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太阳电池及生产线相关问题. 主要内容. 一、 光伏产业简介 二、 半导体车间的基本知识 三、 丝网印刷电池简介 四、 电池工艺简介. 一、光伏产业简介. 1.1. 太阳能发电的概念 太阳电池发电： 把照射到光伏电池上的光直接变换成电能输出的光伏发电是太阳能电池发电。 光感应发电： 光感应发电是利用某些有机高分子团，吸收太阳的光能后变成“光极化偶极子”的现象，正负电荷引出。 光化学发电 ：光化学发电是指浸泡溶液中电极，受到光照后电极上有电流输出的现象。 液结光化电池 光电解电池 光催化电池.
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主要内容 一、光伏产业简介 二、半导体车间的基本知识 三、丝网印刷电池简介 四、电池工艺简介
一、光伏产业简介 1.1.太阳能发电的概念 • 太阳电池发电：把照射到光伏电池上的光直接变换成电能输出的光伏发电是太阳能电池发电。 • 光感应发电：光感应发电是利用某些有机高分子团，吸收太阳的光能后变成“光极化偶极子”的现象，正负电荷引出。 • 光化学发电 ：光化学发电是指浸泡溶液中电极，受到光照后电极上有电流输出的现象。 • 液结光化电池 • 光电解电池 • 光催化电池
光生物发电：通常是指“叶绿素电池”，叶绿素在光照作用下能产生电流。这种有低成本。高效率的优点，但也有较严重的光老化等问题需要解决。光生物发电：通常是指“叶绿素电池”，叶绿素在光照作用下能产生电流。这种有低成本。高效率的优点，但也有较严重的光老化等问题需要解决。 1.2.太阳能光伏发电的主要优缺点 • 太阳能发电的主要优点 • 一次投资，收益永恒。 • 结构简单，体积小且轻。 • 易安装，易运输，建设周期短。 • 容易起动，维修简便，随时使用，保证供应。 • 清洁，安全，无噪音。 • 可靠性高，寿命长 。 • 范围广。 • 降价速度快，能量偿还时间有可能缩短。
太阳能光伏发电的主要缺点： • 能量分散，占地面积大 。 • 间歇性大 。 • 区域性强 。 1.3.太阳能光伏发电的发展历史和现状 • 太阳能电池发展的历史 • 1839年，法国物理学家A.E，贝克勒尔（A.E,Bequral）发现金属浸入溶液 的“光生伏打效应” • 1883年，有人在半导体硒和金属接触处发现了固体光伏效应。 • 1954年恰宾（charbin）等人在美国贝尔实验室第一次做出了光电转换效率为6％的实用的单晶硅太阳电池。
1973年，第一次石油危机促进了光伏产业及太阳电池研究的快速发展。1973年，第一次石油危机促进了光伏产业及太阳电池研究的快速发展。 • 九十年代以后，一次能源危机更加明显，以现在消耗能源的速度，石油用50年，煤能80年，天然气能100年。另外，一次能源产生的大量废物，严重污染人类的生存环境。能源和环境问题促进了太阳能电池以前所未有的速度发展。 • 新能源技术、生物技术、信息技术、新材料技术、空间技术、海洋技术等6大技术一道成为21世纪的现代高新技术之一。 光伏产业出现了前所未有的机遇。
太阳能发展的现状 • 80年代以来，即使是在世界经济从总体上处于衰退和低谷的时期，光伏发电技术也一直保持着10%—15%的递增速度在发展。 • 90年代后期，发展更为迅速，成为全球增长最快的高新技术产业之一。 • 1997年世界太阳电池组件的总产量达到122兆瓦，2000年的产量为280MW。截止到2004年底，全世界光伏组件的总占有量已超过1400兆瓦。 • 主要表现形式： • 光伏产量增长率持续走高。 • 生产规模不断扩大，光伏产业向百兆瓦级规模和更高技术发展。 • 新技术不断出现，电池效率持续攀升，成本明显降低。
1.4.太阳能电池的简介 • 太阳能电池的分类
高效地面太阳电池简介： • 埋栅电池 这种电池先在硅片表面用激光或机械刻槽，然后通过电镀镍、铜或银填充这些槽（～20μm）制备电极。电池采用了选择性发射极概念，并在无金属正表面区进行了很好的表面钝化，这些设计使得埋栅电池比丝网印刷电池的效率提高不少。（平均17-18％） 。
