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1、太阳电池生产中的工艺控制点 概要 太阳电池性能分类检测过程中的关注点丝网印刷中的基本考虑烧结对电池性能的影响硅片边缘等离子体刻蚀过程及控制钝化减反膜的作用和要求扩散工艺及控制要点制绒要求及有关考虑 太阳电池性能分类检测过程中的关注点 1 太阳电池的结构 R r1 r2 r2 t S 1 cm t 200um125 125 r2 0 13m 156 156 r2 0 085m 2 太阳电池的等效电路 I IL I0 exp e V IRS kT 1 V IRS RSHISC IL 1 RS RSH 负载匹配 3 I V曲线和P V曲线 RS 0 005 RSH 10 IL 34 5mA cm2
2、16 85 FF 78 6 Voc 623mV ISC 5 23A 4 并联电阻对I V曲线的影响 RSH 10 RSH 1 RSH 0 5 RS 0 005 5 串联电阻对I V曲线的影响 RS 5m RS 15m RS 30m RSH 10 6 烧穿和烧结不足时的I V曲线 RSH 10 RS 0 005 RSH 10 RS 0 2 RSH 0 1 RS 0 005 极端情况 烧穿 短路电流低 开路电压降低很大烧结不足 短路电流低 开路电压不变 7 温度对电池性能的影响 RS 0 005 RSH 10 丝网印刷中的基本考虑 1银浆的印刷 在大规模商业化生产中 可靠的银次栅线的最小宽度需在1
3、50微米左右 一般来说 对于可靠和可重复的印刷 栅线的宽度很难小于丝网线直径的四倍 这主要是由生产环境中需要多次重复使用同时又必须提供足够强度的丝网的网线直径所决定的 对于很细的栅线的印刷可以通过使用腐蚀有印刷线图案的不锈钢片来代替丝网 开口线条处留有桥架加固 但这类网板很昂贵因而在生产中很少使用 由于一方面要保证线宽尽可能地窄 而另一方面又要保证线条的横截面达到一定的数值 因此用于银栅线印刷的丝网板的乳胶层的厚度非常关键 实验证明 只有当栅线的高度达到20微米左右时才能实现 但要注意 经过高温烧结 20微米高的银栅线会收缩到一半左右 另外 丝网印刷后经过高温烧结的银栅线的电导特性会比常规银材
4、料差3倍左右 银浆料与扩散有磷的硅的金属接触是太阳电池制作中的一个关键步骤并对电池的最终性能具有至关重要的影响 2铝浆的印刷 利用丝网印刷到硅片背面的铝浆的厚度控制是非常重要的 如果太薄 所有铝浆均会在后续的烧结过程中 温度高于577 C 与硅形成熔融区域而被消耗 而该合金区域无论从横向电导率还是从可焊性方面均不适合于作为背面金属接触 相反 如果太厚 一方面浪费浆料 同时还会导致其不能在进高温区之前充分干燥 或许更坏的情形是不能将其中的所有有机物全部赶出从而不能将整个铝浆层转变为金属铝 丝网版的设计对厚度控制非常重要 丝网密度和网线直径对浆料穿过丝网的难易程度有直接影响 作为决定印刷图案的模版
5、是通过涂在网版上下两面的乳胶层来实现的 单层乳胶的厚度可以从1微米到超过30微米 更厚的要求通常是利用多层乳胶制备的 因此 影响所印铝浆的厚度的因素包括 丝网密度 网线直径 乳胶层厚度 印刷头压力 印刷速度以及浆料的黏性 网版上表面的乳胶层厚度不需要很厚 但下表面乳胶层需要与要印刷的浆料一样厚 下表面乳胶层可防止印刷过程中印刷头将网线挤压过度而太靠近硅片表面 通常 铝浆层的厚度需要至少在20微米 如乳胶层厚度太大 很难将浆料挤压穿过网版而到达硅片表面 除非浆料很稀或印刷头压力非常大 但这些极端情况一般不采用 印刷头压力要足够大以将所期望的浆料数量挤过网版 但压力太高会导致网版及印刷头表面磨损
