太阳能材料设备概论

晶体硅的清洗与制绒 重点：晶体硅清洗制绒过程对药液浓度的控制 清洗制绒分为：面化学清洗和表面的腐蚀 难点：对清洗制绒过程温度控制 内容： 1多晶硅绒面技术主要有 ⑴机械刻槽：要求硅片厚度在 以上，因为训槽的深度一般在 的量级上，所以硅片厚度要求很高，而又会增加技术成本。 ⑵等离子刻蚀（ ）：制备出的硅片表面陷光，效果非常好，但需要相对复杂的工序和昂贵的加工系统。 ⑶各向同性酸腐蚀：比较容易的整合到当前太阳电池工序，制作成本最低，适合大规模生产。 2晶体硅表面减反射原理 ⑴能量损失的类型：①光学损失，②电学损失 ⑵光学损失主要方式 ①硅表面的反射损失，反射率可达 以上 ②上电极的遮光损失，金属栅线要遮掉 的入射光 ③进入硅片能量大于禁带宽度的光子在电池背面的投射 3清洗表面的目的 ⑴取出硅片表面的机械损伤层 （来自硅棒切割的物理损伤） ⑵清除表面油污及金属离子杂质 ⑶对表面凹凸面进行处理，增加光在太阳电池片表面折射次数，有利于电池片对光的吸收，已达到电池片对太阳能价值的最大利用率 4多晶硅的酸腐蚀（制绒）（ ） 酸对硅的腐蚀速度与晶粒取向无关，所以酸腐蚀又称为各向性酸腐蚀 ⑴目的：减少光的反射次数，提高短路电流（ ）最终提高 ⑵原理：多晶硅太阳电池采用酸腐蚀多晶硅片的，获得各向同性的表面结构，（通过对加 不同配方的酸腐蚀液与硅片在一定温度条件下进行反应，实际反应非常复杂，酸腐蚀液是由两种酸与水以适当比例混合而成）。 ⑶腐蚀机训： 作氧化剂，在表面形成 层 反应方程式： 酸作为络合剂，去除 层 总方程式： 酸碱比较，酸表面反射率明显下降在 ，波长范围内反射率由 下降到 ，碱只能下降到 。 ⑷影响绒面的因素 ① 的混合溶液浓度（1:3） ②制绒槽内 及 的累积量 ③制绒腐蚀的温度： ，最大偏差 ④腐蚀的时间长短 工业化学分为：一般溶剂，化学溶剂，电子极，半导体极 因为化学品污染主要是的金属离子，通常必须限制在0.01级或更低，十亿分之一。 5碱洗槽清洗（ ） ⑴目的：①去除表面多孔硅（在腐蚀过程中会产生多孔硅层，尽管其具有低的反射率，但其高电阻和高表面复合率，不适合太阳电池生产，用稀 去除） ②中和前道残留在硅片表面的腐蚀液 ⑵反应方程式 6酸洗槽清洗（ ） 目的：⑴中和前道残留在硅片表面的碱液 ⑵利用 去除硅片表面氧化物形成疏水面，便于吹干 ⑶ 中的 有携带金属离子能力，可用于去除 表面金属离子， 具有酸和络合剂双重作用，能与金属离子形成可溶于水的络合物（ ），金属离子对硅片转换效率也会产生影响。 扩散制作 结 重点：要说明在扩散工艺中需要重点关注的化学品（ ），并说明相关的注意事项 难点：对扩散过程中炉管内温度，抽风等工艺配方参数的控制 内容： 1 的性质 无色透明液体，具有刺激性气体，在纯度不高则呈红黄色，其比重为1.67，熔点 ，沸点 ， 在潮湿空气中发烟，很容易发生水解，极易挥发，高温下蒸气压很高 2扩散是物质分子运动或原子运动引起的一种自然现象 3扩散的目的：在P型衬底硅片表面高温扩散主族元素磷，形成N型硅，制作 结， 的 制作是生产太阳电池的核心工艺步骤 4制结的方法 ⑴热扩散法 ⑵离子注入法 ⑶外延法 ⑷激光法及高频电注入法 5热扩散法分为 ⑴涂布源扩散 ⑵液态源扩散 ⑶固态源扩散等 5.1热扩散制 的方法 