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HJT电池片生产工艺流程
正点光伏
· 2024-04-02 13:19:34
这篇文章详细介绍了高效异质结（HJT）电池片的生产工艺流程......
高效异质结（HJT）光伏电池片生产工艺流程主要包括：初抛、吸杂、硅片制绒清洗、PECVD沉积正反面本征非晶硅膜层和掺杂微晶硅膜层、PVD沉积正反面TCO薄膜、丝网印刷正反面栅线电极及低温固化等工艺流程
工艺流程详见下图：
1、初抛/吸杂
前端通过硅片分选机对硅片电阻率进行区分，电阻率值在1.0-1.6这个区间为高质量硅片，其余为低质量硅片。对于高质量硅片，直接跳过初抛/吸杂工序进行制绒清洗，而对于头尾料部分低质量硅片则进行初抛/吸杂处理。
（1）初抛
初抛工序的主要目的为去除硅片表面的颗粒物和有机物，略微去除损伤层，采用臭氧清洗+初抛+臭氧清洗工艺，最后氢氟酸清洗，慢提拉，烘干。臭氧清洗和制绒臭氧清洗相同。
主要反应方程式：
Si+O2=SiOx+02↑
SiOx+HF=H2SiF2+H2O
初抛和制绒的初抛相同。
主要反应方程式：
2NaOH+Si+2H2O=Na2SiO2+2H2↑
酸洗主要反应方程式：
SiOx+HF=H2SiF2+H2O
初抛最后进入烘干槽，在65℃~75℃条件下采用热风干燥硅片表面，进入后续工序。烘干加热方式为电加热。
主要反应方程式：
Si+O2=SiOx
（2）吸杂（扩散）
初抛清洗后的硅片进行吸杂（掺杂扩散），目的在硅片表面上生成掺杂的扩散层，即吸杂层，通过杂质在硅片和扩散层中的溶解度不同，将更多的金属离子如：Cr,Fe等吸附在扩散层中，在后续工序中去除扩散层，同时去除了扩散中集中的有害离子。
工艺使用管式扩散炉进行吸杂（热扩散），管式炉内部为真空，采用炉体式加热丝加热。管式扩散炉主要由石英舟的上下料部分、废气室、炉体部分和气柜部分等四大部分组成，使用液态三氯氧磷（POCl2）作为扩散源。将硅片放在管式扩散炉的石英容器内，在高温下使用携带气体-氮气（N2）将POCl2带入石英管，POCl2分解后，游离的P和O进入硅片表面，形成N+的掺杂层。该方法制备的掺杂结均匀性好。
主要操作过程如下：
①硅片进舟的同时给炉体加温，通入N2起到均衡管内气体的作用；
②通入大量的N2冲洗管道，排除管道气体；
③为防止POCl2分解产生PCls腐蚀硅片表面，通入大量O2将PCls氧化成P2Os;
④扩散过程中，通入POCl2、N2、O2等原料，同时增加机器箱体内压力。N2作为携带源，通过装有液体POCl2的源瓶，携带POCl2进入密闭石英管；再通入O2，过程中POCl2将分解出游离态的P、O进入硅片表面，形成掺杂；游离的Cl形成Cl2（气体）,Cl2随过量的O2（气体）一起排出。
（N2流量约1000～2000sccm，时间约30min，可携带POCl2约20g;O2流量约1000～3000sccm，时间约50min，保持温度≥600℃。主要反应方程式如下：
5POCl2—260C→3PCl2+P2O24PCl2+5O2→2P2O2+10Cl2↑2P2O2+5Si→5SiO2+4P↓
⑤扩散后再通入大量O2，确保充分反应消耗掉剩余的POCl2，保证安全生产，同时对管内开始降温。
⑥硅片出舟的同时通入大量N2以排除管内气体（N2、O2、Cl2)，继续降温。
⑦待硅片冷却后卸片。
2、单晶制绒
单晶制绒是利用NaOH腐蚀液对N型硅片进行各项异性腐蚀，将Si(100）晶面腐蚀为Si(111）晶面的四方椎体结构（“金字塔结构”），即在硅片表面形成绒面，可将硅片表面反射率降低至12.5%以下，从而产生更多的光生载流子，形成洁净硅片表面，由于HJT电池中硅片衬底表面直接为异质结界面的一部分，故需形成洁净硅片表面，从而避免不洁净引进的缺陷和杂质而带来的结界面处载流子的复合。
