HJT電池片生產工藝流程

                    正點光伏 · 2024-04-02 13:19:34

                    這篇文章詳細介紹了高效異質結(HJT)電池片的生產工藝流程......

                    高效異質結(HJT)光伏電池片生產工藝流程主要包括:初拋、吸雜、硅片制絨清洗、PECVD沉積正反面本征非晶硅膜層和摻雜微晶硅膜層、PVD沉積正反面TCO薄膜、絲網印刷正反面柵線電極及低溫固化等工藝流程

                    工藝流程詳見下圖:

                    1、初拋/吸雜

                    前端通過硅片分選機對硅片電阻率進行區分,電阻率值在1.0-1.6這個區間為高質量硅片,其余為低質量硅片。對于高質量硅片,直接跳過初拋/吸雜工序進行制絨清洗,而對于頭尾料部分低質量硅片則進行初拋/吸雜處理。

                    (1)初拋

                    初拋工序的主要目的為去除硅片表面的顆粒物和有機物,略微去除損傷層,采用臭氧清洗+初拋+臭氧清洗工藝,最后氫氟酸清洗,慢提拉,烘干。臭氧清洗和制絨臭氧清洗相同。

                    主要反應方程式:

                    Si+O2=SiOx+02

                    SiOx+HF=H2SiF2+H2O

                    初拋和制絨的初拋相同。

                    主要反應方程式:

                    2NaOH+Si+2H2O=Na2SiO2+2H2

                    酸洗主要反應方程式:

                    SiOx+HF=H2SiF2+H2O

                    初拋最后進入烘干槽,在65℃~75℃條件下采用熱風干燥硅片表面,進入后續工序。烘干加熱方式為電加熱。

                    主要反應方程式:

                    Si+O2=SiOx

                    (2)吸雜(擴散)

                    初拋清洗后的硅片進行吸雜(摻雜擴散),目的在硅片表面上生成摻雜的擴散層,即吸雜層,通過雜質在硅片和擴散層中的溶解度不同,將更多的金屬離子如:Cr,Fe等吸附在擴散層中,在后續工序中去除擴散層,同時去除了擴散中集中的有害離子。

                    工藝使用管式擴散爐進行吸雜(熱擴散),管式爐內部為真空,采用爐體式加熱絲加熱。管式擴散爐主要由石英舟的上下料部分、廢氣室、爐體部分和氣柜部分等四大部分組成,使用液態三氯氧磷(POCl2)作為擴散源。將硅片放在管式擴散爐的石英容器內,在高溫下使用攜帶氣體-氮氣(N2)將POCl2帶入石英管,POCl2分解后,游離的P和O進入硅片表面,形成N+的摻雜層。該方法制備的摻雜結均勻性好。


                    主要操作過程如下:

                    ①硅片進舟的同時給爐體加溫,通入N2起到均衡管內氣體的作用;

                    ②通入大量的N2沖洗管道,排除管道氣體;

                    ③為防止POCl2分解產生PCls腐蝕硅片表面,通入大量O2將PCls氧化成P2Os;

                    ④擴散過程中,通入POCl2、N2、O2等原料,同時增加機器箱體內壓力。N2作為攜帶源,通過裝有液體POCl2的源瓶,攜帶POCl2進入密閉石英管;再通入O2,過程中POCl2將分解出游離態的P、O進入硅片表面,形成摻雜;游離的Cl形成Cl2(氣體),Cl2隨過量的O2(氣體)一起排出。

                    (N2流量約1000~2000sccm,時間約30min,可攜帶POCl2約20g;O2流量約1000~3000sccm,時間約50min,保持溫度≥600℃。主要反應方程式如下:


                    5POCl2—260C→3PCl2+P2O24PCl2+5O2→2P2O2+10Cl2↑2P2O2+5Si→5SiO2+4P↓

                    ⑤擴散后再通入大量O2,確保充分反應消耗掉剩余的POCl2,保證安全生產,同時對管內開始降溫。

                    ⑥硅片出舟的同時通入大量N2以排除管內氣體(N2、O2、Cl2),繼續降溫。

                    ⑦待硅片冷卻后卸片。

                    2、單晶制絨

                    單晶制絨是利用NaOH腐蝕液對N型硅片進行各項異性腐蝕,將Si(100)晶面腐蝕為Si(111)晶面的四方椎體結構(“金字塔結構”),即在硅片表面形成絨面,可將硅片表面反射率降低至12.5%以下,從而產生更多的光生載流子,形成潔凈硅片表面,由于HJT電池中硅片襯底表面直接為異質結界面的一部分,故需形成潔凈硅片表面,從而避免不潔凈引進的缺陷和雜質而帶來的結界面處載流子的復合。