利用加热的方法使V族（P）杂质掺入P型硅或 族（B）杂质掺入N型硅，如图5-1-1 对扩散工艺的要求是获得适合太阳电池 结需要的结深（ ）和扩散层方块电阻，浅结死层小，电池短波相应好，而浅结引起的串联电阻增加，只有提高栅电极的密度，才能有效提高电池的填充因子（ ），这样增加了工艺难度，结深太深死层比较明显，如扩散浓度太大，则引起重掺杂效应，使电池开路电压与短路电流均下降，实际电池制作中考虑到各个因素，太阳电池的结深一般控制在 ，方阻 。 6液态源扩散原理 利用小 携带 并通入适量的氧气与硅片在 左右炉温的石英管里进行反应，将磷原子扩散到硅片中，形成完整的 结。 液态源扩散方法具有生产效率高，得到 结均匀、平整和扩散层表面良好等优点，这对制作具有大面积的太阳电池非常重要。 6.1反应机制 ⑴ 在高温下（ ）分解生成 和 ⑵生成的 在扩散温度下与硅反应，生成 和 原子 ⑶由以上方程可以看出 热分解时，如果没有外来的氧参与分解是不充分的，生成的 是不易分解的，并对硅片有腐蚀作用，破坏硅片表面状态，但有了外来 的存在的情况下， 会进一步分解成 并放出氯气。 ⑷生成的 有进一步与硅作用，生成 和 原子，由此可见，在磷扩散时，为了促进 充分分解和避免 与对硅片表面的腐蚀作用，必须在通 的同时通入一定流量的氯气，在有氧气的存在时， 热分解的反应式为 ⑸ 分解产生 淀积在硅片表面， 与硅片反应生成 和 原子，并在硅片表面形成一层磷—硅玻璃，然后 原子再向硅中进行扩散。 6.2 液态源扩散装置 6.2.1扩散工艺过程 清洗 饱和 装片 送片 回温 扩散 关源 退舟 卸片 测量 ⑴清洗： 初次扩散前，扩散炉石英管首先连接 装置，当炉温开至设定温度，已设定流量通 60分钟清洗石英管， 清洗开始时，先开 再开 ；清洗结束后，先关 在关 ， 清洗结束后，将石英管连接扩散源瓶待扩散。 ⑵饱和： 每班生产前，必须对石英管进行饱和， 炉温开至设定温度时，以设定流量通小 （携带源）和 ，使石英管饱和20分钟后，关闭小 和 ， 初次扩散前，或停产一段时间后恢复生产时，需使石英管在 通源1小时以上。 ⑶回温：打开 ，等待石英管开温至设定温度。 ⑷扩散：打开小 ，以设定流量通小 进行扩散。 6.2.2扩散工艺条件 清洗 饱和 炉温 1050 900 时间 30 30 小 0.3 2 10 2.5 大 18 磷扩散 STP 103E STP 125E 炉温 875 882 源温 20 20 操作状态 进炉 回温 磷扩散 出炉 STP 103E 3 20 40 3 STP 125E 3 25 40 3 流量 大 大 , 大 , ,小 大 STP 103E 18 18 18 2.5 1.8 25 STP 125E 18 18 18 2.5 1.8 25 7扩散层薄层电阻及其测量 薄层电阻（方块电阻）是反映扩散层质量是否符合设计要求的重要工艺指标之一，方阻是标志扩散到半导体中的杂质总量的一个参数 7.1方块电阻的定义 指表面为正方形的半导体薄层，在电流方向（电流方向平行于正方形的某边）所呈现的电阻 如上图薄层的电阻率为 ，则该整个薄层的电阻为 当 （即为一个方块时）， ，可见 代表一个方块的电阻，故为方块电阻，特记为： 。 