太陽能電池片:工業原料-中文百科頻道

分類

中國常用的太陽能晶矽電池片根據尺寸和單多晶可分為：

單晶125*125

單晶156*156

多晶156*156

單晶150*150

單晶103*103

多晶125*125

制造工藝

太陽能電池片的生産工藝流程分為矽片檢測——表面制絨及酸洗——擴散制結——去磷矽玻璃——等離子刻蝕及酸洗——鍍減反射膜——絲網印刷——快速燒結等。具體介紹如下：

一、矽片檢測

矽片是太陽能電池片的載體，矽片質量的好壞直接決定了太陽能電池片轉換效率的高低，因此需要對來料矽片進行檢測。該工序主要用來對矽片的一些技術參數進行在線測量，這些參數主要包括矽片表面不平整度、少子壽命、電阻率、P/N型和微裂紋等。該組設備分自動上下料、矽片傳輸、系統整合部分和四個檢測模塊。

其中，光伏矽片檢測儀對矽片表面不平整度進行檢測,同時檢測矽片的尺寸和對角線等外觀參數;微裂紋檢測模塊用來檢測矽片的内部微裂紋;另外還有兩個檢測模組，其中一個在線測試模組主要測試矽片體電阻率和矽片類型，另一個模塊用于檢測矽片的少子壽命。在進行少子壽命和電阻率檢測之前，需要先對矽片的對角線、微裂紋進行檢測，并自動剔除破損矽片。矽片檢測設備能夠自動裝片和卸片，并且能夠将不合格品放到固定位置，從而提高檢測精度和效率。

二、表面制絨

單晶矽絨面的制備是利用矽的各向異性腐蝕，在每平方厘米矽表面形成幾百萬個四面方錐體也即金字塔結構。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換效率。矽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、氫氧化锂和乙二胺等。大多使用廉價的濃度約為1%的氫氧化鈉稀溶液來制備絨面矽，腐蝕溫度為70-85℃。

為了獲得均勻的絨面，還應在溶液中酌量添加醇類如乙醇和異丙醇等作為絡合劑，以加快矽的腐蝕。制備絨面前，矽片須先進行初步表面腐蝕，用堿性或酸性腐蝕液蝕去約20～25μm，在腐蝕絨面後，進行一般的化學清洗。經過表面準備的矽片都不宜在水中久存，以防沾污，應盡快擴散制結。

三、擴散制結

太陽能電池需要一個大面積的PN結以實現光能到電能的轉換，而擴散爐即為制造太陽能電池PN結的專用設備。管式擴散爐主要由石英舟的上下載部分、廢氣室、爐體部分和氣櫃部分等四大部分組成。擴散一般用三氯氧磷液态源作為擴散源。把P型矽片放在管式擴散爐的石英容器内，在850---900攝氏度高溫下使用氮氣将三氯氧磷帶入石英容器，通過三氯氧磷和矽片進行反應，得到磷原子。

經過一定時間，磷原子從四周進入矽片的表面層，并且通過矽原子之間的空隙向矽片内部滲透擴散，形成了N型半導體和P型半導體的交界面，也就是PN結。這種方法制出的PN結均勻性好,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結是太陽電池生産最基本也是最關鍵的工序。因為正是PN結的形成，才使電子和空穴在流動後不再回到原處，這樣就形成了電流，用導線将電流引出，就是直流電。

四、去磷矽玻璃

該工藝用于太陽能電池片生産制造過程中，通過化學腐蝕法也即把矽片放在氫氟酸溶液中浸泡，使其産生化學反應生成可溶性的絡和物六氟矽酸，以去除擴散制結後在矽片表面形成的一層磷矽玻璃。在擴散過程中，POCL3與O2反應生成P2O5澱積在矽片表面。P2O5與Si反應又生成SiO2和磷原子，

這樣就在矽片表面形成一層含有磷元素的SiO2，稱之為磷矽玻璃。去磷矽玻璃的設備一般由本體、清洗槽、伺服驅動系統、機械臂、電氣控制系統和自動配酸系統等部分組成，主要動力源有氫氟酸、氮氣、壓縮空氣、純水，熱排風和廢水。氫氟酸能夠溶解二氧化矽是因為氫氟酸與二氧化矽反應生成易揮發的四氟化矽氣體。若氫氟酸過量，反應生成的四氟化矽會進一步與氫氟酸反應生成可溶性的絡和物六氟矽酸。

