管式PECVD工藝對太陽電池鍍膜顏色均勻性的影響研究

胡軍英 江民華

(1.江西工程學院智能制造與能源工程學院，江西 新余 338000；2.新余學院新能源科學與工程學院，江西 新余 338000)

太陽能是近年來發展迅猛的可再生能源，它是人類可以自由利用且最豐富的清潔能源。世界上很多國家都將太陽能產業列為戰略性新興產業，在產品研發、技術升級改造等方面都取得了長足進步，發展潛力巨大。因此太陽電池的研究和應用引起了科學家的廣泛關注[1]。本文通過管式PECVD工序，研究了其對改善鍍膜顏色的均勻性的影響，對高效單晶PERC電池的發展有一定的指導意義。

一、概述

1、單晶PERC鍍膜

PERC(Passivated Emitter and Rear Cell)全稱為鈍化發射極和背面電池技術，相對于傳統的電池工藝而言，PERC電池的生產流程多出幾個重要步驟：背面鍍氧化鋁、背面鍍氮化硅、背面激光開槽，這樣高品質的背面鈍化使金屬銀與半導體硅形成良好的歐姆接觸，能使PERC電池的開路電壓(Voc)和短路電流(Isc)比常規電池的電性能得到大幅提升，從而使電池片的轉化效率提升一個檔次。

2、PECVD

PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)為等離子體化學氣相沉積法，是一種通過微波或射頻電流使硅烷和氨氣的氣體分子電離，在局部狀態下形成化學活性很強的等離子體，該等離子體可以在基片上沉積出所需求的薄膜結構[2]。

3、管式PECVD工藝對鍍膜均勻性的影響

近年來，對管式PECVD工藝鍍膜均勻性方面進行了深入的研究，如郭麗[3-5]等人對鍍膜工藝和石墨舟使用情況對成膜影響的研究。研究表明，從石墨舟卡點、各溫區溫度和石墨舟飽和情況都會影響鍍膜的均勻性，而且機臺內爐管在使用年限長的情況下，電池片的顏色波動性較大，成膜質量及均勻性較差。因此，多名學者對鍍膜工藝條件和石墨舟各方面(如使用次數，卡點的新舊程度，石墨舟的飽和程度，石墨舟的清洗方法)進行分析研究。實驗結果表明，改變鍍膜工藝的參數和條件會影響電池片內和片間的均勻性，而石墨舟的實驗結果表明石墨舟的飽和程度對電池片膜色均勻性影響更大，當石墨舟未飽和或過飽和時，對產出的電池片會產生大范圍發紅和發白的色差情況。另有研究表明[6]，在一定的低溫條件下進行了硅烷和氨氣等離子體反應如何形成氮化硅，通過實驗研究發現在低溫反應當中通入過量的氨氣可以獲得光學性能和膜層結構較好的氮化硅薄膜。

在PECVD工段每天最重要的問題就是控制膜厚、折射率和減少返工片的產生。在電池生產車間的所有工段中PECVD工序的返工片數量最多，返工目標控制比例為0.5%，當返工比例過高時會嚴重影響車間運行效率，所以控制PE工序的返工率尤為重要。PECVD返工大部分能在線上通過色選儀和人工觀察挑選出來，這部分返工片會挑入返工盒內，當返工積累到一定數量的返工片時會統一投入清洗機，通過氫氟酸洗和水洗去除表面氮化硅后重新投入產線。而另一部分少量漏挑的電池片會進入絲網工序，最終進入分選工序進行分檔。

二、改善鍍膜均勻性的方法

實驗設備：本論文實驗所選用設備為捷佳偉創公司的插片機進行裝卸片，選用豐盛裝備HPE450-5B型管式PECVD主機臺進行鍍膜工藝，選用其自身搭配的416片158.75型號的石墨舟承載電池片，石墨舟三維立體圖如下圖1，選用ElliSpecSE全光譜橢偏儀測試鍍膜工藝后的電池片膜厚。