PERL（钝化发射极和背面局部扩散） /LBSF（局部背场）电池主要特点是磷扩散并被热氧化钝化的选择性发射极，极少的正表面的金属化部分（～1％），背面局部扩散（局部BSF）基础上的点接触（金属化部分～1％）及非接触背面的热氧化钝化。当用抛光硅片时，这种电池的VOC可达到717mV。当在硅片上制作绒面后，PERL电池的效率可高达24.7％。 • PERL或LBSF电池
这种电池的特点是两种电极都在背部（‘插指’电极），减小了受光表面的遮光损失，背接触电池整个背面都重扩散硼或磷，大部分重扩散背面被热氧化钝化，氧化层上留有小孔方便金属与n++或p++的接触，因此这种电池又叫点接触电池。薄（～150μm）n型高阻FZ硅聚光电池在聚光条件下（100×, AM 1.5D, 25℃）的效率可达26％，掺杂浓度为~1016 cm-3（n型或p型）的FZ硅，其1个电池的效率也可达到22.7％。 • 背接触聚光电池
双面电池的结构示意图如下图所示。电池的两个表面（例如，磷扩散的正表面和无扩散的p型背面）都被氮化硅钝化，这种电池的正面效率可达20.1%，背面效率可达18.1%。 • 双面电池
MIS反层电池 MIS-IL硅太阳能电池的发射极可在低温下得到（＜500℃），金属接触是通过Al/SiOx/p-Si MIS隧道接触，在金属栅线之间是SiNx/Cs/SiOx表面钝化和减反射复合膜。用FZ硅制备的这种电池1太阳电池效率可达18.5%。
将n型1Ωcm CZ硅片背面制备a-Si BSF，正面制备a-Si/c-Si异质结，1太阳效率可达到20.0%，这种电池结构就是所谓的HIT电池（本征薄层的异质结）。HIT电池的结是在200℃低温下制备的，a-Si BSF的有效SRV低于50cm s-1。 • 异质结非晶硅电池
15PVSEC上出现了一种新型电池，这种电池不需将硅材料拉制成硅片，熔熔后直接制备成电池，减少了电池的制作成本。 • 硅粒太阳能电池
二、半导体车间的基本知识 2.1.技术人员应该注意的问题 • 职责 • 对设计文件进行工艺审查并对审查质量负责； • 按设计文件的要求和有关标准编写工艺文件，并对其适用性负责； • 熟悉工艺规范要求及有关设备操作方法； • 负责分析并处理有关工艺质量问题。 • 填写工艺记录要求 • 工艺人员完成工艺操作后要认真、及时填写工艺记录，做到记录内容详细、真实、完整、书写工整、数据准确。
工艺记录应包括基本内容 • 工艺记录一般包括工艺台帐和工艺串联本（工艺卡），不同器件、不同工序对工艺记录的具体内容会有不同要求，但都应包括以下基本内容：接片时间、接片数量、接片时的质量检查（互检）、本工艺内容、工艺条件、工艺结果（质量自检）、交片数量、交片时间、操作员签字、若工艺中出现异常情况应登记在备注栏。关键工序要有专检员签字。 2.2.半导体生产环境及其影响因素 • 生产中的污染 • 化学药剂不纯、气体纯化不良、去离子质量引起的污染。 • 尘埃、杂质及有害气体、工作人员、设备、工具、日用杂品等引入的尘埃、毛发、皮屑、油脂、手汗、烟雾都是重要的污染。
操作人员（不同的工作服）不同行动发尘量参考量操作人员（不同的工作服）不同行动发尘量参考量
洁净区工作人员注意事项 • 合适的生产环境可以提高产品的性能水平，成品率，可靠性质量和生产效率。 • 进入洁净区要先穿戴好专用净化工作服、鞋、帽。 • 进入洁净区前先在风淋室风淋30秒，然后才能入内。 • 每周洗工作服，洗澡、理发、剪指甲，不用化妆品。 • 与工作无关的纸张、书报等杂物不得带入。 • 严禁在净化区做会造成粉末的活，工作中少走动。 • 进入净化区的设备、试剂、气瓶等所有物品都要经严格清洁处理后才可进入。 • 每天上班先清扫、擦洗设备，下班前清理好工作现场。
2.3.关于化学品的一些知识： • 毒性（共分4、3、2、1、0五级） • 4级——表示只要接触到一点点就可以致死的剧毒气体或蒸气。 • 3级——表示短期接触即能引起一系列暂时性中毒症状或留下后遗症的剧毒物质。 • 2级——对健康有害，但只引起暂时性的中毒或不适的物质。 • 1级——仅微毒，只引起刺激症状的物质。 • 0级——即使暴露在着火条件下，除了易燃危险外无毒作用的物质。
