第3講太陽(yáng)能電池制造工藝

第二章太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)2.1太陽(yáng)能光伏發(fā)展歷史和現(xiàn)狀

2.2太陽(yáng)能電池工作原理

2.3太陽(yáng)能電池制造工藝

2.4太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成

2.5獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)

2.6并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

第三節(jié)太陽(yáng)能電池制造工藝單晶硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)過(guò)程一、硅材料制備1、硅材料來(lái)源

硅材料來(lái)源于優(yōu)質(zhì)石英砂，也稱硅砂。在我國(guó)山東、江蘇、湖北、云南、內(nèi)蒙古、海南等省區(qū)都有分布。將硅砂轉(zhuǎn)換成可用的硅材料的工藝流程為：

還原+H2焦炭鹽酸電爐硅砂硅鐵（冶金硅）（含硅97%～99%）

三氯氫硅

（SiH4硅烷）

多晶硅1、硅材料來(lái)源石英砂也叫石英石，石英石的主要成份是二氧化硅。如果二氧化硅的含量在98.5%以上的稱石英石，二氧化硅含量在98.5%以下的稱為硅石。

石英砂可加工成工業(yè)硅。多晶硅材料又是以工業(yè)硅為原料，經(jīng)一系列物理化學(xué)反應(yīng)后達(dá)到一定純度的電子材料。它是硅產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈一個(gè)極為重要的中間產(chǎn)品，是制造硅拋光片、太陽(yáng)能電池及高純硅制品的主要原料，因而成為信息產(chǎn)業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)最基礎(chǔ)的原材料。1、硅材料來(lái)源冶金級(jí)硅是制造半導(dǎo)體多晶硅的原料，它由石英砂（二氧化硅）在電弧爐中用碳還原而成。盡管二氧化硅礦石在自然界中隨處可見(jiàn)，但僅有其中的少數(shù)可以用于冶金級(jí)硅的制備。一般來(lái)說(shuō)，要求礦石中二氧化硅的含量應(yīng)在97%~98%以上，并對(duì)各種雜質(zhì)特別是砷、磷和硫等的含量有嚴(yán)格的限制。

1、硅材料來(lái)源三氯氫硅SiHCl3

①別名?英文名硅氯仿、硅仿、三氯硅烷；Trichlorosilane、Silicochloroform．

②用途單晶硅原料、外延成長(zhǎng)、硅液、硅油、化學(xué)氣相淀積、硅酮化合物制造、電子氣。

③制法1、硅材料來(lái)源

(1)在高溫下Si和HCl反應(yīng)。

(2)用氫還原四氯化硅(采用含鋁化合物的催化劑)。三氯硅烷在常溫常壓下為具有刺激性惡臭易流動(dòng)易揮發(fā)的無(wú)色透明液體。在空氣中極易燃燒，在-18℃以下也有著火的危險(xiǎn)，遇明火則強(qiáng)烈燃燒，燃燒時(shí)發(fā)出紅色火焰和白色煙，生成SiO2、HCl和Cl2：硅原子跟碳原子結(jié)構(gòu)相似，可跟氫組成一系列硅氫化合物。硅氫化合物總稱為硅烷，又稱硅氫化合物，通式是SinH2n+2，目前已制得的有一硅烷SiH4也叫甲硅烷到六硅烷Si6H14共六種。

2、多晶硅錠制造

杜邦法：即硅原料的SiCl4鋅還原法。三氯氫硅法（也稱西門(mén)子法）：主要有三個(gè)關(guān)鍵工序。硅粉與HCl在液態(tài)化床上進(jìn)行反應(yīng)形成三氯氫硅

:Si+HCl→SiHCl3+H2↑

。反應(yīng)溫度為300度，該反應(yīng)是放熱的。同時(shí)形成氣態(tài)混合物

(Н2，НСl，SiНСl3，SiCl4，Si)。

2、多晶硅錠制造對(duì)SiHCl3及氣態(tài)混合物進(jìn)一步提純，需要分解:過(guò)濾硅粉，冷凝SiНСl3,SiCl4，而氣態(tài)Н2,НСl返回到反應(yīng)中或排放到大氣中。然后分解冷凝物SiНСl3,SiCl4，凈化三氯氫硅（多級(jí)精餾）。凈化后的三氯氫硅采用高溫還原工藝，以高純的SiHCl3在H2氣氛中還原沉積而生成多晶硅。SiHCl3+H2→Si+HCl。

改良西門(mén)子法

多晶硅生產(chǎn)的西門(mén)子工藝，其原理就是在1100℃左右的高純硅芯上用高純氫還原高純?nèi)葰涔?，生成多晶硅沉積在硅芯上。

改良西門(mén)子工藝是在傳統(tǒng)西門(mén)子工藝的基礎(chǔ)上，同時(shí)具備節(jié)能、降耗、回收利用生產(chǎn)過(guò)程中伴隨產(chǎn)生的大量H2、HCI、SiCI4等副產(chǎn)物以及大量副產(chǎn)熱能的配套工藝。目前世界上絕大部分廠家均采用改良西門(mén)子法生產(chǎn)多晶硅。

改良西門(mén)子法

改良西門(mén)子法相對(duì)于傳統(tǒng)西門(mén)子法的優(yōu)點(diǎn)主要在于：

1）節(jié)能：

由于改良西門(mén)子法采用多對(duì)棒、大直徑還原爐，可有效降低還原爐消耗的電能；

2）降低物耗：改良西門(mén)子法對(duì)還原尾氣進(jìn)行了有效的回收。所謂還原尾氣：是指從還原爐中排放出來(lái)的，經(jīng)反應(yīng)后的混合氣體。改良西門(mén)子法將尾氣中的各種組分全部進(jìn)行回收利用，這樣就可以大大降低原料的消耗。

