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大產能管式PECVD在晶硅太陽電池中的應用
發布時間:2017-08-03

摘要:PECVD是一種低溫淀積薄膜的設備,在晶硅太陽電池的實際生產中具有十分重要且廣泛的應用。在所有可選擇的設備類型中,管式PECVD受到眾多廠商的青睞。本文重點介紹了光伏行業當前迅猛發展和激烈競爭的情況下,提高管式PECVD的產能具有極其重要的需求和意義;另外本文也指出,擴大產能的同時還需保證良好的工藝性能,特別是淀積質量的均勻性


關鍵詞:管式PECVD,大產能,均勻性


1 引言

太陽能電池是解決日益嚴峻的能源及環境問題的重要選項,而晶硅電池由于其在成本、效率等多方面的優勢,在整個光伏產業中始終占據舉足輕重的市場份額。經過多年的研究和發展,人們已經認識到光管理(Light management)和鈍化(Passivating)是提高晶硅電池效率的有效途徑。一般而言,光管理主要是對電池受光面的處理,包括表面織構化及增加減反射層,從而極大地提高對入射太陽光的吸收; 鈍化則是在電池前后表面淀積某些介電材料,以減少表面缺陷所導致的少子復合。

在晶硅電池的實際生產過程中,減反射膜和(或)鈍化膜的制備普遍采用PECVD來實現。例如,對于在晶硅電池產業中占主導地位的鋁背場P型電池,N型發射極表面(受光面)均利用PECVD淀積SiNxH,可同時起減反射和鈍化作用;對于目前正在崛起的PERC電池,AlOx/SiNx疊層被認為具有更佳的背鈍化效果[1],而這兩層薄膜均可用PECVD制備。


2 管式PECVD的應用及發展

所謂PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition),即等離子體增強化學氣相沉積,是一種以低溫淀積薄膜而著稱的方法或設備,工藝溫度通常只需在200 ~ 400℃的較低溫度區間。它的基本原理是借助微波或射頻使含有薄膜組成原子的氣體電離,形成化學活性很強的等離子體,從而在基片上淀積出所期望的薄膜,主要工藝步驟如圖1所示。


1. PECVD的主要工藝步驟


在各種類型的PECVD設備中,管式PECVD在晶硅電池產業中得到大規模的使用。如圖2所示,這種設備以石英管作為淀積腔室,使用電阻爐作為加熱體,將一個可放置多片硅片的石墨舟插進石英管中進行薄膜淀積,其主要制造廠商包括中國的北京北方華創微電子裝備公司、捷佳偉創公司、第四十八研究所及德國的Centrotherm公司等。


2. 管式PECVD的結構示意圖


為了更好推廣和更快實現平價上網,光伏行業一方面不斷追求高效率,另一方面,持續降低生產成本亦是永恒不變的主題。目前來看,行業最具發展潛力的電池主要包括高效PERC電池、黑硅電池及N型電池,其制造工藝流程都離不開管式PECVD設備[1-5]。特別是對于市場發展前景十分看好、有望替代傳統鋁背場的PERC背鈍化技術,如圖3所示,PECVD淀積AlOx及(SiNx)蓋帽層將占有絕對的市場份額。因此,我們認為,在可預知的未來相當長一段時間內,憑借其長久積累的工藝經驗和較為優異的鍍膜性能,管式PECVD仍將為整個晶硅太陽電池產業提供重要的保障。


3. ITRPV關于PERC電池背鈍化材料及設備所占份額的展望[6]



4. 北方華創HORIS 系列PECVD單管產能演進圖


從市場發展勢頭來看,光伏行業現在處于高速增長期。各電池片生產廠商為增強產品競爭力以及提高利潤率,除了將提高光電轉換效率作為長期發展目標外,短期內還需要通過不斷擴大生產規模來降低綜合制造成本。管式PECVD的產能目前是電池片產線的產能瓶頸,在增加設備占地面積最小化的條件下實現最大的增加單臺設備的產能是迫切的市場需求。為此,北方華創 HORIS 系列PECVD的產能近年來不斷擴大,如圖4和圖5所示,單管單次產能已由早期的96片發展到現在的400片(數據來源于北方華創自主研發的HORIS 系列PECVD),單臺工藝管的數量也由2管增加到5管,產能提升非常顯著,這對晶硅電池產線降低綜合生產成本起到了十分重要的作用。