易燃性（共分4、3、2、1、0五级） • 4级——是指极易燃烧的气体，易挥发燃烧的液体，在空气中易形成尘状或雾状的爆炸性混合物。 • 3级——在常温下可以燃烧的液体物质，此类物质由于物料闪点低，用水灭火可能无效。包括粉尘等在常温下能自燃的固体物。 • 2级——指经缓缓加热能燃烧的液体或受热能放出易燃蒸气的固体。 • 1级——此类物质须经预热才能燃着。 • 0级——指不燃物质。
易爆性（共分4、3、2、1、0五级） • 4级——指容易起爆或在常温常压下容易猛烈分解或反应而发生爆炸的物质。 • 3级——指自身虽然能起爆或猛烈分解，但灵敏度不很大的物质，须由其他灵敏度大的物质引起起爆的强烈震动或在密闭空间内受热，才能引起爆炸的物质。 • 2级——虽然不稳定，容易起化学反应，但不会发生爆炸的物质。 • 1级——指物质本身稳定，但在高温高压下能引起分解，或遇水能发生反应，但不十分猛烈的物质。 • 0级——在常温或火场高温下都是稳定的，遇水也不起作用的物质。
三.丝网印刷电池简介： 3.1.丝网印刷电池结构 丝网印刷工艺是将金属浆料通过网板印制在电池表面，在～750℃下烧制几分钟制成电极，这种方法易操作、效率较高、成本低。然而，它需要在硅表面进行非常重的掺杂（≥1021 cm-3）和非常厚的n+发射极（≥0.4μm），重掺杂易在硅片表面形成了一个死层，很大程度上减小了电池的蓝光响应。另外，丝网印刷工艺很难在工业水平上得到宽度小于150μm的栅线，其所引起的遮光损失（～10％）限制了电池的效率。
3.2.丝网印刷电池工艺 太阳电池工艺流程简图
世界上比较流行的25MW电池生产线分布图 及工艺控制步骤 注：QC：质量控制（Quality Control），包括缺陷和损伤检测、坏片的去除、核查工艺； PC：工艺控制（Process Control），包括测试工艺后参数、标明级别、控制工艺； CT：分档（Classification Tools），包括定性材料/电池质量、分类产品（投料和成 品）、分档。
四.电池工艺简介 4.1.来料检验 • 电学参数 • 化学纯度 • 晶体学参数 • 几何尺寸 4.1.1.电学参数 • 电阻率 • 导电类型 • 载流子浓度 • 迁移率 • 少数载流子寿命 • 电阻率均匀性
电阻率 σ：材料电导率 n：载流子浓度，单位为cm-3 e：电子的电荷，单位为C（库仑） μ：载流子的迁移率，单位为cm2/V·s ρ：材料电阻率，单位为Ω·cm
25 ℃掺杂浓度CB与电阻率ρ的关系 从图中可以看出，当=10×15cm-3时，n型硅和p型硅在25℃下的电阻率分别为5.0Ω·cm和14.0Ω·cm。
P型半导体 • 当半导体中掺有受主杂质硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）时，主要靠受主提供空穴导电，这种依靠空穴导电的半导体叫做P型半导体。 • 少子寿命及其测量方法 • 少子：当半导体掺杂后，其导电必定是以一种载流子为主（电子或空穴）。载流子注入后，产生非平衡载流子与导电类型相反的载流子叫少子，实际上往往是非平衡少数载流子起着重要的作用。 • 少子寿命：通过光注入实验发现，光照停止后，少子并不是立即消失，而是按指数规律减少，即他们在导带和价带中有一定的生存时间，有的长些，有的短些。这叫少子寿命，一般用τ表示。
少子寿命的测试：少子寿命的测量方法有表面光电压法（SPV）、微波光电导衰减法（μ-PCD）、高频光电导衰减法（PCD）、直流光电导衰减法、准稳态光电导衰减法、微波反射光电导衰减法等，通过这些原理制备的仪器称为少子寿命测试仪。 4.1.2.化学纯度 化学纯度是指材料的本底纯度。碳、氧及其它杂质含量，一般用二次离子质谱(SIMS)测试。 4.1.3.晶体学参数：晶体学参数有晶向、位错密度。 • 晶面和晶向 • 晶面
硅半导体结构的晶胞一般是立方体结构，只有一个晶格常数（即为a）。硅半导体结构的晶胞一般是立方体结构，只有一个晶格常数（即为a）。 可取晶胞的相邻三个边作为坐标轴，然后找出欲标记的晶面与各坐标轴的截距r、s、t。求出各截距的倒数，简化成最简整数比h:k:l，h、k、l即为该晶面的密勒指数，则该晶面记为（h k l）面。