3）減少污染：由于改良西門(mén)子法是一個(gè)閉路循環(huán)系統(tǒng)，多晶硅生產(chǎn)中的各種物料得到充分的利用，排出的廢料極少，相對(duì)傳統(tǒng)西門(mén)子法而言，污染得到了有效控制。2、多晶硅錠制造硅烷法：硅烷是以四氯化硅氫化法、硅合金分解法、氫化物還原法、硅的直接氫化法等方法制取。然后將制得的硅烷氣提純后在熱分解爐生產(chǎn)純度較高的棒狀多晶硅。

以前只有日本小松掌握此技術(shù)，由于發(fā)生過(guò)嚴(yán)重的爆炸事故后，沒(méi)有繼續(xù)擴(kuò)大生產(chǎn)。但美國(guó)Asimi和SGS公司仍采用硅烷氣熱分解生產(chǎn)純度較高的電子級(jí)多晶硅產(chǎn)品。2、多晶硅錠制造硅烷法：日本小松公司進(jìn)行硅烷生產(chǎn)的工藝是基于下列化學(xué)反應(yīng)的：

2Mg+SiMg2SiMg2Si+4NH4ClSiH4+MgCl2+4NH3

液NH3SiH4Si+2H2

硅烷法成本比三氯氫硅法高一些，但多晶硅的質(zhì)量也較高。2、多晶硅錠制造流化床法：以四氯化硅、氫氣、氯化氫和工業(yè)硅為原料在流化床內(nèi)高溫高壓下生成三氯氫硅，將三氯氫硅再進(jìn)一步歧化加氫反應(yīng)生成二氯二氫硅，繼而生成硅烷氣。

制得的硅烷氣通入加有小顆粒硅粉的流化床反應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行連續(xù)熱分解反應(yīng)，生成粒狀多晶硅產(chǎn)品。因?yàn)樵诹骰卜磻?yīng)爐內(nèi)參與反應(yīng)的硅表面積大，生產(chǎn)效率高，電耗低與成本低，適用于大規(guī)模生產(chǎn)太陽(yáng)能級(jí)多晶硅。唯一的缺點(diǎn)是安全性差，危險(xiǎn)性大。其次是產(chǎn)品純度不高，但基本能滿足太陽(yáng)能電池生產(chǎn)的使用。

此法是美國(guó)聯(lián)合碳化合物公司早年研究的工藝技術(shù)。目前世界上只有美國(guó)MEMC公司采用此法生產(chǎn)粒狀多晶硅。此法比較適合生產(chǎn)價(jià)廉的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅。2、多晶硅錠制造

多晶硅基片（鑄造型、硅帶型）的生產(chǎn)

體型多晶硅太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)方法主要有以下兩種：

向石墨鑄模里注入熔融硅生產(chǎn)多晶硅的方法（鑄造法）；由熔融硅直接使多晶硅成長(zhǎng)為膜狀的方法（硅帶法或膜片法）。鑄錠多晶硅制備

直接由西門(mén)子法而得到的多晶硅棒，因未摻雜等原因，不宜用來(lái)直接制造多晶硅太陽(yáng)能電池。把熔化的硅經(jīng)過(guò)定向凝結(jié)后，即可獲得摻雜均勻、晶粒較大且呈纖維狀的多晶硅鑄錠。與拉制單晶硅錠相比，鑄錠多晶硅的加工費(fèi)可降低10倍。2、多晶硅錠制造太陽(yáng)能級(jí)多晶硅新工藝技術(shù)

除了上述改良西門(mén)子法、硅烷熱分解法、流化床反應(yīng)爐法三種方法生產(chǎn)電子級(jí)與太陽(yáng)能級(jí)多晶硅以外，還涌現(xiàn)出幾種專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)太陽(yáng)能級(jí)多晶硅新工藝技術(shù)。冶金法生產(chǎn)太陽(yáng)能級(jí)多晶硅

據(jù)資料報(bào)導(dǎo)日本川崎制鐵公司采用冶金法制得的多晶硅已在世界上最大的太陽(yáng)能電池廠應(yīng)用，現(xiàn)已形成800噸/年的生產(chǎn)能力，全量供給SHARP太陽(yáng)能級(jí)多晶硅新工藝技術(shù)冶金法生產(chǎn)太陽(yáng)能級(jí)多晶硅主要工藝是：選擇純度較好的工業(yè)硅進(jìn)行水平區(qū)熔單向凝固成硅錠，去除硅錠中金屬雜質(zhì)聚集的部分和外表部分后，進(jìn)行粗粉碎與清洗，在等離子體融解爐中去除硼雜質(zhì)，再進(jìn)行第二次水平區(qū)熔單向凝固成硅錠，去除第二次區(qū)熔硅錠中金屬雜質(zhì)聚集的部分和外表部分，經(jīng)粗粉碎與清洗后，在電子束融解爐中去除磷和碳雜質(zhì)，直接生成太陽(yáng)能級(jí)多晶硅。

太陽(yáng)能級(jí)多晶硅新工藝技術(shù)氣液沉積法生產(chǎn)粒狀太陽(yáng)能級(jí)多晶硅

據(jù)資料報(bào)導(dǎo)以日本Tokuyama公司為代表，目前10噸試驗(yàn)線在運(yùn)行，200噸半商業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)線在2005-2006年間投入試運(yùn)行。

主要工藝是：將反應(yīng)器中的石墨管的溫度升高到1500℃，流體三氯氫硅和氫氣從石墨管的上部注入，在石墨管內(nèi)壁1500℃高溫處反應(yīng)生成液體狀硅，然后滴入底部，溫度回升變成固體粒狀的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅。