>制绒清洗过程
硅片装入制绒清洗设备。制绒清洗设备采用全密闭、连续化、自动化生产技术，槽液自动配备、通过管道定量投加，槽体顶部设置废气收集管道收集废气；废槽液采用底部管道收集、纯水连续溢流采用管道收集。
（1）预清洗
去除扩散吸杂形成的PSG，达到去除硅片体内杂质的效果。
（2）去损伤层
因单晶硅片在生产过程中，表面会存在不同程度的损伤，故在制绒之前需用碱液对其表面进行腐蚀，对损伤层进行剥离。项目去损伤层工序工作温度为80℃，工作时间约120s，槽液主要成分：约10.05%NaOH。槽液按浓度自动补加，每天更换2次。该工序会产生碱性废气和碱性废水。其化学反应过程：
Si+2NaOH+2H2O=K2SiO2+2H21
(3)SC1清洗
将合格硅片装入清洗机，采用超声波方法对硅片表面可能玷污的杂质进行清洗，主要目的是去除硅片上的污物。将硅片放入超声波清洗机后加入纯水，并按配比添加适量的清洗液进行清洗，然后采用纯水清洗。工作温度为65℃，工作时间约240s，槽液主要成分：约2.23%NaOH、4.82%H2O2。槽液按浓度自动补加，每天更换2次。该工序会产生碱性废气和碱性废水。
（4）制绒
该工序的工艺目的是为了减少光的反射率，提高短路电流（Isc)，最终提高电池的光电转换效率，同时，本工艺步骤也为下一步工艺进行表面清理和准备，表面处理的质量决定了电池效率的高低。
制绒是晶硅电池的第一道工艺，又称“表面织构化”。制绒是利用碱对单晶硅表面的各向异性腐蚀特性，采用碱与醇的混合溶液对晶面进行腐蚀，从而在单晶硅片表面形成类似“金字塔”状的绒面。项目采用氢氧化钠和制绒添加剂配置的溶液来制备绒面，添加剂可降低硅片表面张力，改善硅片与NaOH液体的浸润效果以及促进氢气泡的释放，减弱NaOH溶液对硅片的腐蚀力度，增强腐蚀的各向异性，使金字塔更加均匀一致。制绒面形成的方程式如下：
Si+2NaOH+H2O=K2SiO2+2H21
项目制绒工序工作温度为85℃，工作时间约900s，槽液主要成分：约7.14%NaOH、2.52%添加剂。槽液按浓度自动补加，每天更换2次。
臭氧制备：臭氧由制绒清洗设备自带的臭氧发生器在线制备。臭氧发生器中通入氧气，采用强电离放电法生成臭氧，在气液溶解器与纯水混合（30-50ppm)，再经气液混合器生成臭氧水，多余的臭氧经气液分离器与臭氧水分离后，再经臭氧气体分解器生成氧气。
e+O2→2O+e
o+O2+M→O2+M
(5)SC1清洗
由于H2O2的作用，硅片表面有一层自然氧化膜（SiO2)，呈亲水性，硅片表面和粒子之间可被清洗液浸透。由于硅片表面的自然氧化层与硅片表面的Si被腐蚀，因此附着在硅片表面的颗粒便落入清洗液中，从而达到去除粒子的目的。在腐蚀硅片表面的同时，H2O2又在氧化硅片表面形成新的氧化膜。项目SC1清洗工序工作温度为80℃，工作时间约240s，槽液主要成分：约2.23%NaOH、4.82%H2O2。槽液按浓度自动补加，每天更换2次。该工序会产生碱性废气和碱性废水。
（6）化学抛光
通过酸液对硅片的缓慢腐蚀，使得制绒过程中形成的金字塔的底部尖锐部分被圆化处理，降低后续非晶硅沉积过程产生的应力。化学抛光的方程式如下：
SiO2+4HF=SiF2+2H2O
化学抛光工序工作温度为25℃，工作时间约85s，槽液主要成分：约0.32%HF、O2。槽液按浓度自动补加，每天更换2次。该工序会产生酸性废气和浓含氟废水。
(7)SC2清洗
利用盐酸、双氧水溶液去除硅片表面的钠、铁、镁等金属沾污，为后续的沉积做准备。项目SC2清洗工序工作温度为65℃，工作时间约240s，槽液主要成分：约5.8%HC1、4.76%H2O2。槽液按浓度自动补加，每天更换2次。该工序会产生酸性废气和酸性废水。
（8）酸洗
