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大产能管式PECVD在晶硅太阳电池中的应用
发布时间:2017-08-03

摘要:PECVD是一种低温淀积薄膜的设备,在晶硅太阳电池的实际生产中具有十分重要且广泛的应用。在所有可选择的设备类型中,管式PECVD受到众多厂商的青睐。本文重点介绍了光伏行业当前迅猛发展和激烈竞争的情况下,提高管式PECVD的产能具有极其重要的需求和意义;另外本文也指出,扩大产能的同时还需保证良好的工艺性能,特别是淀积质量的均匀性


关键词:管式PECVD,大产能,均匀性


1 引言

太阳能电池是解决日益严峻的能源及环境问题的重要选项,而晶硅电池由于其在成本、效率等多方面的优势,在整个光伏产业中始终占据举足轻重的市场份额。经过多年的研究和发展,人们已经认识到光管理(Light management)和钝化(Passivating)是提高晶硅电池效率的有效途径。一般而言,光管理主要是对电池受光面的处理,包括表面织构化及增加减反射层,从而极大地提高对入射太阳光的吸收; 钝化则是在电池前后表面淀积某些介电材料,以减少表面缺陷所导致的少子复合。

在晶硅电池的实际生产过程中,减反射膜和(或)钝化膜的制备普遍采用PECVD来实现。例如,对于在晶硅电池产业中占主导地位的铝背场P型电池,N型发射极表面(受光面)均利用PECVD淀积SiNxH,可同时起减反射和钝化作用;对于目前正在崛起的PERC电池,AlOx/SiNx叠层被认为具有更佳的背钝化效果[1],而这两层薄膜均可用PECVD制备。


2 管式PECVD的应用及发展

所谓PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition),即等离子体增强化学气相沉积,是一种以低温淀积薄膜而著称的方法或设备,工艺温度通常只需在200 ~ 400℃的较低温度区间。它的基本原理是借助微波或射频使含有薄膜组成原子的气体电离,形成化学活性很强的等离子体,从而在基片上淀积出所期望的薄膜,主要工艺步骤如图1所示。


1. PECVD的主要工艺步骤


在各种类型的PECVD设备中,管式PECVD在晶硅电池产业中得到大规模的使用。如图2所示,这种设备以石英管作为淀积腔室,使用电阻炉作为加热体,将一个可放置多片硅片的石墨舟插进石英管中进行薄膜淀积,其主要制造厂商包括中国的北京北方华创微电子装备公司、捷佳伟创公司、第四十八研究所及德国的Centrotherm公司等。


2. 管式PECVD的结构示意图


为了更好推广和更快实现平价上网,光伏行业一方面不断追求高效率,另一方面,持续降低生产成本亦是永恒不变的主题。目前来看,行业最具发展潜力的电池主要包括高效PERC电池、黑硅电池及N型电池,其制造工艺流程都离不开管式PECVD设备[1-5]。特别是对于市场发展前景十分看好、有望替代传统铝背场的PERC背钝化技术,如图3所示,PECVD淀积AlOx及(SiNx)盖帽层将占有绝对的市场份额。因此,我们认为,在可预知的未来相当长一段时间内,凭借其长久积累的工艺经验和较为优异的镀膜性能,管式PECVD仍将为整个晶硅太阳电池产业提供重要的保障。


3. ITRPV关于PERC电池背钝化材料及设备所占份额的展望[6]



4. 北方华创HORIS 系列PECVD单管产能演进图


从市场发展势头来看,光伏行业现在处于高速增长期。各电池片生产厂商为增强产品竞争力以及提高利润率,除了将提高光电转换效率作为长期发展目标外,短期内还需要通过不断扩大生产规模来降低综合制造成本。管式PECVD的产能目前是电池片产线的产能瓶颈,在增加设备占地面积最小化的条件下实现最大的增加单台设备的产能是迫切的市场需求。为此,北方华创 HORIS 系列PECVD的产能近年来不断扩大,如图4和图5所示,单管单次产能已由早期的96片发展到现在的400片(数据来源于北方华创自主研发的HORIS 系列PECVD),单台工艺管的数量也由2管增加到5管,产能提升非常显著,这对晶硅电池产线降低综合生产成本起到了十分重要的作用。


5. 北方华创HORIS P8571A PECVD机台效果图



6.北方华创H ORIS P8571A PECVD产能提高后化学原材料、电及冷却水片均耗量情况(以淀积SiNx工艺为例)


目前市场上的主流PECVD产品为4308片,产能大约是2200/小时,而5400PECVD产能约为3800/小时,单台产能提升约70%,而北方华创生产的HORIS P8571A PECVD设备的单台设备产能基本上就可以满足1条标准生产线的需求。这不但有助于节省电池产线的占地面积,还能有效降低产品成本——从图6可以清楚地看到,产能提高后,PECVD工艺(以淀积SiNx为例)的化学原材料、电及冷却水的片均消耗量都大幅减少。此外,单管400片舟是传送花篮放片的整数倍,这也方便了硅片的跟踪管理。


3 成膜均匀性控制

以北方华创微电子装备公司生产的HORIS P8571A PECVD淀积SiNx为例,该设备在提供大产能的同时,所淀积的薄膜还具有很好的质量,能够满足晶硅电池的生产要求,提高良品率。特别是,由于对控温及进气方式进行了优化,选择了更大抽速的真空泵,扩大了工艺窗口,该设备可以有效保证成膜质量的均匀性。


7. 北方华创HORIS P8571A PECVD 400片石墨舟淀积SiNx均匀性测试。(a)两组测试片在石墨舟中的装片位置;(b)淀积薄膜的实际效果图;(c-dSiNx膜厚及折射率的(c)测试位置及(d)统计结果


我们进行了两组均匀性测试(Test1Test2),样本数量分别为25片(Test1)和37片(Test2),均为经过制绒处理的6P型多晶硅片,其在石墨舟中的摆放位置如图7a)所示。从淀积后的效果照片(图7b))可见,SiNx薄膜呈现深蓝色,基本无色差,片内和片间的均匀性十分良好。利用椭偏仪对所有测试片按照行业规则测量膜厚和折射率,测试点选取方式和平均值法统计结果如图7c)和(d)所示,这些数据反映出淀积得到的SiNx薄膜既能够贴合晶硅电池的生产要求,又具有很好的片内和片间均匀性。


4 结论

无论是从晶硅电池产业目前的市场需求还是未来行业发展前景的角度来看,大产能PECVD都具有十分显著的优势,在减反射膜和钝化膜的淀积方面将继续保持很大的市场份额;在提高产能的同时,PECVD厂商需要对设备设计及工艺条件进行一定的优化,从而保证满足产线要求的成膜质量,最大限度地提高电池效率。


参考文献

[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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