太陽(yáng)能級(jí)多晶硅新工藝技術(shù)重?fù)焦鑿U料提純法生產(chǎn)太陽(yáng)能級(jí)多晶硅

據(jù)美國(guó)CrystalSystems資料報(bào)導(dǎo)，美國(guó)通過(guò)對(duì)重?fù)絾尉Ч枭a(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的硅廢料提純后，可以用作太陽(yáng)能電池生產(chǎn)用的多晶硅，最終成本價(jià)可望控制在20美元/Kg以下。

國(guó)外多晶硅生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)：1）研發(fā)的新工藝技術(shù)幾乎全是以滿足太陽(yáng)能光伏硅電池行業(yè)所需要的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅。2）研發(fā)的新工藝技術(shù)主要集中體現(xiàn)在多晶硅生成反應(yīng)器裝置上，多晶硅生成反應(yīng)器是復(fù)雜的多晶硅生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)提高產(chǎn)能、降低能耗的關(guān)鍵裝置。

3）研發(fā)的流化床反應(yīng)器粒狀多晶硅生成的工藝技術(shù)，將是生產(chǎn)太陽(yáng)能級(jí)多晶硅首選的工藝技術(shù)。其次是研發(fā)的石墨管狀爐反應(yīng)器，也是降低多晶硅生產(chǎn)電耗，實(shí)現(xiàn)連續(xù)性大規(guī)?；a(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本的新工藝技術(shù)。

國(guó)外多晶硅生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)：

4）流化床反應(yīng)器和石墨管狀爐反應(yīng)器，生成粒狀多晶硅的硅原料可以用硅烷、二氯二氫硅或是三氯氫硅。

5）在2005年前多晶硅擴(kuò)產(chǎn)中100%都采用改良西門(mén)子工藝。在2005年后多晶硅擴(kuò)產(chǎn)中除Elkem外，基本上仍采用改良西門(mén)子工藝。

國(guó)外多晶硅生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)：

通過(guò)以上分析可以看出，目前多晶硅主要的新增需求來(lái)自于太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)，國(guó)際上已經(jīng)形成開(kāi)發(fā)低成本、低能耗的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅生產(chǎn)新工藝技術(shù)的熱潮，并趨向于把生產(chǎn)低純度的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅工藝和生產(chǎn)高純度電子級(jí)多晶硅工藝區(qū)分開(kāi)來(lái)，以降低太陽(yáng)能級(jí)多晶硅生產(chǎn)成本，從而降低太陽(yáng)能電池制造成本，促進(jìn)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，普及太陽(yáng)能的利用，無(wú)疑是一個(gè)重要的技術(shù)決策方向。

3、單晶硅錠制造30多年來(lái)，制造高純單晶硅的方法幾乎沒(méi)有重大突破。普通用于工業(yè)生產(chǎn)的只有切克勞斯基法和區(qū)熔法。切克勞斯基法（CZ法）切克勞斯基法是把籽晶引向熔融的硅液，然后一面旋轉(zhuǎn)，一面提拉，粒大的單晶硅棒即按照籽晶的晶向生長(zhǎng)出來(lái)。摻雜可在熔化硅前進(jìn)行。利用許多雜質(zhì)在硅凝結(jié)時(shí)熔解度之差，使一些有害雜質(zhì)濃集于坩堝底部。所以提拉過(guò)程也有純化作用。目前已能用此法拉制直徑大于Ф6英寸、重達(dá)百千克的大型單晶硅錠。3、單晶硅錠制造區(qū)熔法（FZ法）

區(qū)熔法指用水冷的高頻線圈環(huán)繞硅單晶棒，使硅棒內(nèi)產(chǎn)生渦電流自身加熱，硅棒局部熔化，出現(xiàn)浮區(qū)，及時(shí)緩慢移動(dòng)高頻線圈，并使硅棒一端旋轉(zhuǎn)，則熔化的硅又重新結(jié)晶。利用硅中雜質(zhì)的分凝現(xiàn)象，硅純度增加了，反翻移動(dòng)高頻線圈，可使硅棒的中段反復(fù)提純，直至極高的純度。區(qū)熔法也稱浮區(qū)熔法，是目前制造高效和超高效單晶硅太陽(yáng)能電池原料的唯一方法。因受線圈功率的限制，區(qū)熔硅棒的直徑一般不宜太大。3、單晶硅錠制造4、片狀硅（帶硅）制造

片狀硅（帶硅），是從熔體中直接生長(zhǎng)出來(lái)，片厚約100～200μm

,因?yàn)闇p少了切割損失而一直受到人們的關(guān)注。片狀硅的主要生產(chǎn)方法有定邊喂膜法（FEG法）、蹼狀枝晶法、邊緣支撐晶（ESP）法、小角度帶狀生長(zhǎng)法、激光區(qū)熔法和顆粒硅帶法等

。其中枝蔓蹼狀晶法和限邊喂膜法比較成熟。

4、片狀硅（帶硅）制造枝蔓蹼狀晶法:

是從坩堝里長(zhǎng)出兩條枝蔓晶，由于表面張力的作用，兩條枝晶中間會(huì)同時(shí)長(zhǎng)出一層薄膜，切去兩邊的枝晶，用中間的片狀晶來(lái)制作太陽(yáng)能電池。由于硅片形狀如蹼狀，所以稱為蹼狀晶。它在各種硅帶中質(zhì)量最好，但生長(zhǎng)速度相對(duì)較慢。限邊喂膜法:

是從特制的模具中拉出筒狀硅，然后用激光切割成單片來(lái)制作太陽(yáng)能電池。目前已能拉出每面寬10cm的10面體筒狀硅，厚度達(dá)300μm。它是目前投入研發(fā)最多的硅帶，產(chǎn)量已達(dá)4MW級(jí)。近期硅帶的研發(fā)目標(biāo)，是制出125mmXl25mm的硅片，將厚度降至250μm左右。

4、片狀硅（帶硅）制造

用限邊喂膜法進(jìn)行大批量生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)滿足的主要技術(shù)條件為：采用自動(dòng)控制溫度梯度、固液交界的新月形的高度及硅帶的寬度等，以有效地保證晶體生長(zhǎng)的穩(wěn)定性。在模具對(duì)硅料的污染方面進(jìn)行控制。

從總體上來(lái)說(shuō)，硅帶生長(zhǎng)方法目前仍在進(jìn)一步研究試驗(yàn)中，僅建立了少數(shù)中試生產(chǎn)線，尚未投入大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

5、非晶或微晶硅膜制造

利用化學(xué)氣相沉積法（CVD法）和物理氣相沉積法（PVD法）均可以獲得非晶硅膜。在襯底溫度很高時(shí)（600～800℃），非晶硅膜可以轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒕Ч枘?，或直接得到微晶硅膜。非晶硅薄膜太?yáng)能電池由Carlson和Wronski在20世紀(jì)70年代中期開(kāi)發(fā)成功，80年代其生產(chǎn)曾達(dá)到高潮，約占全球太陽(yáng)能電池總量的20％左右。5、非晶或微晶硅膜制造熱化學(xué)氣相沉積法原理：利用硅烷熱分解得到非晶硅膜。

SiH4Si+2H2↑高溫?zé)岱纸?、非晶或微晶硅膜制造輝光放電法

原理：硅烷在高壓交流或直流輝光放電條件下，即可在較低的溫度下獲得非晶硅膜。此法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、容易摻雜等特點(diǎn)，目前的非晶硅電池多數(shù)都利用此法。

SiH4Si+2H2↑電離分解5、非晶或微晶硅膜制造光化學(xué)氣相沉積法原理：用一種恰好能割斷硅氫鍵的激光束照射襯底，當(dāng)硅烷通過(guò)襯底表面時(shí)即有硅原子沉積到襯底上，形成高質(zhì)量的非晶硅膜。也可以用強(qiáng)大的特種頻率的微波束來(lái)代替激光束。

5、非晶或微晶硅膜制造濺射法

原理：在低壓氣體中射頻或直流放電，通過(guò)高能的電離粒子（如氬氣電離成氬離子）不斷地猛烈撞擊硅，讓一部分硅原子脫離硅耙而沉積到襯底上形成非晶硅薄膜。5、非晶或微晶硅膜制造電子束蒸發(fā)法原理：用高能電子束照射硅塊，使其局部熔化、蒸發(fā)，沉積到襯底上形成非晶硅膜。

5、非晶或微晶硅膜制造優(yōu)點(diǎn)：工藝成熟、成本低，用硅量少。缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)化效率低于晶體硅太陽(yáng)能電池；存在光致衰減效應(yīng)（光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨著光照時(shí)間的延續(xù)而衰減，其發(fā)展速度逐步放緩）。

目前非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池產(chǎn)量占全球太陽(yáng)能電池總量的10％左右。但我們認(rèn)為，晶體硅的短缺及價(jià)格上漲將是長(zhǎng)期存在的事實(shí)，即使晶體硅瓶頸突破，能源節(jié)省優(yōu)勢(shì)仍然能保障非晶硅太陽(yáng)能電池的生存空間。6、太陽(yáng)級(jí)硅

快速發(fā)展的晶體硅太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)與應(yīng)用，使硅材料的需要量劇增，耗量巨大。按我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在的生產(chǎn)技術(shù)水平，生產(chǎn)1MW硅太陽(yáng)能電池約需15t硅材料，如果我國(guó)在2010年生產(chǎn)I00MW硅太陽(yáng)能電池，考慮到可將硅片的厚度降到200～250μm左右，則將需耗用1000t左右硅材料，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于我國(guó)硅材料的供應(yīng)能力。

6、太陽(yáng)級(jí)硅

所謂“太陽(yáng)級(jí)硅”并無(wú)精確定義。由于冶金級(jí)硅的雜質(zhì)含量太高，影響電池的光電轉(zhuǎn)換效率，如設(shè)法將其用簡(jiǎn)單的化學(xué)或物理方法提純，使之能夠用于制造太陽(yáng)能電池，則將大大降低電池的成本，這種硅就稱之為“太陽(yáng)能級(jí)硅”。

一般認(rèn)為能夠制造出效率為10%的太陽(yáng)能電池的廉價(jià)硅材料都可稱為太陽(yáng)能級(jí)硅。而能夠用于制造集成電路的硅稱為“電路級(jí)硅”。為了探測(cè)各種不同的雜質(zhì)原子對(duì)于太陽(yáng)能電池效率的影響，科學(xué)家們花費(fèi)了巨大的精力進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出如圖所示結(jié)果。6、太陽(yáng)級(jí)硅

由圖可知，鉭、鉬、鈮、鋯、鎢、鈦、釩等元素濃度在1013～1014/cm3即對(duì)硅太陽(yáng)能電池效率產(chǎn)生很大影響；而鎳、鋁、鈷、鐵、錳、鉻等元素要在1015/cm3以上有影響；磷和銅濃度高達(dá)1018/cm3時(shí)對(duì)硅太陽(yáng)能電池的效率才有少量影響。