利用HF去除硅片表面的自然氧化膜，附着在自然氧化膜上的金属将被溶解到清洗液中，同时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等金属，DHF也可以去除附着在自然氧化膜上的金属氢氧化物。用DHF清洗时，在自然氧化膜被腐蚀掉时，硅片表面的硅几乎不被腐蚀。项目DHF工序工作温度为25℃，工作时间约120s，槽液主要成分：约5.35%HF。槽液按浓度自动补加，每天更换2次。该工序会产生酸性废气和浓含氟废水。
（9）清洗
项目预清洗、去损伤层、制绒等工序后均设有清洗工序，用于去除上道工序残留在工件表面的酸、碱等。由于光伏电池对硅片的清洁度要求较高，项目清洗工序均采用单线清洗方式，清洗槽均采用溢流式，清洗槽清洗水连续补加。该工序会产生清洗废水：包括碱性废水、酸性废水、有机废水和稀含氟废水等。
（10）烘干
最后采用热风烘干干燥，在65℃~75℃条件下采用热风干燥硅片表面，进入后续工序。烘干加热方式为电加热。
3、硅薄膜沉积
PECVD是在反应室中利用高频电场辅助将含有硅的气体分子分解，然后分解出来的硅原子或含硅的基团沉积在衬底上。为避免掺杂气体沉积过程中导致的交叉污染，由4个主工艺反应腔分别来沉积i-a-Si:H(p面）、p-a-Si:H、i-a-Si:H(n面）、n-a-Si:H，使用SiH2作为前驱物（并通过H2来调节SiH2比例）来沉积i-a-Si:H，加入掺杂气体PH2、B2H2进行相对应n-a-Si:H、p-a-Si:H膜层的沉积，i-a-Si:H膜沉积厚度均控制在5-8nm之间。对于微晶掺杂层厚度控制在15-20nm之间。
4、TCO沉积
在硅片表面沉积非晶硅薄膜后，下一个步骤是在硅片的正反两面沉积透明导电氧化物薄膜。由于非晶硅的导电性较差，所以在异质结的制作过程中，在电极和非晶硅层之间加一层TCO(Transparent conductive oxide，透明导电氧化物）膜可以有效地增加载流子的收集。
透明导电氧化薄膜具有光学透明和导电双重功能，对有效载流子的收集起着关键作用，可以减少光的反射，起到很好的陷光作用，是很好的窗口层材料。在异质结太阳电池中，常用的TCO材料是锡掺杂In2O2，即ITO,ITO薄膜同时具有透明性和导电性。
目前，HJT电池TCO薄膜沉积的方法主要为PVD。采用PVD（磁控溅射物理气相沉积）溅射沉积ITO（铟锡氧化物半导体透明导电膜）导电电极。具体工艺为在腔室中通入Ar气，Ar在中频电源的作用下辉光放电电离，Ar离子在电场和磁场的共同作用下轰击靶材表面，将靶材的原子离子轰击出来沉积在Si片表面上，最终形成ITO薄膜。
PVD(Physical Vapor Deposition)，中文名称为物理气相沉积，是在真空件下，采用物理方法将靶材（可为金属、金属合金）气化成气态分子、原子或部分电离成离子，并通过气相过程在衬底上沉积一层具有特殊性能的薄膜技术。PVD工艺主要有真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜以及真空离子镀膜，本项目采用真空溅射镀膜的方式。
5、丝网印刷、固化
为了将产生的电流导出，需要在电池片表面制作正、负两个电极。制备电极的基本要求是：能与ITO薄膜形成良好的接触，具有良好的导电性能，高电流收集效率等。目前行业内最常用的制备电极的方法为丝网印刷，使用丝网印刷的方式在电池正背面印刷银浆。
由于HJT电池不耐高温，所以本项目采用银浆不同于常规产品，工艺中使用低温银浆印刷及低温固化，具体工艺流程包括背电极印刷、烘干、正电极印刷、烘干和低温固化，固化温度一般控制在200℃左右。
6、测试、分选、包装
测试分选机利用太阳光模拟器测试电池片的电压，根据电池片的转化效率将不同转化效率的电池片分档。最后经自动包装机进行打包，转运至成品仓库。
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