五、等離子刻蝕

由于在擴散過程中，即使采用背靠背擴散，矽片的所有表面包括邊緣都将不可避免地擴散上磷。PN結的正面所收集到的光生電子會沿着邊緣擴散有磷的區域流到PN結的背面，而造成短路。因此，必須對太陽能電池周邊的摻雜矽進行刻蝕，以去除電池邊緣的PN結。通常采用等離子刻蝕技術完成這一工藝。等離子刻蝕是在低壓狀态下，反應氣體CF4的母體分子在射頻功率的激發下，産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，反應腔體中的氣體在電子的撞擊下，除了轉變成離子外，還能吸收能量并形成大量的活性基團。活性反應基團由于擴散或者在電場作用下到達SiO2表面，在那裡與被刻蝕材料表面發生化學反應，并形成揮發性的反應生成物脫離被刻蝕物質表面，被真空系統抽出腔體。

六、鍍減反射膜

抛光矽表面的反射率為35%,為了減少表面反射,提高電池的轉換效率,需要沉積一層氮化矽減反射膜。工業生産中常采用PECVD設備制備減反射膜。PECVD即等離子增強型化學氣相沉積。它的技術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定的溫度，然後通入适量的反應氣體SiH4和NH3，氣體經一系列化學反應和等離子體反應，在樣品表面形成固态薄膜即氮化矽薄膜。

一般情況下，使用這種等離子增強型化學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的功能性。利用薄膜幹涉原理，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，效率也有相當的提高。

七、絲網印刷

太陽電池經過制絨、擴散及PECVD等工序後，已經制成PN結，可以在光照下産生電流，為了将産生的電流導出，需要在電池表面上制作正、負兩個電極。制造電極的方法很多，而絲網印刷是目前制作太陽電池電極最普遍的一種生産工藝。絲網印刷是采用壓印的方式将預定的圖形印刷在基闆上，該設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：利用絲網圖形部分網孔透過漿料，用刮刀在絲網的漿料部位施加一定壓力，同時朝絲網另一端移動。油墨在移動中被刮刀從圖形部分的網孔中擠壓到基片上。由于漿料的粘性作用使印迹固着在一定範圍内，印刷中刮闆始終與絲網印版和基片呈線性接觸，接觸線随刮刀移動而移動，從而完成印刷行程。

八、快速燒結

絲網印刷後的矽片，不能直接使用，需經燒結爐快速燒結，将有機樹脂粘合劑燃燒掉，剩下幾乎純粹的、由于玻璃質作用而密合在矽片上的銀電極。當銀電極和晶體矽在溫度達到共晶溫度時，晶體矽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關鍵參數，使其具有電阻特性，以提高電池片的轉換效率。

燒結爐分為預燒結、燒結、降溫冷卻三個階段。預燒結階段目的是使漿料中的高分子粘合劑分解、燃燒掉，此階段溫度慢慢上升;燒結階段中燒結體内完成各種物理化學反應，形成電阻膜結構，使其真正具有電阻特性，該階段溫度達到峰值;降溫冷卻階段，玻璃冷卻硬化并凝固，使電阻膜結構固定地粘附于基片上。

九、外圍設備

在電池片生産過程中，還需要供電、動力、給水、排水、暖通、真空、特汽等外圍設施。消防和環保設備對于保證安全和持續發展也顯得尤為重要。一條年産50MW能力的太陽能電池片生産線，僅工藝和動力設備用電功率就在1800KW左右。工藝純水的用量在每小時15噸左右，水質要求達到中國電子級水GB/T11446.1-1997中EW-1級技術标準。

工藝冷卻水用量也在每小時15噸左右，水質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，還需要大約氮氣儲罐20立方米，氧氣儲罐10立方米。考慮到特殊氣體如矽烷的安全因素，還需要單獨設置一個特氣間，以絕對保證生産安全。另外，矽烷燃燒塔、污水處理站等也是電池片生産的必備設施。

注意問題

太陽電池片采用隻需一次燒結的共燒工藝，同時形成上下電極的歐姆接觸。銀漿、銀鋁漿、鋁漿印刷過的矽片，經過烘幹使有機溶劑完全揮發，膜層收縮成為固狀物緊密粘附在矽片上，這時可視為金屬電極材料層和矽片接觸在一起。當電極金屬材料和半導體單晶矽加熱達到共晶溫度時，單晶矽原子以一定的比例溶入到熔融的合金電極材料中。單晶矽原子溶入到電極金屬中的整個過程是相當快的，一般隻需幾秒鐘時間。溶入的單晶矽原子數目取決于合金溫度和電極材料的體積，燒結合金溫度越高，電極金屬材料體積越大，則溶入的矽原子數目也越多，這時的狀态被稱為晶體電極金屬的合金系統。