7、硅片的加工

硅片的加工：

是將硅錠經(jīng)表面整形、定向、切割、研磨、腐蝕、拋光、清洗等工藝，加工成具有一定直徑、厚度、晶向和高度、表面平行度、平整度、光潔度，表面無(wú)缺陷、無(wú)崩邊、無(wú)損傷層，高度完整、均勻、光潔的鏡面硅片。將硅錠按照技術(shù)要求切割成硅片，才能作為生產(chǎn)制造太陽(yáng)能電池的基體材料。

因此，硅片的切割，即通常所說(shuō)的切片，是整個(gè)硅片加工的重要工序。

7、硅片的加工切片：就是將硅錠通過(guò)鑲鑄金剛砂磨料的刀片（或鋼絲）的高速旋轉(zhuǎn)、接觸、磨削作用，定向切割成為要求規(guī)格的硅片。切片工藝技術(shù)直接關(guān)系到硅片的質(zhì)量和成品率。對(duì)于切片工藝技術(shù)的原則要求是：

切割精度高、表面平行度高、翹曲度和厚度小。斷面完整性好，消除拉絲、刀痕和微裂紋。提高成品率，縮小刀（鋼絲）切縫，降低原材料損耗。提高切割速度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化切割。

7、硅片的加工切片的方法目前主要有外圓切割、內(nèi)圓切割、多線切割以及激光切割等。目前工業(yè)生產(chǎn)中較多采用的切割方法之一是內(nèi)圓切割。它是用內(nèi)圓切割機(jī)將硅錠切割成0．3～0．4mm的薄片。其刀體的厚度為0．1mm左右，刀刃的厚度為0．20～0．25mm，刀刃上黏有金剛砂粉。在切割過(guò)程中，每切割一片，硅材料約有0．3～0．35mm的厚度損失，因此硅材料的利用率僅為40％～50％左右。

7、硅片的加工采用多線切割機(jī)切片是當(dāng)前最為先進(jìn)的切片方法。它是用鋼絲攜帶研磨微粒完成切割工作。即將l00km左右鋼絲卷置于固定架上，經(jīng)過(guò)滾動(dòng)碳化硅磨料切割硅片。此法具有切片質(zhì)量高、速度快、產(chǎn)量大、成品率高、材料損耗少（切損只有0．2～0．22mm）、可切割更大更薄（0．2mm）的片以及成本低等特點(diǎn)，適宜于大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)。

7、硅片的加工

選用制造太陽(yáng)能電池硅片應(yīng)考慮的主要技術(shù)原則有如下各項(xiàng)：導(dǎo)電類(lèi)型：在兩種導(dǎo)電類(lèi)型的硅材料中，p型硅常用硼為摻雜元素，用以制造n+／p型硅電池；n型硅用磷或砷為摻雜元素，用以制造P+／n型硅電池。這兩種電池的各項(xiàng)參數(shù)大致相當(dāng)。目前國(guó)內(nèi)外大多采用p型硅材料。為降低成本，兩種材料均可選用。

7、硅片的加工電阻率：

硅的電阻率與摻雜濃度有關(guān)。就太陽(yáng)能電池制造而言，硅材料電阻率的范圍相當(dāng)寬，從0．1～50Ω·cm甚至更大均可采用。在一定范圍內(nèi)，電池的開(kāi)路電壓隨著硅基體電阻率的下降而增加。在材料電阻率較低時(shí)，能得到較高的開(kāi)路電壓，而短路電流略低，但總的轉(zhuǎn)換效率較高。所以，地面應(yīng)用宜于使用0.5～3.0Ω·cm的硅材料。太低的電阻率，反而使開(kāi)路電壓降低，并導(dǎo)致填充因子下降。

7、硅片的加工幾何尺寸：

主要有?50mm、?70mm、

?100mm、?200mm的圓片和l00mm×l00mm、125mm×125mm、150mm×l50mm的方片。硅片的厚度目前已由早先的300～450μm降為當(dāng)前的200～350μm。

二、晶體硅太陽(yáng)能電池制造工藝單晶硅太陽(yáng)電池、多晶硅太陽(yáng)電池及帶狀硅太陽(yáng)電池等統(tǒng)稱為晶體硅太陽(yáng)電池，是當(dāng)今世界太陽(yáng)電池的主流，約占各種太陽(yáng)電池總產(chǎn)量的93.5%以上。晶體硅太陽(yáng)電池是在單晶硅或多晶硅片上通過(guò)擴(kuò)散制結(jié)而制成的，商品化晶體硅太陽(yáng)電池的制備工藝大致相同，其工藝流程如圖所示：二、晶體硅太陽(yáng)能電池制造工藝1、硅片的化學(xué)清洗①硅片表面可能沾污的雜質(zhì)大致可歸納為三類(lèi)：油脂、松香、蠟等有機(jī)物質(zhì)；金屬、金屬離子及各種無(wú)機(jī)化合物；塵埃以及其他可溶性物質(zhì)。②幾種常用化學(xué)清洗劑的去污作用硫酸:

熱的濃硫酸對(duì)有機(jī)物有強(qiáng)烈的脫水碳化作用。熱的濃硫酸除了能溶解許多活潑金屬及其氧化物外，還能溶解不活潑的銅，并能與銀作用，生成微溶于水的硫酸銀，但是不能與金作用。王水:

王水具有極強(qiáng)的氧化性、腐蝕性和強(qiáng)酸性，在清洗中主要利用它的強(qiáng)氧化性。（HNO3:HCl=1:3）1、硅片的化學(xué)清洗