                    >制絨清洗過程

                    硅片裝入制絨清洗設備。制絨清洗設備采用全密閉、連續化、自動化生產技術,槽液自動配備、通過管道定量投加,槽體頂部設置廢氣收集管道收集廢氣;廢槽液采用底部管道收集、純水連續溢流采用管道收集。

                    (1)預清洗

                    去除擴散吸雜形成的PSG,達到去除硅片體內雜質的效果。

                    (2)去損傷層

                    因單晶硅片在生產過程中,表面會存在不同程度的損傷,故在制絨之前需用堿液對其表面進行腐蝕,對損傷層進行剝離。項目去損傷層工序工作溫度為80℃,工作時間約120s,槽液主要成分:約10.05%NaOH。槽液按濃度自動補加,每天更換2次。該工序會產生堿性廢氣和堿性廢水。其化學反應過程:

                    Si+2NaOH+2H2O=K2SiO2+2H21

                    (3)SC1清洗

                    將合格硅片裝入清洗機,采用超聲波方法對硅片表面可能玷污的雜質進行清洗,主要目的是去除硅片上的污物。將硅片放入超聲波清洗機后加入純水,并按配比添加適量的清洗液進行清洗,然后采用純水清洗。工作溫度為65℃,工作時間約240s,槽液主要成分:約2.23%NaOH、4.82%H2O2。槽液按濃度自動補加,每天更換2次。該工序會產生堿性廢氣和堿性廢水。

                    (4)制絨

                    該工序的工藝目的是為了減少光的反射率,提高短路電流(Isc),最終提高電池的光電轉換效率,同時,本工藝步驟也為下一步工藝進行表面清理和準備,表面處理的質量決定了電池效率的高低。

                    制絨是晶硅電池的第一道工藝,又稱“表面織構化”。制絨是利用堿對單晶硅表面的各向異性腐蝕特性,采用堿與醇的混合溶液對晶面進行腐蝕,從而在單晶硅片表面形成類似“金字塔”狀的絨面。項目采用氫氧化鈉和制絨添加劑配置的溶液來制備絨面,添加劑可降低硅片表面張力,改善硅片與NaOH液體的浸潤效果以及促進氫氣泡的釋放,減弱NaOH溶液對硅片的腐蝕力度,增強腐蝕的各向異性,使金字塔更加均勻一致。制絨面形成的方程式如下:

                    Si+2NaOH+H2O=K2SiO2+2H21

                    項目制絨工序工作溫度為85℃,工作時間約900s,槽液主要成分:約7.14%NaOH、2.52%添加劑。槽液按濃度自動補加,每天更換2次。

                    臭氧制備:臭氧由制絨清洗設備自帶的臭氧發生器在線制備。臭氧發生器中通入氧氣,采用強電離放電法生成臭氧,在氣液溶解器與純水混合(30-50ppm),再經氣液混合器生成臭氧水,多余的臭氧經氣液分離器與臭氧水分離后,再經臭氧氣體分解器生成氧氣。

                    e+O2→2O+e

                    o+O2+M→O2+M

                    (5)SC1清洗

                    由于H2O2的作用,硅片表面有一層自然氧化膜(SiO2),呈親水性,硅片表面和粒子之間可被清洗液浸透。由于硅片表面的自然氧化層與硅片表面的Si被腐蝕,因此附著在硅片表面的顆粒便落入清洗液中,從而達到去除粒子的目的。在腐蝕硅片表面的同時,H2O2又在氧化硅片表面形成新的氧化膜。項目SC1清洗工序工作溫度為80℃,工作時間約240s,槽液主要成分:約2.23%NaOH、4.82%H2O2。槽液按濃度自動補加,每天更換2次。該工序會產生堿性廢氣和堿性廢水。

                    (6)化學拋光

                    通過酸液對硅片的緩慢腐蝕,使得制絨過程中形成的金字塔的底部尖銳部分被圓化處理,降低后續非晶硅沉積過程產生的應力?;瘜W拋光的方程式如下:

                    SiO2+4HF=SiF2+2H2O

                    化學拋光工序工作溫度為25℃,工作時間約85s,槽液主要成分:約0.32%HF、O2。槽液按濃度自動補加,每天更換2次。該工序會產生酸性廢氣和濃含氟廢水。

                    (7)SC2清洗

                    利用鹽酸、雙氧水溶液去除硅片表面的鈉、鐵、鎂等金屬沾污,為后續的沉積做準備。項目SC2清洗工序工作溫度為65℃,工作時間約240s,槽液主要成分:約5.8%HC1、4.76%H2O2。槽液按濃度自動補加,每天更換2次。該工序會產生酸性廢氣和酸性廢水。