例如对于前表面，其坐标轴截距分别为1、∞、∞，则h:k:l=1:0:0，该面成为（100）面。如果变换坐标系，其他五个表面都可表示为（100）面，我们把这种性质上等效的所有面成为{100}面。例如对于前表面，其坐标轴截距分别为1、∞、∞，则h:k:l=1:0:0，该面成为（100）面。如果变换坐标系，其他五个表面都可表示为（100）面，我们把这种性质上等效的所有面成为{100}面。
同理，所有如下图所示的面分别称为{110}和{111}面。 • 晶向：晶体中由原子链构成的所谓晶向，可用该晶向上某一点在各坐标轴上的投影（并化成最简整数比）来确定。如果晶面和晶向指数相同，晶向和晶面垂直。
晶体缺陷：如果在晶体中的一些区域，原子周期性地排列遭到破坏，我们称这种破坏为晶体缺陷。晶体缺陷：如果在晶体中的一些区域，原子周期性地排列遭到破坏，我们称这种破坏为晶体缺陷。 • 点缺陷：如空位、间隙原子、反位缺陷、替位缺陷和由它们构成的复合体。 • 线缺陷：呈线状排列，如位错就是这种缺陷。 • 面缺陷：呈面状，如晶界、堆垛层错、相界等层错就是这种缺陷。 • 体缺陷：如空洞、夹杂物、杂质沉淀物等。 • 微缺陷：几何尺寸在微米级或更小，如点缺陷聚集物、微沉淀物等。 4.1.4.几何尺寸： 包括直径、晶片的厚度、弯曲度、翘曲 度、平行度和抛光片的平坦度等。
4.2.硅片清洗 4.2.1.绒面的研究概述 有效的绒面结构有助于提高太阳能电池性能，主要体现在短路电流（ISC）的提高。 • 单晶硅绒面 倒金字塔结构 金字塔结构 工业上大部分采用NaOH或KOH、异丙醇（IPA）或乙醇和水的混合溶液制备绒面。
最近，也有研究者采用碳酸钠（Na2CO3）、碳酸钾（K2CO3）、12水磷酸钠（Na3PO4.12H2O）或醋酸钠（CH3COONa）制备单晶硅绒面。最近，也有研究者采用碳酸钠（Na2CO3）、碳酸钾（K2CO3）、12水磷酸钠（Na3PO4.12H2O）或醋酸钠（CH3COONa）制备单晶硅绒面。 • 多晶硅绒面 多晶硅表面的晶向结构是随意分布的，为了得到均一的绒面结构，人们采用机械刻槽、等离子刻蚀、电火花刻蚀、激光束刻蚀、酸液腐蚀等技术制备多晶硅绒面。 • 酸液腐蚀法 • HF和HNO3为基础的水溶液体系。酸对硅的腐蚀速度与晶粒取向无关，因此酸腐蚀又称为各向同性腐蚀。
一般在酸中加入醋酸（CH3COOH），一方面，起到缓和反应的作用；另一方面，很好的润湿硅表面，促进反应 。 • 加入水代替醋酸照样能在硅表面形成很均匀的腐蚀坑。这样既降低了成本，又起到了调节反应剂浓度的作用。 • H3PO4(85%)加入到HF-HNO3体系中来腐蚀多晶硅。 • 用酸蒸汽腐蚀硅片的方法，酸蒸汽腐蚀硅片最大的优点是反应速度下降了。 • 酸腐蚀可制备多孔硅结构（PS），多孔硅有很好的陷光作用和钝化作用。 • 也可通过在表面沉积一层诸如氧化物，氮化物或高分子之类有孔的保护层进行掩膜腐蚀。
反应离子刻蚀（RIE） • 用Cl2为反应气体的无掩膜反应离子刻蚀法，并制备出了17.1％的大面积（225cm2）多晶硅太阳能电池。 • SF6/O2为反应气体的金属催化反应离子刻蚀。 • 研究者还用金属材料做掩膜剂制备出均匀性更好的多晶硅绒面。 • 也有用平板印刷法以SiO2胶为掩膜进行反应离子刻蚀。 • 其他方法： • 用放电加工方法（EDM）制备多晶硅绒面，没有减反射膜的情况下，多晶硅绒面的积分反射率小于20％，最后制得的电池也有较好的效率。
碱液腐蚀后硅片表面 切割后硅片表面 酸液腐蚀后硅片表面 RIE腐蚀后硅片表面
不同制绒方法制得多晶硅绒面的反射率都有较大的降低。沉积SiN膜后，不同绒面硅片之间的差距减小了，硅片封好后，不同制绒方法之间的差别进一步减小了。 EDM绒面图
4.2.2.清洗基本知识 • 硅片表面污染 • 有机物沾污：包括切、磨、抛工艺中的润滑油脂；石蜡、松香等粘合剂；手指分泌的油脂及光刻胶、有机溶剂的残留物等。 • 金属离子、氧化物及其他无机物质：包括腐蚀液中重金属杂质离子的残留；各种磨料中的氧化物或金属离子；使用的容器、镊子、水中金属离子的沾污；各种气体、人体汗液等引入的杂质离子。 • 其他可溶性杂质。 • 水质 • 纯水质量对半导体芯片的性能、质量、成品率有极大的影响。
年 代 项 目 超纯水水质指标的变化