7.2扩散层薄层电阻的测试 ⑴测试方法 常用探针法，外边两探针通电流，中间两探针测电压， （C为修正因子，值大小与样品型状和大小有关，还与样品是单层扩散还是双层扩散等因素有关）。 越小，表明扩入硅片的净杂质越多，反之，扩入的就越小，薄层电阻的大小与薄层的平均电阻成正比，与薄层的厚度成反比，与薄正方形的吧边长无关。 ⑵检验。①扩散方块电阻控制在 之间，同炉扩散 不均匀度 ，同硅片扩散 不均匀度 ，②表面无明显因偏磷酸滴落或其他原因引起的污染。 8影响扩散的因素 ⑴管内气体中杂质源的浓度 ⑵扩散温度 ⑶扩散时间 刻蚀去除 重点：讲述N型区域对太阳电池的影响，及去除N型区域的原理和刻蚀槽抽风的控制。 难点：着重介绍该工艺参数的控制，和刻蚀线的平整度。 内容： 1刻蚀：利用化学或物理的方法，有选择性地从半导体材料表面去除不需要材料的过程。 2刻蚀的目的：就是进行湿法刻蚀和去除 。 3湿法刻蚀原理 利用 和 的混合液体对扩散后硅片下表面和边缘进行腐蚀，去除边缘的N型硅，使硅片的上下面相互绝缘。 反应方程式： 4刻蚀中容易产生的问及检测方法 ⑴刻蚀不足：边缘漏电， 下降，严重可导致失效。 检测方法：测绝缘电阻。 ⑵过刻：正面金属栅线与P型硅接触造成短路。 检测方法：称重及目测 控制:当硅片从设备流出来。需检查硅片表面状态，绒面无明显斑迹，无药液残留，腐蚀深度控制在 范围内，刻蚀宽度不超过 同时需要保证刻蚀边缘电阻大于 。 5碱槽作用：利用喷淋中和并冲掉硅片背面（和刻蚀溶液接触的一面）和边缘沾附的酸，由于碱吸收空气中的 ，生成碳酸钾析出，造成结晶堵碱，温度低和长时间不用时，需用DI水冲洗。 反应方程式： 6去除磷硅玻璃的目的 在硅片表面形成一层含P元素的 ，称为PSG ⑴PSG的存在使得硅片在空气中表面容易受潮，导致电流的降低和功率的衰减。 ⑵死层的存在大大增加了发射区电子的复合，会导致少子寿命的降低，进而降低了 和 。 ⑶PSG的存在使PEVCVD后产生色差 反应方程式： 去除PSG的检测方法：当硅片从 槽出来，观察表面是否脱水，如脱水表明PSG已去除干净，如表面沾有水珠，表明 未被去除干净，可在 槽适当补些 。 ７刻蚀设备构造 ⑴工艺步骤：边缘刻蚀 碱洗 酸洗 吹干 Etch bath—Rinse1—Alkaline Rinse Rinse2 HF bath—Rinse 3 Drger 2 ⑵各槽作用： Etch bath:刻蚀槽，用于边缘刻蚀，所用溶液为 作用：边缘刻蚀，除去边缘PN结，使电流朝向一个方向流动。 注意：扩散面须向上放， 的作用主要是增大液体浮力，使硅片很好的浮于反应液上。 Alkalinr Rinse:碱洗槽,所用溶液为 。 作用：中和前道刻蚀后残留在硅片表面的酸液。 HF bath:HF酸槽，所用溶液为HF。 作用：中和前道碱洗后残留在硅片表面的碱液去 。 等离子体增强化学气相沉积 重点：讲述 镀膜原理，及减反膜所起的作用。 难点：对炉管内温度的控制，及反射膜的厚度。 内容： 1 定义：利用高频电源辉光放电产生等离子体对化学气相沉淀过程施加影响的技术。 2 定义：是反应气体在一定条件下分解并发生化学反应，最终生成固态物质沉积在机体表面继而形成薄膜的一种技术。 3 目的：在扩散面上镀上一层淡蓝色的膜，减少对光的反射，吸收更多的光，同时也起到钝化硅片的作用。 4生产过程：装片 上料 镀膜 下料 冷却 卸片 刘小军