成：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。版权声明：本资料属于购线网所有，如需转载，请注明出处,更多资料查看，请前往购线网! 0
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