實踐報告
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年月《光伏材料加工工藝》實踐報告
光伏材料是指能將太陽能直接轉換成電能的材料。光伏材料又稱太陽電池材料，只有半導體材料具有這種功能。可做太陽電池材料的材料有單晶矽、多晶矽、非晶矽、gaas、gaalas、inp、cds、cdte等。
用於空間的有單晶矽、gaas、inp。用於地面已批量生產的有單晶矽、多晶矽、非晶矽。本實踐課程的主要目的就是學習光伏材料的加工工藝，掌握光伏材料加工的流程。
單晶矽太陽能電池,是以高純的單晶矽棒為原料的太陽能電池，是當前開發得最快的一種太陽能電池。它的構造和生產工藝已定型，產品已廣泛用於空間和地面。
為了降低生產成本，現在地面應用的太陽能電池等採用太陽能級的單晶矽棒，材料效能指標有所放寬。有的也可使用半導體器件加工的頭尾料和廢次單晶矽材料，經過復拉製成太陽能電池專用的單晶矽棒。 單晶矽太陽能電池將單晶矽棒切成片，一般片厚約0.
3公釐。矽片經過拋磨、清洗等工序，製成待加工的原料矽片。加工太陽能電池片，首先要在矽片上摻雜和擴散，一般摻雜物為微量的硼、磷、銻等。
擴散是在石英管製成的高溫擴散爐中進行。這樣就矽片上形成p>n結。然後採用絲網印刷法，精配好的銀漿印在矽片上做成柵線，經過燒結，同時製成背電極，並在有柵線的面塗覆減反射源，以防大量的光子被光滑的矽片表面反射掉。
因此，單晶矽太陽能電池的單體片就製成了。單體片經過抽查檢驗，即可按所需要的規格組裝成太陽能電池組件（太陽能電池板），用串聯和併聯的方法構成一定的輸出電壓和電流。最後用框架和材料進行封裝。
使用者根據系統設計，可將太陽能電池組件組成各種大小不同的太陽能電池方陣，亦稱太陽能電池陣列。目前單晶矽太陽能電池的光電轉換效率為15%左右，實驗室成果也有20%以上的。
單晶矽太陽能電池的基本結構如圖1所示。
切片要求：①切割精度高、表面平行度高、翹曲度和厚度公差小。②斷面完整性好，消除拉絲、刀痕和微裂紋。
③提高成品率，縮小刀(鋼絲)切縫，降低原材料損耗。④提高切割速度，實現自動化切割。
具體來說太陽能矽片表面沾汙大致可分為三類：
1、有機雜質沾汙： 可通過有機試劑的溶解作用，結合兆聲波清洗技術來去除。
2、顆粒沾汙：運用物理的方法可採機械擦洗或兆聲波清洗技術來去除粒徑 ≥ 0.4 μm顆粒，利用兆聲波可去除 ≥ 0.2 μm顆粒。
3、金屬離子沾汙：該汙染必須採用化學的方法才能將其清洗掉。矽片表面金屬雜質沾汙又可分為兩大類：
①沾汙離子或原子通過吸附分散附著在矽片表面。②帶正電的金屬離子得到電子後面附著（尤如「電鍍」）到矽片表面。
金屬離子沾汙的清楚方法如下：
①用h2o2作強氧化劑，使「電鍍」附著到矽表面的金屬離子氧化成金屬，溶解在清洗液中或吸附在矽片表面。
②用無害的小直徑強正離子（如h+），一般用hcl作為h+的**，替代吸附在矽片表面的金屬離子，使其溶解於清洗液中，從而清除金屬離子。
③用大量去離子水進行超聲波清洗，以排除溶液中的金屬離子。
由於sc-1是h2o2和nh4oh的鹼性溶液，通過h2o2的強氧化和nh4oh的溶解作用，使有機物沾汙變成水溶性化合物，隨去離子水的沖洗而被排除；同時溶液具有強氧化性和絡合性，能氧化cr、cu、zn、ag、ni、co、ca、fe、mg等，使其變成**離子，然後進一步與鹼作用，生成可溶性絡合物而隨去離子水的沖洗而被去除。因此用sc-1液清洗拋光片既能去除有機沾汙，亦能去除某些金屬沾汙。在使用sc-1液時結合使用兆聲波來清洗可獲得更好的清洗效果。
另外sc-2是h2o2和hcl的酸性溶液，具有極強的氧化性和絡合性，能與氧化以前的金屬作用生成鹽隨去離子水沖洗而被去除。被氧化的金屬離子與cl-作用生成的可溶性絡合物亦隨去離子水沖洗而被去除。
太陽能電池片製作工藝流程如圖2所示。
圖2 晶體矽太陽能電池片製作工藝流程
具體的製作工藝說明
（1）切片：採用多線切割，將矽棒切割成正方形的矽片。
（2） 清洗：用常規的矽片清洗方法清洗，然後用酸（或鹼）溶液將矽片表面切割損傷層除去30－50um。
（3）製備絨面：用鹼溶液對矽片進行各向異性腐蝕在矽片表面製備絨面。
（4）磷擴散：採用塗佈源（或液態源，或固態氮化磷片狀源）進行擴散，製成pn＋結，結深一般為0.3－0.5um。
（5）周邊刻蝕：擴散時在矽片周邊表面形成的擴散層，會使電池上下電極短路，用掩蔽濕法腐蝕或等離子乾法腐蝕去除周邊擴散層。
（6）去除背面pn＋結。常用濕法腐蝕或磨片法除去背面pn＋結。
（7）製作上下電極：用真空蒸鍍、化學鍍鎳或鋁漿印刷燒結等工藝。先製作下電極，然後製作上電極。鋁漿印刷是大量採用的工藝方法。
（8）製作減反射膜：為了減少入反射損失，要在矽片表面上覆蓋一層減反射膜。製作減反射膜的材料有mgf2 ，sio2 ，al2o3 ，sio ，si3n4 ，tio2 ，ta2o5等。
工藝方法可用真空鍍膜法、離子鍍膜法，濺射法、印刷法、pecvd法或噴塗法等。
（9）燒結：將電池晶元燒結於鎳或銅的底板上。
（10）測試分檔：按規定引數規範，測試分類。
生產電池片的工藝比較複雜，一般要經過矽片檢測、表面制絨、擴散制結、去磷矽玻璃、等離子刻蝕、鍍減反射膜、絲網印刷、快速燒結和檢測分裝等主要步驟。這裡介紹的是晶矽太陽能電池片生產的一般工藝與裝置。
