太阳电池制造过程中的测试工艺

制造技术袁　镇等:

太阳电池制造过程中的测试工艺

太阳电池制造过程中的测试工艺

袁　镇, 贺立龙

(西安创联电气科技(集团) 有限责任公司　陕西西安　710065)

摘　要:太阳能电池是把太阳能转化为电能的装置, 一般的太阳能电池是用半导体材料制成的。按照晶体硅太阳电池制造的工艺流程, 对太阳电池制造过程中各工序之间的测试项目进行了介绍。同时, 介绍了各测试项目的测试设备、测试原理以及测试过程。

关键词:太阳电池; 绒面; 扩散; 减反射膜

中图分类号:TP274+. 5　　　　　文献标识码:B　　　　　文章编号:10042373X (2007) 122186203

The T esting Process in the F abrication of Solar Cells

YUAN Zhen , H E Lilong

(Xi ′an Chuanglian Electronic Component (Group ) Co. L td. ,Xi ′an ,710065,China )

Abstract :Solarcell is a piece of equipment ,which makes use of solar energy and is made of semiconductor. According to the fabrication process of solar cells ,introduces the testing items among processes in this paper. Simultaneity ,introduces the measurement equipments ,measurement principles and process in these testing items.

K eywords :solarcells ;textured surface ;diffusion ;anti 2reflecting film

　　晶体硅太阳能电池制造的常规工艺流程主要包括硅片清洗、绒面制备、扩散制结、等离子周边刻蚀、去PSG (磷硅玻璃) 、PECVD 减反射膜制备、电极(和争相电极) 印刷及烘干、, 工序之间还有检测项目, 抽样测方块电阻、目。, 对太阳能电池制造过程中的测试项目进行介绍。1　绒面的检测

腐蚀后的硅片用去离子水冲洗干净, 放在光学显微镜下观察硅片表面的绒面制备情况。包括绒面的连续性、致密性以及表面的缺陷(例如黄斑的出现) 。

光学显微镜用光的反射检测表面的缺陷。能够区分物体各部分的对比度是光学显微镜的重要参数。用于现代光学显微镜增加对比度的技术是暗场和亮场探测, 共焦的对比度以及有颜色干涉的对比度。共焦对比显微镜利用扫描技术一次观察物体上单个点, 因此提供更好的图形对比度, 并能更清晰地观察图形。共焦显微镜用可见光或激光扫描。颜色干涉的对比度将一束光分成直接光束和参考光束。直接光束被样本改变, 然后与参考光束组合, 根据干涉原理产生图像。2　扩散工艺的检验

P 2N 结是太阳能电池的心脏, 了解并掌握测量扩散薄

收稿日期:2007201205

将2P 2N 结界面的距离称为P 2

2. 1　测方块电阻

在制作太阳电池时, 一定形状的上电极总需要一定范围的方块电阻与之相对应。在生产中, 广泛使用四探针法来测量扩散层薄层电阻以判断扩散层质量是否符合设计要求。四探针测量仪的测量头由4根彼此相距为S 的钨丝探针组成, 针尖在同一平面同一直线上, 如图1所示

。

图1　四探针法测方块电阻原理图

测量时, 将探针压在硅片表面, 外面两根探针通电流I , 测量中间二根探针间的电压。若被测样品的几何尺寸比探针间距离S 大许多倍, 方块电阻可以用下边的等式表示:

(1) R □==4. 5324ln

I

I

　　实际的扩散片尺寸一般不很大, 不满足式(1) 的要求, 并且实际的扩散片又有单面扩散与双面扩散之分, 因此, 需要对式(1) 进行修正, 修正后的公式为:

R □=C I

(2)

186

《现代电子技术》2007年第12期总第251期

　　这里C 为修正因子(或称校正因子) , 是由被测样品的长度L 、宽度a 、厚度d 以及探针间距S 确定。修正因子C 的数值可以查文献[1,2]中的表格而得出。

具体测试步骤:

(1) 按要求接好测量线路;

(2) 将被测样品表面用金钢砂研磨(单晶硅样品) , 处

(2) 磨角法测量P 2N 结结深

　　集成电路

　

为了使结深测量面比较准确, 应把硅片固定在特制的磨角器上, 利用磨角器磨出如图3所示斜面, 使测量面得

到了放大。磨角器的斜角θ一般在1°～5°之间, 经磨角和显结后, 用测微目镜测得b 和c , 得到(c -b ) , 根据下面公式即可求得结深X j 。

X j =a ・tg θ=(c -b ) ・tg θ

(4)

理后就可以获得新磨的测试面, 以使探针和样品实现校好的欧姆接触;

(3) 四探针的中心点在样品的中心;

(4) 用恒流源对被测样品加以一定的电流, 利用已较

　　值得注意的是P 2N 结显示的清晰度和结深测量的精度与磨角的工艺水平密切相关, 因此磨好的斜面应平整光洁,

斜面与表面的交线平直清晰。

好的电位差计测出V 23;

(5) 用千分尺及读数显微镜测量样品的几何尺寸, 决

定是否进行修正;

(6) 观察光照对样品测试结果的影响。

2. 2　结深测量

在测量结深时, 首先要对P 2N 结表面进行染色显示, 以明确P 区和N 区的界面位置。采用电解水氧化法显示

P 2N 结。

(1) 电解水氧化法显示P 2N 结的原理

图3　磨角法测量P 2N 结结深

具体测试方法和步骤:首先, 对单扩散的硅试片进行磨角; 其次, 电解水氧化显结2所示, 阴极用铂丝, , 3次, 然后利用公采用等离子体增强化学气象沉积(Plasma Enhanced