6、至于印刷速度太慢会影响产能 而太快又不能挤压足够的浆料穿过网版 对于挤压一定量的浆料 通常是速度越快 所需的压力越高 浆料黏性太高 挤压足够的浆料穿过网版所需的压力就会很大 而黏性太低 因浆料流动性太大印刷出的线条难以保持所设计的截面 在全面积铝背场的印刷中 印刷头压力选择尤其重要 过高的压力会导致硅片中心区域印得太薄 因为在这种情况下 只是硅片的边缘有乳胶层 硅片中心区域网版要距离硅片近得多 过低的压力又不能挤压足够的浆料穿过网版 因而印得太薄 银栅线的烧穿 烧结对电池性能的影响 相比于铝浆的烧结 银浆的烧结要重要得多 其对电池片性能的影响主要表现在串联电阻 因而也表现在填充因子上 从尺度上
7、讲 磷扩散的深度远小于1微米 而栅线至少是120微米宽 在烧结过程中 银会被驱入到掺磷的硅里 因而会减低银硅合金区域下的扩磷硅层的横向导电率 如果银被驱赶得太深 因银硅合金区域很高的电阻率而使得其所在位置的PN结所收集到的电子几乎不能直接穿过该银硅合金区域 这就使得作为金属电极的银栅线对电子的收集只集中在栅线的边沿区域 而相比于银栅线与硅的总接触面积来说 边沿区域的接触面积只占大约1 由于银具有较高的功函数 银与硅的接触时很难实现欧姆接触 这个问题可以通过高浓度的磷扩散以防止银与N 型硅之间形成Schottky势垒从而实现欧姆接触 然而 遗憾的是 最浓的磷扩散区域靠近硅片的表面 因此 如果银被
8、驱赶得太深 一方面会使得高导电性的磷扩散区域被封闭 另一方面还会使得银与磷掺杂浓度较低的硅区域接触而形成Schottky势垒从而接触电阻很高 因此 理想情况是在烧结中银被驱赶到硅中的深度尽可能地浅 但温度要足够高以实现从银浆到银金属的转变 而同时又使得银能够与硅充分地形成合金以获得必要的机械附着强度和确保SCHOTTKY势垒的去除 温度过高的烧结会将银驱入到PN结区或PN结区以外的P型区域 当扩散不均应时 这种现象要特别引起关注 由于银本身的功函数较高 不会导致因穿过结区与P型硅衬底形成欧姆接触而短路 但是 会因为银浆料中的杂质扩散到结区耗尽层而使载流子复合大为提高 从而降低其性能 总之 磷扩
9、散工序有任何变化 就要重新优化银烧结条件 顺便提到 介电膜如氮化硅等的采用 使以上要求更为保障 一方面 使得机械附着得到保障 同时 死层效应 降低 当然 介电膜的厚度均匀性和成份均匀性要控制好 2银栅线的电阻检测 经过高温烧结后 可以通过测量沿单根栅线的电压降来检验由于银栅线的电阻造成的损失 方法是 将电池放置在模拟太阳光下 使电池两极处于短路状态以确保有最大电流通过栅线 利用万用电表测量主栅线与各次栅线靠电池边缘之间的电压降 这段距离通常为3厘米左右 对于银栅线质量比较好的情况 所测得的电压降可以低于20mV 而对于银栅线质量比较差的情况 所测得的电压降可以高达100mV 比起正常的情况来说
10、 沿栅线较高的电阻损失会使其最大工作点电压从500mV降到400 450mV 填充因子下降10 20 3背面铝浆料的干燥 烘干过程的目的是使浆料中的溶剂和稀释剂得到去除 在高温烧结过程中 任何残留的溶剂和稀释剂会导致浆料往外迸发形成鼓包 另一方面 一定厚度的背面氧化铝层是必需的 以使熔化的铝和铝 硅保持在其位置上 可见 含氧气氛是必要的 铝表面氧化不充分会导致熔化的铝和硅穿过氧化铝层而在电池背面形成铝珠 干燥后 在烧结过程中印刷浆料里的铝与硅形成硅 铝合金 并有一部分铝粉颗粒熔化而在硅片背面形成一层金属铝 烧结过程不能太短以保证硅 铝合金的形成 也不能太长而消耗掉所有的铝 铝在硅中是作为P型掺
11、杂的 硅片背表面掺铝形成所谓的铝背场 可以减少金属与硅交界处的少子复合 降低暗饱和电流 从而提高开路电压和增加短路电流 特别是改善对红外光线的响应 经过高温烧结后 将电池放置在模拟太阳光下 利用万用电表依此测量背面与正面各对应位置之间的电压 正常情况下 除靠近边缘区域电压稍微低一些以外 其它各点电压应比较均匀 但是 如果某些区域点的电压比其周围区域的电压低得太多 可以断定该区域存在铝等金属污染 4烧结后正面结可能铝污染的检测 硅片边缘等离子刻蚀过程及控制 由于在扩散过程中 即使采用硅片的背对背扩散 硅片的所有表面 包括正反面和边缘 都将不可避免地扩散上磷 PN结的正面所收集到的光生电子会沿着边