圖1 416型石墨舟三維立體圖

實驗材料：本論文實驗中所采用的原硅片為市場上常規的P型單晶硅片，廠家多為隆基公司生產，硅片尺寸為158.75mm×158.75mm，厚度為175μm±5μm。

實驗操作規程：

(1)本實驗嚴格遵循控制變量法，修改實驗參數和更換設備時僅針對單一變量進行調整；

(2)本實驗大致過程：先在正常工藝的石墨舟內抽取電池片，再在修改實驗參數后對比組工藝石墨舟中抽取電池片，通過橢偏儀進行測試，對電池片的膜厚測試數據進行對比分析，得出鍍膜均勻性的變化；

(3)本實驗的抽樣方法：借鑒海寧正泰新能源電池三廠QC人員針對PECVD工序的常用抽檢方法，抽樣過程為對整個石墨舟電池片416片抽樣5片，抽樣位置為從爐口方向開始，抽取第1排第1片編號為A，第3排第3片編號B，第5排第13片標號C，第7排第20片編號D，第8排第26片編號E，若抽樣電池片有異常，則抽取對面電池片，抽樣位置如下圖2所示。

圖2 抽樣位置

對實驗過程中抽樣的電池片進行分組，用橢偏儀測試膜厚，每片電池片均測試固定5個點位，一舟電池片共測試25組膜厚數據，根據所得的測試數據用數學公式標準差來表達片內和片間的均勻性，當標準差值越小，說明鍍膜顏色均勻性越好。

(1)

公式(1)中XA①-A⑤代表編號A電池片在①-⑤點測試的膜厚值，M代表的是XA①-A⑤的平均值，SA為代表A的片內均勻性的標準差，依次計算SA-E的數值，最終取這5組數據的平均值為整體片內顏色均勻性的表達方式。

(2)

公式(2)中X①A-①E代表在①抽樣點位A-E電池片測試的膜厚值，M1代表的是X①A-①E的平均值，S①為代表①點位處的片間均勻性的標準差，依次計算S①-⑤的數值，最終取這5組數據的平均值為整體片間顏色均勻性的表達方式。

實驗選用正面PECVD進行實驗，均選用新上線石墨舟，參照組為舊卡點石墨舟，實驗組為新卡點石墨舟。實驗詳細測試數據如下表1所示。

表1 石墨舟卡點對應鍍膜顏色均勻性數據

由表1的數據可以看出，石墨舟更換新卡點后，片內均勻性和片間均勻性的標準差均有減小，說明更換石墨舟卡點可以改善鍍膜顏色的均勻性。

同上，實驗繼續選用正面PECVD進行實驗，均選用卡點更換時間一致的石墨舟，參照組為運行38次的石墨舟，實驗組1為運行1次的石墨舟，實驗組2為運行79次的石墨舟，實驗詳細測試數據如下表2所示。

在正面PECVD工序中石墨舟的使用次數有規定限制，當石墨舟運行次數達到90次就需要強制下線，到洗舟房進行清洗，烘干、鍍舟等工序后才能重新上線再次使用。

表2 石墨舟運行次數對應鍍膜顏色均勻性數據

由表2石墨舟運行次數對比的實驗數據可以看出，石墨舟運行次數38次時的標準差數據較小，片內均勻性和片間均勻性明顯優于石墨舟運行1次和運行79次的數據，結合實際生產中的情況分析得出，石墨舟從上線第一次運行到下線的使用過程中，均勻性變化趨勢為先增大后減小。

另一方面從測試膜厚的整體數據看，石墨舟運行1次、38次、79次的整體膜厚在逐漸增長，說明膜厚隨石墨舟的運行次數增加而增大，結合實際生產情況分析，新上線石墨舟發紅片較多，快下線石墨舟整體色差發白較多。

三、結論

本論文在實驗設計上，選用數學標準差的模型來表征鍍膜顏色的片內及片間均勻性。實驗過程遵循控制變量法，每組實驗均設置單一變量保證實驗的準確性。在石墨舟載具方面設計兩組實驗：新舊卡點對比和石墨舟運行次數實驗對比，實驗表明更換新卡點的石墨舟片內及片間均勻性均高于舊卡點組，石墨舟運行次數到中期范圍內片內及片間均勻性較好。