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1、太阳能电池生产工艺及关键设备目 录1 硅棒与硅锭铸造工艺及主要设备11.1 硅棒铸造工艺及主要设备21.1.1工艺流程21.1.2 工艺简介21.1.3 主要设备介绍31.2 硅锭铸造工艺及主要设备41.2.1 工艺流程41.2.2 工艺简介41.2.3 主要设备介绍42 硅片生产工艺及主要设备52.1工艺流程52.2 工艺简介52.3 主要设备介绍52.3.1 切方机52.3.2 多线切割机53、电池片生产工艺及主要设备63.1工艺流程63.2 工艺简介63.3 主要设备介绍73.3.1 清洗制绒设备73.3.2 扩散炉73.3.3 等离子刻蚀机83.3.4 PECVD83.3.5 丝网印刷
2、机83.3.6 烧结炉94 组件生产工艺及主要设备94.1工艺流程94.2工艺简介94.3 主要设备介绍104.3.1层压机104.3.2 太阳能电池分选仪104.3.3 组件测试仪111 硅棒与硅锭铸造工艺及主要设备在硅锭和硅棒的制备中存在两种不同的技术路线，即多晶铸造和直拉单晶，两种生长技术相比，各有优劣。直拉单晶棒中C杂质非常少，且基本无位错存在，所以制得的优质电池片最终转换效率在17%-23%之间。但由于一炉只能拉取一根硅棒，产量有限，能耗非常高，且圆形硅棒需要切除四个圆弧边才能继续使用。同时直拉单晶过程的自动化程度不高，晶棒的质量在很大程度上有赖于操作工的技能。由于坩埚和晶棒在这个拉
3、制过程中处于旋转状态，强迫对流使得杂质和缺陷出现径向分布，极易引起氧诱导推垛层错环（OSF）和空隙或空位团的漩涡缺陷，这些因素会让单晶片质量直线下降。同时由于坩埚的原因，单晶棒中氧杂质的控制非常困难，使得单晶电池片的衰减非常厉害，影响使用寿命。多晶铸造一次成锭16-36块，随着技术的发展该单锭所包含的块数也会随之增加，能耗也较之直拉单晶降低很多。且多晶铸造可以实现大规模全自动化的生产过程，极大减少了人力成本，且降低了误操作带来的风险。但是多晶在晶核生成阶段有很大的随机性，这就使得硅晶粒之间的边界形成各种各样的“扭折”，使位错的簇或线形式的结构缺陷成核。这些位错缺陷往往吸引硅中的杂质，并最终造成
4、了多晶硅制成的光伏电池片中电荷载流子的快速复合，降低电池的转换效率。目前多晶硅制得的电池片转换效率16%-18%之间。以下将对两种不同的制造工艺进行介绍：1.1 硅棒铸造工艺及主要设备1.1.1工艺流程装料与熔料熔接引细颈放肩转肩等径生长收尾1.1.2 工艺简介装料与熔料：将多晶硅料投入单晶炉中，加热使其溶化。熔接：当硅料全部熔化后，调整加热功率以控制熔体的温度。按工艺要求调整气体的流量、压力、坩埚位置、晶转、埚转。硅料全部熔化后熔体必须有一定的稳定时间达到熔体温度和熔体的流动的稳定。装料量越大，则所需时间越长。待熔体稳定后，降下籽晶至离液面35mm距离，使粒晶预热，以减少籽晶与熔硅的温度差，
5、从而减少籽晶与熔硅接触时在籽晶中产生的热应力。预热后，下降籽晶至熔体的表面，让它们充分接触，这一过程称为熔接。在熔接过程中熔硅表面的温度适当，避免籽晶熔断（温度过高）或长出多晶（温度过低）。引细颈：虽然籽晶都是采用无位错硅单晶制备的，但是当籽晶插入熔体时，由于受到籽晶与熔硅的温度差所造成的热应力和表面张力的作用会产生位错。因此，在熔接之后应用引细颈工艺，可以使位错消失，建立起无位错生长状态。在籽晶能承受晶锭重量的前提下，细颈应尽可能细长，一般直径之比应达到1：10。放肩：引细颈阶段完成后必须将直径放大到目标直径，当细颈生长至足够长度，并且达到一定的提拉速率，即可降低拉速进行放肩。目前的拉晶工艺