12、缘扩散有磷的区域流到PN结的背面 而造成短路 该短路通道等效于降低并联电阻 因此要制得性能好的太阳电池 需要将该短路通道去除 redge RSH IL ID RS Reff RSHredge RSH redge 通常采用等离子体刻蚀法将硅片边缘扩散有磷的区域去除 方法是将一定数量的硅片整齐地叠放在一起 并将上下最两端的硅片加以保护 然后将这些叠放在一起的硅片置于刻蚀腔内 经抽真空并引入适当的工作气体后 施加一定的射频能量 即可在叠放在一起的硅片周围产生等离子体 射频波能量被反应气体吸收后将气体分子离化而产生有活性的离子或自由基 这些离子或自由基通过与硅片边缘的硅原子的不断反应而将硅原子带走 即
13、实现刻蚀 在等离子体刻蚀工艺中 关键的工艺参量是射频功率和刻蚀时间 如功率太高 等离子体中离子的能量较高而会对硅片边缘造成较大的轰击损伤 导致边缘区域的电性能变差从而使电池的性能下降 因此 人们通常倾向于采用功率相对较低而时间相对较长的刻蚀工艺 当然 另一方面 等离子体刻蚀过程中 载能离子也会对硅片边缘附近的正反表面区域造成影响 刻蚀过程越长 这种影响越严重 因此 在生产过程中 等离子体刻蚀的功率大小和刻蚀时间长短的选取是一种折衷考虑 较高能量的离子轰击对边缘区域造成的损伤会对边缘区域所收集到的载流子有一定程度的减少 因而会导致短路电流稍微降低 其最大后果是会使器件的理想因子 n 增加 因为在
14、结区 耗尽区 造成的损伤会使得结区复合增加 从而表现在理想因子的增加 对于较低的等离子功率 需要较长的刻蚀时间 如果刻蚀不足 电池的并联电阻会下降 对这种情况需要增加功率或延长刻蚀时间 如果刻蚀时间长到足以对电池片的正反面造成损伤 由于这不可避免地会造成损伤延伸到正面结区 因而也会使理想因子 n 增加 如果刻蚀时间过长 会因损伤区域的高复合而使得开路电压和短路电流降低 等离子功率太低会使等离子体不稳定和分布不均匀 从而造成某些区域刻蚀过度而某些区域刻蚀不足 导致并联电阻下降 开路电压的分布测量是检验该问题的有效方法 如边缘刻蚀不足 则接近边缘区域时 开路电压会降低很大 甚至低到200mV 而正
15、常情况下 该下降应比较小 钝化减反膜的作用和要求 表面平整的硅片在很宽的波长范围 400 1050nm 内对入射光的反射均高于30 该反射可以通过表面绒面来降低 但是 一方面 金字塔绒面只能在特定取向 接近100晶向 的硅片上实现 减反的效果只能低到接近10 另一方面 对于不适合于绒面制备的硅片 因其它考虑要求平表面硅片的电池或为了进一步降低反射 需要在硅片表面制备一层或多层介质膜 介质膜的种类及制备方法有多种 比如真空加热沉积 化学气相沉积 丝网印刷 溅射 电子束蒸发 离心甩胶甚至喷镀等等 考虑到介质膜的质量及生产成本 最常用的减反介质膜是氮化硅和二氧化钛 前者主要采用化学气相沉积 而后者主
16、要采用喷镀 化学气相沉积和丝网印刷 太阳电池制作中对于介质膜的要求是 折射率为1 9 2 1 我们注意到 若选择适当的介质层厚度和折射率可以将某一特定波长的入射光反射降低到零 然而 太阳光的光谱范围包含许多各种不同的波长 零反射条件的选择只能针对某一波长 其它波长的光的反射会随与此特定波长的偏离的增大而增加 因此 减反介质层的设计要根据太阳光波长的分布特征和硅材料的吸收特点而作总体考虑 基于这些考虑 对于折射率为1 9 2 1的介质层 厚度为80nm左右 这也是为什么生产出来的太阳电池看起来是蓝色的 因为较短波长的光比较长波长的光的反射要多 当然 在实验室一般可以采用多层减反膜以使入射太阳光中多个波长光的反射均降为零 在这种情况下 太阳电池看起来是黑色或深绿色的 通常在大规模生产中 由于成本的考虑 只采用一层减反膜 原则上 减反介质膜可以在生产过程中的不同阶段制备 以前 人们为了避免因为制备的减反膜需要耐高温以及减小由此导致的污染 通常将减反介质膜的制备安排在生产过程中的最后一步 然而 这种安排的问题是需要将金属栅线上用于焊接区域的减反介质膜去除以便封装过程中的焊接 近年来 由于所选择