1、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引數進行**測量，這些引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。該組裝置分自動上下料、矽片傳輸、系統整合部分和四個檢測模組。
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引數；微裂紋檢測模組用來檢測矽片的內部微裂紋；另外還有兩個檢測模組，其中乙個**測試模組主要測試矽片體電阻率和矽片型別，另乙個模組用於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，並自動剔除破損矽片。矽片檢測裝置能夠自動裝片和卸片，並且能夠將不合格品放到固定位置，從而提高檢測精度和效率。
2、表面制絨
單晶矽絨面的製備是利用矽的各向異性腐蝕，在每平方厘公尺矽表面形成幾百萬個四面方錐體也即金字塔結構。由於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鹼性溶液，可用的鹼有氫氧化鈉，氫氧化鉀、氫氧化鋰和乙二胺等。
大多使用廉價的濃度約為1%的氫氧化鈉稀溶液來製備絨面矽，腐蝕溫度為70-85℃。為了獲得均勻的絨面，還應在溶液中酌量新增醇類如乙醇和異丙醇等作為絡合劑，以加快矽的腐蝕。製備絨面前，矽片須先進行初步表面腐蝕，用鹼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，以防沾汙，應盡快擴散制結。
3、擴散制結
太陽能電池需要乙個大面積的pn結以實現光能到電能的轉換，而擴散爐即為製造太陽能電池pn結的專用裝置。管式擴散爐主要由石英舟的上**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態源作為擴散源。
把p型矽片放在管式擴散爐的石英容器內，在850---900攝氏度高溫下使用氮氣將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，並且通過矽原子之間的空隙向矽片內部滲透擴散，形成了n型半導體和p型半導體的交介面，也就是pn結。這種方法製出的pn結均勻性好,方塊電阻的不均勻性小於百分之十,少子壽命可大於10ms。
製造pn結是太陽電池生產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，用導線將電流引出，就是直流電。
4、去磷矽玻璃
該工藝用於太陽能電池片生產製造過程中，通過化學腐蝕法也即把矽片放在氫氟酸溶液中浸泡，使其產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。
去磷矽玻璃的裝置一般由本體、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。
5、等離子刻蝕
由於在擴散過程中，即使採用背靠背擴散，矽片的所有表面包括邊緣都將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著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。
通常採用等離子刻蝕技術完成這一工藝。等離子刻蝕是在低壓狀態下，反應氣體cf4的母體分子在射頻功率的激發下，產生電離並形成等離子體。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，還能吸收能量並形成大量的活性基團。
活性反應基團由於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，並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。
6、鍍減反射膜
拋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。現在工業生產中常採用pecvd裝置製備減反射膜。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，樣品置於低氣壓下輝光放電的陰極上，利用輝光放電使樣品公升溫到預定的溫度，然後通入適量的反應氣體sih4和nh3，氣體經一系列化學反應和等離子體反應，在樣品表面形成固態薄膜即氮化矽薄膜。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。
利用薄膜干涉原理，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。
7、絲網印刷
太陽電池經過制絨、擴散及pecvd等工序後，已經製成pn結，可以在光照下產生電流，為了將產生的電流匯出，需要在電池表面上製作正、負兩個電極。製造電極的方法很多，而絲網印刷是目前製作太陽電池電極最普遍的一種生產工藝。絲網印刷是採用壓印的方式將預定的圖形印刷在基板上，該裝置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。
由於漿料的粘性作用使印跡固著在一定範圍內，印刷中刮板始終與絲網印版和基片呈線性接觸，接觸線隨刮刀移動而移動，從而完成印刷行程。
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