5. 北方華創HORIS P8571A PECVD機臺效果圖



6.北方華創H ORIS P8571A PECVD產能提高后化學原材料、電及冷卻水片均耗量情況(以淀積SiNx工藝為例)


目前市場上的主流PECVD產品為4308片,產能大約是2200/小時,而5400PECVD產能約為3800/小時,單臺產能提升約70%,而北方華創生產的HORIS P8571A PECVD設備的單臺設備產能基本上就可以滿足1條標準生產線的需求。這不但有助于節省電池產線的占地面積,還能有效降低產品成本——從圖6可以清楚地看到,產能提高后,PECVD工藝(以淀積SiNx為例)的化學原材料、電及冷卻水的片均消耗量都大幅減少。此外,單管400片舟是傳送花籃放片的整數倍,這也方便了硅片的跟蹤管理。


3 成膜均勻性控制

以北方華創微電子裝備公司生產的HORIS P8571A PECVD淀積SiNx為例,該設備在提供大產能的同時,所淀積的薄膜還具有很好的質量,能夠滿足晶硅電池的生產要求,提高良品率。特別是,由于對控溫及進氣方式進行了優化,選擇了更大抽速的真空泵,擴大了工藝窗口,該設備可以有效保證成膜質量的均勻性。


7. 北方華創HORIS P8571A PECVD 400片石墨舟淀積SiNx均勻性測試。(a)兩組測試片在石墨舟中的裝片位置;(b)淀積薄膜的實際效果圖;(c-dSiNx膜厚及折射率的(c)測試位置及(d)統計結果


我們進行了兩組均勻性測試(Test1Test2),樣本數量分別為25片(Test1)和37片(Test2),均為經過制絨處理的6P型多晶硅片,其在石墨舟中的擺放位置如圖7a)所示。從淀積后的效果照片(圖7b))可見,SiNx薄膜呈現深藍色,基本無色差,片內和片間的均勻性十分良好。利用橢偏儀對所有測試片按照行業規則測量膜厚和折射率,測試點選取方式和平均值法統計結果如圖7c)和(d)所示,這些數據反映出淀積得到的SiNx薄膜既能夠貼合晶硅電池的生產要求,又具有很好的片內和片間均勻性。


4 結論

無論是從晶硅電池產業目前的市場需求還是未來行業發展前景的角度來看,大產能PECVD都具有十分顯著的優勢,在減反射膜和鈍化膜的淀積方面將繼續保持很大的市場份額;在提高產能的同時,PECVD廠商需要對設備設計及工藝條件進行一定的優化,從而保證滿足產線要求的成膜質量,最大限度地提高電池效率。


參考文獻

[1] Shravan K. Chunduri, and Michael Schmela. TaiyangNews PERC Report 2017: PERC Solar Cell Technology 2017.

[2] Xiaogang Liu, Paul R. Coxon, Marius Peters, et al. Black silicon: fabrication methods, properties and solar energy applications. Energy & Environmental Science, 2014, 7(10): 3223-3263.

[3] Benick J, Steinhauser B, Müller R, et al. High efficiency n-type PERT and PERL solar cells. Photovoltaic Specialist Conference IEEE, 2014:3637-3640.

[4] Lim B, Brendemühl T, Berger M, et al. N-PERT back junction solar cells: an option for the next industrial technology generation. European Photovoltaic Solar Energy Conference, 2014.

[5] Ur, Rehman A, and S. H. Lee. Advancements in n-type base crystalline silicon solar cells and their emergence in the photovoltaic industry. The Scientific World Journal, 2013(11) : 70347.

[6] International Technology Roadmap for Photovoltaic (ITRPV) 8th Edition 2017.

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