6、几乎都采用平放肩工艺，即肩部夹角接近180，这种方法降低了晶锭头部的原料损失。转肩：晶体生长从直径放大阶段转到等径生长阶段时，需要进行转肩，当放肩直径接近预定目标时，提高拉速，晶体逐渐进入等径生长。为保持液面位置不变，转肩时或转肩后应开始启动埚升，一般以适当的埚升并使之随晶升变化。放肩时，直径增大很快，几乎不出现弯月面光环，转肩过程中，弯月面光环渐渐出现，宽度增大，亮度变大，拉晶操作人员应能根据弯月面光环的宽度和亮度，准确地判断直径的变化，并及时调整拉速，保证转肩平滑，晶体直径均匀并达到目标值。等径生长：当晶体基本实现等径生长并达到目标直径时，就可实行直径的自动控制。在等径生长阶段，不仅要控制
7、好晶体的直径，更为重要的是保持晶体的无位错生长。收尾：收尾的作用是防止位错反延。在拉晶过程中，当无位错生长状态中断或拉晶完成而使晶体突然脱离液面时，已经生长的无位错晶体受到热冲击，其热应力往往超过硅的临界应力。这时会产生位错，并将反延至其温度尚处于范性形变最低温度的晶体中去，形成位错排，星形结构。一般来说，位错反延的距离大约等于生长界面的直径。因此，在拉晶结束时，应逐步缩小晶体的直径直至最后缩小成为一点，这一过程称为收尾。收尾可通过提高拉速，也可通过升高温度的方法来实现，更多的是将两种方法结合起来，收尾时应控制好收尾的速度，以防晶体过早地脱离液面。目前先进的单晶炉可以实现从引晶到收尾的整个过程
8、。1.1.3 主要设备介绍单晶炉单晶炉是一种在惰性气体环境中,用石墨加热器将多晶硅等多晶材料熔化,用直拉法生长无错位单晶的设备。单晶炉市场国产化率已达到95%以上，国内厂家主要有晶龙集团、北京京运通、西安理工、上海汉虹、常州江南和天龙光电等。据业内估计，2011年，中国单晶炉的市场容量在3000台左右。 相关参数：国内现在主流的单晶炉炉产量为60120kg，拉晶时间为4050小时，月产1214炉，年产能为1.52MW，成品率为80%左右。单晶炉生产出来的硅棒直径一般为200mm。价格：一般90kg为8090万元。1.2 硅锭铸造工艺及主要设备1.2.1 工艺流程预热熔化长晶退火冷却1.2.2
9、工艺简介预热阶段：对坩埚中硅料进行缓慢加热，预热前要抽真空，预热过程是在真空条件下进行的。熔化阶段：在氩气的环境中使硅料充分融化为液态，为下一步凝固长晶做好准备。长晶阶段：坩埚中的熔融硅料自下而上，缓慢的进入冷场中，完成凝固长晶。由于保温层的提升速度可自由控制，因此长晶速度可自由控制，缓慢进入冷场中，完成凝固长晶。退火阶段：防止降温过快对已长晶完成的硅锭造成的不良影响。冷却阶段：硅锭自然降温，为出炉做好准备。硅料投入多晶硅铸锭炉后经过预热、熔化、长晶、退火、冷却五个步骤后凝固成具有固定形状的硅锭。1.2.3 主要设备介绍多晶硅铸锭炉多晶硅铸锭炉主要用于太阳能级多晶硅锭的大生产，是多晶硅铸锭的必
10、需设备。它采用先进的多晶硅定向凝固技术,将硅料高温熔融后通过特殊工艺定向冷凝结晶,从而达到太阳能电池生产用多晶硅品质的要求，是一种适用于长时间连续工作，高精度、高可靠性、自动化程度高的智能化大生产设备。近年来多晶硅铸锭设备的制造取得了长足的进步，国内设备企业精功科技、京运通、晶盛机电的设备在市场上销售业绩成绩斐然，逐步夺回了由美国GT SOLAR和德国ALD 占据多年的国内市场。相关参数：国内现在主流的多晶炉投炉量为450550kg，铸锭时间在5565小时，月产1012炉，年产能为68MW，成品率为68%左右。铸锭炉生产出来的硅锭的底面积一般为840mm*840mm（主流）。价格：一般500k