③酸性和堿性過(guò)氧化氫溶液:堿性過(guò)氧化氫清洗液（又稱Ⅰ號(hào)清洗液）是由去離子水、含量為30%的過(guò)氧化氫和含量為25%的濃氨水混合而成，它們的體積比為水：雙氧水：氨水=5：1：1到5：2：1。酸性過(guò)氧化氫清洗液（又稱Ⅱ號(hào)清洗液）是由去離子水、30%過(guò)氧化氫和37%濃鹽酸按比例混合而成，它們的體積比為水：雙氧水：鹽酸=6：1：1到8：2：1。1、硅片的化學(xué)清洗

以上幾種清洗液實(shí)際上常配合使用以取得更好效果。硅片的一般清洗順序是：有機(jī)溶劑（如甲苯等）初步去油熱的濃硫酸去除殘留的有機(jī)和無(wú)機(jī)雜質(zhì)硅片經(jīng)表面腐蝕熱王水或Ⅰ號(hào)清洗液徹底清洗。

在每種清洗液清洗后都用去離子水漂洗干凈。2、清除表面損傷層

硅片經(jīng)初步清洗去污后，接著進(jìn)行表面腐蝕，在腐蝕液中每面蝕去約10μm，其作用是去除表面的切片機(jī)械損傷，暴露出晶格完整的硅表面。腐蝕液有酸性和堿性兩類(lèi)。①酸性腐蝕：

硝酸和氫氟酸的混合液可以起到很好的腐蝕作用，其溶液配比為濃硝酸：氫氟酸=10：1到2：1。硝酸的作用是使單質(zhì)硅氧化為二氧化硅，其反應(yīng)式為：

3Si+4HNO3=3SiO2+2H2O+4NO↑①酸性腐蝕：

而氫氟酸使在硅表面形成的二氧化硅不斷溶解，使反應(yīng)不斷進(jìn)行，其反應(yīng)為

SiO2+6HF=H2[SiF6]+2H2O

生成的絡(luò)合物六氟硅酸溶于水，通過(guò)調(diào)整硝酸和氫氟酸的比例、溶液的溫度可控制腐蝕速度，如在腐蝕液中加入醋酸作緩沖劑，可使硅片表面光亮。一般酸性腐蝕液的配比為硝酸：氫氟酸：醋酸=5：3：3或5：1：1②堿性腐蝕

硅可與氫氧化鈉、氫氧化鉀等堿的溶液起作用，生成硅酸鹽并放出氫氣，化學(xué)反應(yīng)為

Si+2NaOH+H2O=NaSiO3+2H2↑

出于經(jīng)濟(jì)上的考慮，通常用較廉價(jià)的NaOH溶液，圖為100℃下不同濃度的NaOH溶液對(duì)晶向硅片的腐蝕速度。②堿性腐蝕

堿腐蝕的硅片表面雖然沒(méi)有酸腐蝕光亮平整，但制成的電池性能完全相同。目前，國(guó)內(nèi)外在硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)中的應(yīng)用表明，堿腐蝕液由于成本較低，對(duì)環(huán)境污染較小，是較理想的硅表面腐蝕液，另外，堿腐蝕還可以用于硅片的減薄技術(shù)，制造薄型硅太陽(yáng)電池。3、絨面的制作

有效的絨面結(jié)構(gòu)有助于提高太陽(yáng)電池性能，由于入射光在表面的多次反射和折射，增加了光的吸收，其反射率很低，主要體現(xiàn)在短路電流（Isc）的提高。

①單晶硅絨面的制作：

單晶硅絨面的制作是利用單晶硅的各向異性腐蝕，在硅表面形成納米級(jí)的四面方錐體結(jié)構(gòu)（也稱金字塔結(jié)構(gòu)）。①單晶硅絨面的制作：?jiǎn)尉Ч璧母飨虍愋愿g液通常使用熱的堿性溶液，可用的堿有NaOH、KOH、LiOH、聯(lián)氨和乙二胺等。大多使用廉價(jià)的NaOH稀溶液（濃度約為1%）來(lái)制作絨面硅，腐蝕溫度為70～85℃。為了獲得均勻的絨面，還應(yīng)在溶液中酌量添加醇類(lèi)（最常用的是乙醇和乙丙醇）作為絡(luò)合劑，加快硅的腐蝕，在腐蝕絨面后進(jìn)行一般的化學(xué)清洗。經(jīng)過(guò)表面準(zhǔn)備的硅片都不宜在水中久存，以防沾污，應(yīng)盡快擴(kuò)散制結(jié)。②多晶硅絨面的制作

多晶硅表面的晶面結(jié)構(gòu)是隨意分布的，這就使得堿液腐蝕對(duì)多晶硅來(lái)說(shuō)不是很有效。堿液腐蝕對(duì)多晶硅表面不同晶粒之間不同的反應(yīng)速度還會(huì)產(chǎn)生臺(tái)階和裂縫。為了制得均一的絨面結(jié)構(gòu)，人們對(duì)多晶硅絨面的織備方法進(jìn)行了大量研究，目前比較有發(fā)展前景、適合多晶硅織構(gòu)化的方法有酸織構(gòu)（HF、HNO3和CH3COOH的混合液）、反應(yīng)離子刻蝕RIE（reactiveinoetching）、機(jī)械刻槽和激光刻槽。

②多晶硅絨面的制作

酸織構(gòu)是通過(guò)HF、HNO3和CH3COOH的混合液對(duì)多晶硅表面進(jìn)行各向同性的化學(xué)腐蝕來(lái)實(shí)現(xiàn)的；反應(yīng)離子刻蝕是通過(guò)無(wú)應(yīng)力的干法刻蝕來(lái)達(dá)到織構(gòu)化的目的，在織構(gòu)化過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)氣體流量、射頻功率及反應(yīng)壓力，就可在多晶硅表面得到均勻細(xì)小的類(lèi)金字塔結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)室效率超過(guò)17%的大面積多晶硅太陽(yáng)電池就是用這種方法來(lái)織構(gòu)的。機(jī)械刻槽是在多晶硅的表面用多個(gè)刀片同時(shí)刻出V形槽來(lái)達(dá)到減小多晶硅表面的光學(xué)反射。激光刻槽是利用激光來(lái)溶化或汽化硅，形成表面織構(gòu)達(dá)到餡光作用。