                    (8)酸洗

                    利用HF去除硅片表面的自然氧化膜,附著在自然氧化膜上的金屬將被溶解到清洗液中,同時DHF抑制了氧化膜的形成,因此可以很容易地去除硅片表面

                    的Al、Fe、Zn等金屬,DHF也可以去除附著在自然氧化膜上的金屬氫氧化物。用DHF清洗時,在自然氧化膜被腐蝕掉時,硅片表面的硅幾乎不被腐蝕。項目DHF工序工作溫度為25℃,工作時間約120s,槽液主要成分:約5.35%HF。槽液按濃度自動補加,每天更換2次。該工序會產生酸性廢氣和濃含氟廢水。

                    (9)清洗

                    項目預清洗、去損傷層、制絨等工序后均設有清洗工序,用于去除上道工序殘留在工件表面的酸、堿等。由于光伏電池對硅片的清潔度要求較高,項目清洗工序均采用單線清洗方式,清洗槽均采用溢流式,清洗槽清洗水連續補加。該工序會產生清洗廢水:包括堿性廢水、酸性廢水、有機廢水和稀含氟廢水等。

                    (10)烘干

                    最后采用熱風烘干干燥,在65℃~75℃條件下采用熱風干燥硅片表面,進入后續工序。烘干加熱方式為電加熱。

                    3、硅薄膜沉積

                    PECVD是在反應室中利用高頻電場輔助將含有硅的氣體分子分解,然后分解出來的硅原子或含硅的基團沉積在襯底上。為避免摻雜氣體沉積過程中導致的交叉污染,由4個主工藝反應腔分別來沉積i-a-Si:H(p面)、p-a-Si:H、i-a-Si:H(n面)、n-a-Si:H,使用SiH2作為前驅物(并通過H2來調節SiH2比例)來沉積i-a-Si:H,加入摻雜氣體PH2、B2H2進行相對應n-a-Si:H、p-a-Si:H膜層的沉積,i-a-Si:H膜沉積厚度均控制在5-8nm之間。對于微晶摻雜層厚度控制在15-20nm之間。

                    4、TCO沉積

                    在硅片表面沉積非晶硅薄膜后,下一個步驟是在硅片的正反兩面沉積透明導電氧化物薄膜。由于非晶硅的導電性較差,所以在異質結的制作過程中,在電極和非晶硅層之間加一層TCO(Transparent conductive oxide,透明導電氧化物)膜可以有效地增加載流子的收集。

                    透明導電氧化薄膜具有光學透明和導電雙重功能,對有效載流子的收集起著關鍵作用,可以減少光的反射,起到很好的陷光作用,是很好的窗口層材料。在異質結太陽電池中,常用的TCO材料是錫摻雜In2O2,即ITO,ITO薄膜同時具有透明性和導電性。

                    目前,HJT電池TCO薄膜沉積的方法主要為PVD。采用PVD(磁控濺射物理氣相沉積)濺射沉積ITO(銦錫氧化物半導體透明導電膜)導電電極。具體工藝為在腔室中通入Ar氣,Ar在中頻電源的作用下輝光放電電離,Ar離子在電場和磁場的共同作用下轟擊靶材表面,將靶材的原子離子轟擊出來沉積在Si片表面上,最終形成ITO薄膜。

                    PVD(Physical Vapor Deposition),中文名稱為物理氣相沉積,是在真空件下,采用物理方法將靶材(可為金屬、金屬合金)氣化成氣態分子、原子或部分電離成離子,并通過氣相過程在襯底上沉積一層具有特殊性能的薄膜技術。PVD工藝主要有真空蒸發鍍膜、真空濺射鍍膜以及真空離子鍍膜,本項目采用真空濺射鍍膜的方式。

                    5、絲網印刷、固化

                    為了將產生的電流導出,需要在電池片表面制作正、負兩個電極。制備電極的基本要求是:能與ITO薄膜形成良好的接觸,具有良好的導電性能,高電流收集效率等。目前行業內最常用的制備電極的方法為絲網印刷,使用絲網印刷的方式在電池正背面印刷銀漿。

                    由于HJT電池不耐高溫,所以本項目采用銀漿不同于常規產品,工藝中使用低溫銀漿印刷及低溫固化,具體工藝流程包括背電極印刷、烘干、正電極印刷、烘干和低溫固化,固化溫度一般控制在200℃左右。

                    6、測試、分選、包裝

                    測試分選機利用太陽光模擬器測試電池片的電壓,根據電池片的轉化效率將不同轉化效率的電池片分檔。最后經自動包裝機進行打包,轉運至成品倉庫。

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