11、g的设备国产价格为270300万元，进口价格为320350万元。一般50MW的单晶生产线设备成本为20002500万元；多晶生产线，设备成本在16002100万元。2 硅片生产工艺及主要设备 2.1工艺流程硅锭（硅棒）切块（切方）倒角抛光粘胶切片脱胶清洗分选检验包装2.2 工艺简介切块或切方：将硅锭或者硅棒切成适合切片的尺寸，一般硅锭切成25块（主流）。倒角抛光：将晶柱的圆面棱角研磨成符合要求的尺寸，对表面进行抛光处理，从而获得高度平坦的晶片。粘胶：用粘附剂把晶柱固定在由铝板和玻璃板组成的夹具上，自然硬化或用恒温炉使其硬化。切片：把晶柱切割成硅片，切割的深度要达到夹具上的玻璃板，以便在之后的程
12、序中把硅片和玻璃分开。脱胶清洗：用清水清洗切成的硅片，在用热水浸泡，使硅片与玻璃板分开。分选检验包装：抽样检查厚度、尺寸、抗阻值等指标，全部检查破损、裂痕、边缘缺口，挑选出符合要求的硅片进行包装。2.3 主要设备介绍2.3.1 切方机切方机是用来对硅棒、硅锭进行切割的设备。该设备目前在国内已实现规模化生产，上海日进、大连连城、北京京仪世纪等公司都有成熟的产品投入市场。一条50MW的硅片生产线需要配1台切方机即可，国产设备价格在280万左右。2.3.2 多线切割机多线切割机是目前市场上用于切片最主流，也是最先进的设备。它的基本原理是通过一根高速运动的钢线带动附着在钢丝上的切割刃料对硅棒进行摩擦，
13、从而将硅棒等硬脆材料一次同时切割为数千片薄片的一种切割加工方法。多线切割由于其更高效、更小切割损失以及更高精度的优势，对于切割贵重、超硬材料有着巨大的优势，近十年来已取代传统的内圆切割成为硅片切割加工的主要方式。在光伏行业切片领域，到2009年底国内市场基本被瑞士的HCT、Meyer Burger(梅耶博格)和日本的NTC所统治。近年来国内设备厂家上海日进、上海汉虹、电子集团45所、兰州瑞德、无锡开源、大连连城、北京京联发、湖南宇晶等也陆续推出了多线切割机样机。从样机来看，技术原理和设计主要都是借鉴了日本的NTC MWM442D机型的很多理念，样机基本属于小型机。国内开发的多线切割机样机都面临
14、着类似的问题，成品率低、断线率高、控制精度差等。加上硅料价格高昂，客户尝试新机器的成本非常高，每次的损失可能动辄几万甚至几十万，这也限制了设备制造企业很难获得更多的生产性实验数据来改进设备。硅片的厚度对硅片成本的影响很大，如今市场上的硅片以180um和200um为主导，同时各企业正在不停地探索更薄硅片的切割工艺。目前国内小部分企业硅片的硅耗量已经达到5.8g/w。一条50MW的硅片生产线需要配置57台（单晶生产线所需切割机比多晶少）多线切割机，每台价格在200400万元左右，国外同类产品的价格在500600万元。据估算，一条50MW的硅片生产线，设备总成本大概在20003000万元。3、电池片
15、生产工艺及主要设备3.1工艺流程硅片检测清洗制绒扩散制结去磷硅玻璃等离子蚀刻镀减反射膜丝网印刷烘干烧结测试分选3.2 工艺简介硅片检测：该工序主要用来对硅片的一些技术参数进行在线测量，这些参数包括硅片表面不平整度、少子寿命、电阻率、P/N型和微裂纹等。 清洗制绒：通过硅的各向异性腐蚀，在每平方厘米硅表面形成几百万个金字塔结构。由于入射光在表面的多次反射和折射，增加光的吸收，提高电池短路电流和转换效率。制备绒面前，硅片须先进行初步表面腐蚀，用碱性或酸性腐蚀液去约2025um,在腐蚀绒面后，进行一般的化学清洗。经过表面准备的硅片都不宜在水中久存，以防沾污，应尽快扩散制结。扩散制结：形成PN结实现光能到电能的转换。扩散炉为制备太阳能电池PN结的专用设备。管式扩散炉主要由石英舟上下载部分、废气室、炉体部分和气柜部分四部分组成。扩散一般用三氯氧磷液态源作为扩散源。去磷硅玻璃：通过化学腐蚀法将硅片放在氢氟酸溶液中浸泡，使其产生化学反应生成可溶性的络合物六氟硅酸，以去除扩散制结后在硅片表面形成的一层磷硅玻璃。等离子刻蚀：由于在扩散过程中，即使采用背靠背扩散，硅片的所有表面包括边缘都不可避