②多晶硅絨面的制作

如圖：（a）是切割后的表面，雖然比較粗糙，有理想的反射率，但有大量裂痕和裂紋，有高的復(fù)合速度，降低了電池能；（b）圖是酸液腐蝕絨面，腐蝕后的表面有大量碗狀的結(jié)構(gòu)；（c）圖是無(wú)掩膜RIE絨面，這些硅片表面隨意分布著深且陡峭的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的反射率很低。（d）和（e）是掩膜RIE硅片的絨面圖，（d）以金屬層為保護(hù)膜，（e）以SiO2膠為保護(hù)膜，這些硅片的表面都很均勻，且絨面形貌可通過(guò)改變掩膜結(jié)構(gòu)和RIE反應(yīng)參數(shù)來(lái)優(yōu)化；（f）圖為EDM絨面圖，可看出EDM絨面的粗糙度較大，反射率比較理想。

4、P-N結(jié)制作

制結(jié)過(guò)程：在一塊基體材料上生成導(dǎo)電類(lèi)型不同的擴(kuò)散層。它和制結(jié)前的表面處理均是電池制造過(guò)程中的關(guān)鍵工序。

制結(jié)方法有：熱擴(kuò)散法、離子注入法、外延法、激光法及高頻電注入法等。下面主要介紹熱擴(kuò)散法。擴(kuò)散是物質(zhì)分子或原子運(yùn)動(dòng)引起的一種自然現(xiàn)象。熱擴(kuò)散制P-N結(jié)的方法為用加熱方法使Ⅴ族雜質(zhì)摻入P型硅或Ⅲ族雜質(zhì)摻入N型硅。硅太陽(yáng)能電池中最常用的Ⅴ族雜質(zhì)元素為磷，Ⅲ族雜質(zhì)元素為硼。4、P-N結(jié)制作

對(duì)擴(kuò)散的要求是：獲得適合于太陽(yáng)能電池P-N結(jié)需要的結(jié)深和擴(kuò)散層方塊電阻。淺結(jié)死層小，電池短波響應(yīng)好，而淺結(jié)引起串聯(lián)電阻增加，只有提高柵電極的密度，才能有效提高電池的填充因子，這樣就增加了工藝難度。結(jié)深太深，死層比較明顯。如果擴(kuò)散濃度太大，則引起重?fù)诫s效應(yīng)，使電池開(kāi)路電壓和短路電流均下降。4、P-N結(jié)制作在實(shí)際電池制作中，應(yīng)綜合考慮各個(gè)因素，因此太陽(yáng)能電池的結(jié)深一般控制在0.3～0.5μm，方塊電阻平均為20～70Ω。硅太陽(yáng)能電池所用的主要熱擴(kuò)散方法有涂布源擴(kuò)散、液態(tài)源擴(kuò)散及固態(tài)源擴(kuò)散等。擴(kuò)散工序應(yīng)在十分清潔的環(huán)境中進(jìn)行。擴(kuò)散用的器皿、工具要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的清洗處理，還應(yīng)注意保證去離子水和關(guān)鍵化學(xué)試劑的純度。4、P-N結(jié)制作擴(kuò)散后，硅片的兩面和四周都形成擴(kuò)散層。硅片光照面形成的P-N結(jié)稱為前結(jié)，是實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換所必須的。而背面的P-N結(jié)和周邊擴(kuò)散層必須在后續(xù)的工序中除去。擴(kuò)散之后必須對(duì)前結(jié)妥善保護(hù)，在實(shí)際工作中常常發(fā)現(xiàn)，電池轉(zhuǎn)換效率低和成品率不高的原因是成結(jié)后的各項(xiàng)操作不慎，使P-N結(jié)損傷。如鑷子劃傷和不恰當(dāng)?shù)某暻逑吹?。絨面硅表面上的四面錐體的錐角更易損傷，操作時(shí)尤其要小心。4、P-N結(jié)制作5、刻邊擴(kuò)散過(guò)程中，在硅片的周邊表面也形成了擴(kuò)散層。周邊擴(kuò)散層使電池的上下電極形成短路環(huán)，必須將它除去。周邊上存在任何微小的局部短路都會(huì)使電池并聯(lián)電阻下降，以至成為廢品。去邊的方法主要有腐蝕法和擠壓法。腐蝕法即將硅片兩面掩好，在硝酸、氫氟酸組成的腐蝕液中加以腐蝕。擠壓法是用大小與硅片相同、略帶彈性的耐酸橡膠或塑料與硅片相間整齊隔開(kāi)，施加一定壓力后阻止腐蝕液滲入縫隙，以取得掩蔽的方法。5、刻邊目前工業(yè)化生產(chǎn)多用等離子干法腐蝕，在輝光放電條件下通過(guò)氟和氧交替對(duì)硅片作用，去除含有擴(kuò)散層的周邊。6、去除背結(jié)