如果此時溫度降低，系統開始冷卻形成再結晶層，這時原先溶入到電極金屬材料中的矽原子重新以固态形式結晶出來，也就是在金屬和晶體接觸界面上生長出一層外延層。如果外延層内含有足夠量的與原先晶體材料導電類型相同的雜質成份，這就獲得了用合金法工藝形成歐姆接觸;如果在結晶層内含有足夠量的與原先晶體材料導電類型異型的雜質成份，這就獲得了用合金法工藝形成P.N結。

一般網帶式燒結爐采用電熱絲作為加熱元件，主要通過熱傳導對工件進行加熱，無法實現急速升溫。隻有輻射或微波能夠迅速加熱物體，而輻射加熱具有使用經濟、安全可靠、更換方便等優點。所以太陽電池片燒結爐基本都采用紅外石英燈管作為主要加熱元件。它的設計需注意以下三個問題：

1、加熱管的結構形式

為實現燒結段的溫度尖峰，需在很短的爐膛空間内布置足夠的加熱功率。有短波孿管和短波單管兩種結構可以選擇，其線性功率密度均達到60kW/m2。雖然短波孿管擁有更高的單根功率(相當于兩根單管并聯)，但由于其制造工藝複雜，對石英玻璃管的質量要求更高，制造成本約是單管的2.5倍。因此，在實際使用中，大多采用單管。

2、紅外輻射吸收光譜

當紅外輻射能量被工件吸收時，該物質所特有的吸收光譜需與發射光譜相匹配，才能在最短時間内最大效率地吸收輻射能。因此，在燒結的不同階段，所選用的紅外石英燈管也是不同的。在烘幹段，要讓有機溶劑和水分迅速揮發，采用中波管輔助熱風加熱是正确的;在預燒段，要讓基片獲得充分均勻的預熱，中波管良好的紅外輻射、均衡的吸收及穿透能力，正好符合要求;在燒結段，必須在極短時間内使基片達到共晶溫度，隻有短波管能做到這一點。

3、加熱管的固定方式

燒結段的溫度峰值在850℃左右，此時燈管的表面溫度将達到1100℃，接近石英管的使用極限，稍微過熱産生氣孔就會立刻燒毀燈管。而在燈管的引出導線部位，由于焊接導線的金屬片和石英玻璃密封在一起，二者熱膨脹系數不一緻，如果此處溫度過高就會産生應力裂紋，造成燈管漏氣。因此燈管在爐膛中的安裝固定方式十分重要。圖2為紅外燈管在爐膛中的一種固定方式。這種固定方式要求燈管的冷端距離爐壁至少80mm以上，保證引出導線部位的溫度不會過高;而且爐壁上安裝孔的直徑要比燈管大2～3mm，通過兩側的固定夾具将燈管懸空夾持在爐膛中。

産業發展

中國太陽能光伏設備産業發展

依靠中國半導體設備行業數十年來的技術積累，通過和一流光伏電池企業的深度合作，經過連續多年的不懈努力，中國光伏設備企業已基本具備太陽能電池制造設備的整線裝備能力。在國産設備及進口設備混搭的主流建線方案中，國産設備在數量上已占多數。

中國光伏設備企業從矽材料生産、矽片加工到太陽能電池芯片的生産以及相應的純水制備、環保處理、淨化工程的建設，已經初步具備成套供應能力，部分産品如擴散爐、等離子刻蝕機、單晶爐、多晶鑄錠爐等開始少量出口，可提供10種太陽能電池大生産線設備中的8種，其中有6種（擴散爐、等離子刻蝕機、清洗/制絨機、石英管清洗機、低溫烘幹爐）已在中國生産線上占據主導地位，2種（管式PECVD、快速燒結爐）與進口設備并存但份額正逐步增大。

此外，全自動絲網印刷機、自動分揀機、平闆式PECVD則完全依賴進口。組件生産用的層壓機、太陽能模拟器等在行業獲得廣泛應用。矽材料加工設備中單晶爐以優良的性價比占據了中國市場的絕對統治地位并批量出口亞洲，多線切割機已取得突破，多晶矽鑄錠爐已經開始大量在中國企業中使用。

2008年随着一批新的國産光伏設備批量進入市場，以及國産設備性價比的不斷提高，光伏企業對國産設備的認知度越來越高。2008年上半年中國太陽能光伏設備銷售收入達到7.69億元，比2007年同期增長80%，占全部半導體設備銷售收入的58.6%。