去除背結(jié)常用的方法有：化學(xué)腐蝕法、磨片法和蒸鋁或絲網(wǎng)印刷鋁漿燒結(jié)法?；瘜W(xué)腐蝕法：化學(xué)腐蝕法是較早使用的一種方法。該方法可同時(shí)去除背結(jié)和周邊的擴(kuò)散層，因此可省去腐蝕周邊的工序。腐蝕后，背面平整光亮，適合于制作真空蒸鍍的電極。前結(jié)的掩蔽一般用涂黑膠的方法。黑膠是用真空封蠟或質(zhì)量較好的瀝青溶于甲苯、二甲苯或其他溶劑制成。硅片腐蝕去背結(jié)后用溶劑溶去真空封蠟，再經(jīng)過(guò)濃硫酸或清洗液煮清洗。6、去除背結(jié)磨片法：磨片法是用金剛砂將背結(jié)磨去的方法。也可以將攜帶沙粒的壓縮空氣噴射到硅片背面，除去背結(jié)。背結(jié)除去后，磨片后背面形成一個(gè)粗糙的硅表面，因此適應(yīng)于化學(xué)鍍鎳背電極的制造。蒸鋁或絲網(wǎng)印刷鋁漿燒結(jié)法：蒸鋁或絲網(wǎng)印刷鋁漿燒結(jié)法是在擴(kuò)散硅片背面真空蒸鍍或絲網(wǎng)印刷一層鋁，加熱或燒結(jié)到鋁-硅共熔點(diǎn)（577℃）以上燒結(jié)合金。

6、去除背結(jié)

前兩種去除背結(jié)的方法對(duì)于N+/P和P+/N型電池都適用，蒸鋁或絲網(wǎng)印刷鋁漿燒結(jié)法僅適用于N+/P型太陽(yáng)能電池制作工藝。6、去除背結(jié)

經(jīng)過(guò)合金化以后，隨著降溫，液相中的硅將重新凝固出來(lái)，形成含有一定量的鋁的再結(jié)晶層。它實(shí)際上是一個(gè)對(duì)硅摻雜的過(guò)程。它補(bǔ)償了背面N+層中的施主雜質(zhì)，得到以鋁摻雜的P型層，隨著合金溫度的上升，液相中鋁的比率增加。在足夠的鋁量和合金溫度下，背面甚至能形成與前結(jié)方向相同的電場(chǎng)，稱為背面場(chǎng)。目前該工藝已被用于大批量工業(yè)化生產(chǎn)，從而提高了電池的開(kāi)路電壓和短路電流，并減小了電極的接觸電阻。

背結(jié)能否燒穿與基體材料的電阻率、背面擴(kuò)散層的摻雜濃度和厚度、背面蒸鍍或印刷鋁層的厚度、燒結(jié)的溫度及時(shí)間和氣氛等因素有關(guān)。7、減反射膜制作光照射到平面的硅片上，其中一部分被反射，即使對(duì)絨面的硅表面，由于入射光產(chǎn)生多次反射而增加了吸收，也有約11%的反射損失。在硅片上覆蓋一層減反射膜層，可大大降低光的反射。減反射膜又稱增透膜，它的主要功能是減少或消除光學(xué)表面的反射光，從而增加這些元件的透光量，減少或消除系統(tǒng)的雜散光。7、減反射膜制作最簡(jiǎn)單的減反射膜是單層膜，它是鍍?cè)诠鈱W(xué)零件光學(xué)表面上的一層折射率較低的薄膜。如果膜層的光學(xué)厚度是某一波長(zhǎng)的四分之一，相鄰兩束光的光程差恰好為π,即振動(dòng)方向相反，疊加的結(jié)果使光學(xué)表面對(duì)該波長(zhǎng)的反射光減少。適當(dāng)選擇膜層折射率，這時(shí)光學(xué)表面的反射光可以完全消除。一般情況下，采用單層增透膜很難達(dá)到理想的增透效果,為了在單波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)零反射,或在較寬的光譜區(qū)達(dá)到好的增透效果，往往采用雙層、三層甚至更多層數(shù)的減反射膜。7、減反射膜制作

如圖為1/4波長(zhǎng)減反射膜的原理。從第2個(gè)界面返回到第1個(gè)界面的反射光與第1個(gè)界面的反射光相位差180°，所以前者在一定程度上抵消了后者。8、制作上下電極

電極就是與P-N結(jié)兩端形成緊密歐姆接觸的導(dǎo)電材料。習(xí)慣上把制作在電池光照面上的電極稱為上電極；把制作在電池背面的電極稱為下電極或背電極。制造電極的方法主要有真空蒸鍍、化學(xué)鍍鎳、鋁漿印刷燒結(jié)等。鋁漿印刷是目前在商品化電池生產(chǎn)中大量被采用的工藝方法。8、制作上下電極

制作上下電極的材料一般應(yīng)滿足下列要求：能與硅形成牢固的接觸；接觸電阻比較小，應(yīng)是一種歐姆接觸；有優(yōu)良的導(dǎo)電性；遮擋面積小，一般小于8%；

收集效率高；8、制作上下電極

制作上下電極的材料一般應(yīng)滿足下列要求：可焊性強(qiáng)；成本低；污染??；體電阻小；宜于加工。8、制作上下電極

上電極設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面是上電極金屬柵線的設(shè)計(jì)。當(dāng)單體電池的尺寸增加時(shí)，這方面就變得愈加重要。如圖為幾種地面電池上電極的設(shè)計(jì)方法。8、制作上下電極

普通電極的設(shè)計(jì)原則是：使電池的輸出最大，即電池的串聯(lián)電阻盡可能小且電池的光照作用面積盡可能大。

8、制作上下電極

金屬電極一般由主線和柵線兩部分構(gòu)成：主線：是直接將電流輸?shù)酵獠康妮^粗部分；柵線：則是為了把電流收集起來(lái)傳遞到主線上去的較細(xì)的部分。

如圖（a）所示電極具有對(duì)稱分布的特性，根據(jù)