Chemical Vapor Deposition ,PECVD ) 技术在电池表面沉积

电解水氧化法显示P 2N 结的实验装置如图2所示。把经过磨角暴露P 2N 结的硅片接在电解水电路的阳极上, 并将需要显结的那一部分硅片浸于水中, 在水溶液中, 于水分子电离生成一定浓度的H +离子和H , 路接通时, 其反应方程为:

4O H +Si SiO 2+2H 2O

-

(3)

一层氮化硅(SiN X ) 减反射膜, 不但可以减少光的反射, 而且因为在制备SiN X 减反射膜过程中大量的氢原子进入, 能够起到很好的表面钝化和体钝化的效果。SiN X 薄膜起到增强对光的吸收性的同时, 氢原子对太阳能电池起到很好的表面和体内钝化作用, 从而提高了电池的短路电流和开路电压。

膜厚和折射率是减反射膜最重要的参数, 了解测量薄膜参数的基本原理和方法是太阳电池制造中的基本要求。

椭偏法测量膜厚是非破坏性测量, 测量精度高, 应用范围广。在硅片制造厂, 这是种领先的膜厚测量方法[3]。由激光器发出一定波长(λ=6328埃) 的激光束, 经过起偏器后变为线偏振光, 并确定其偏振方向。再经过1/4波长片, 由于双折射现象, 使其分解成互相垂直的P 波和S 波, 成为椭圆偏振光, 椭圆的形状由起偏器的方位角决定。椭

　　这是一个电化学反应过程阳极氧化, 随着电解电

压的增高, 水分子激烈地被电离, 在阳极表面不断有氧气生成。经电解水氧化后, 阳极硅片上的N 区和P 区分别生长了厚度不同的SiO 2薄膜, 由于SiO 2薄膜厚度不同, 所以呈现出的颜色也不同, 因此在显微镜下就能清楚地看到

N 区、P 区及其分界面P 2N

结的位置。

图2　电解水氧化法显示P 2N 结

圆偏振光以一定角度入射到样品上, 经过样品表面和多层介质(包括衬底2介质膜2空气) 的来回反射与折射, 总的反射光束一般仍为椭圆偏振光, 但椭圆的形状和方位改变

了。一般用Ψ和Δ来描述反射时偏振状态的变化, 其定义为:

Δi

=tg ψe R S

(5)

电解液一般是自来水。由于自来水中存在着各种负离子, 这些负离子能提供电解电流, 对氧化显结反应起着催化作用。在寒冷的冬天, 为了加强这种催化作用, 可在自来水中加入极少量的NaO H , 这时在电解电压下, 可得到满意的电解电流。

187

制造技术袁　镇等:

太阳电池制造过程中的测试工艺

相反的方向转动检偏器(同时轻动检偏器) , 找出第二个消光位置, 读出起偏角P 2及检偏角A 2;

(5) 将1/4波片的快轴成-45°放置, 重复(3) , (4) 步

　　式(5) 中tg ψ的物理意义是P 波和S 波的振幅之比在Δ的物理意义反射前后的变化, 称为椭偏法的振幅参量。

是P 波和S 波的相位差在反射前后的变化, 称为椭偏法的相位参量。椭偏仪的结构图如图4所示

。

骤, 分别测出P 3, A 3, P 4, A 4。4　电池性能测试

目前, 国际上通用的测量方法, 是采用标准电池法, 亦即选一片太阳电池, 首先在某一特定的标准状态(光源) 下进行短路电流数值的测定, 然后用他作参考电池去校准测试时所用光源的光强, 再用此光强测量其他的被测电池。把作为参考的电池在一定的光源状态下, 确定短路电流的

图4　椭偏仪的结构图

过程叫作标定。而利用标准电池的数据, 去获得其他电池的数据的对比过程简称为复现。一般说来, 太阳电池效率的测量问题可归结为标定参考电池, 和在一定光源下用标准电池复现的问题。5　结　语

, 必须进行工艺调试, , 以期达到, 各工序之间的测试意在减少由于测试过程中所引参　考　文　献

[1]安其霖, 曹国深, 李国欣, 等. 太阳电池原理与工艺[M ].上

在波长、入射角、衬底等参数一定时, ψ和Δ是膜厚d 和折射率n 1的函数。对一定厚度的某种膜, 旋转起偏器总可以找到某一方位角, 使反射光变为线偏振光。这时再转动检偏器, 当检偏器的方位角与样品上的反射光的偏振方

向垂直时, 光束不能通过, 出现消光现象。消光时, Δ和ψ分别由起偏器的方位角P 和检偏器的方位角A 决定。把P 值和A 值分别换算成Δ和ψ后, 再利用公式和图表就可得到氮化硅膜的折射率n 1和膜厚度d 。

椭偏仪能测量几十埃量级厚度的不同类型的薄膜[4]。这种材料包括介质、是膜层为透明或半透明的。

具体测试步骤:

(1) 接通激光电源, , (Ф) , ; 角为140°=70°

(2) 把样品放在样品台, 使光经样品反射后能进入反

海:上海科学技术出版社,1984.

[2]赵富鑫, 魏彦章. 太阳电池及其应用[M ].北京:国防工业出

射光管;

(3) 把λ/4波片的快轴成+45°放置, 并把起偏器、检

版社,1985.

[3]Semiconductor Industry Association , The National Technol 2

ogy Roadmap for Semiconductors :Technology Needs , (San Jose ,CA :SIA1997) ,1997.

[4]DeJ ule R. Advances in Thin Film Measurements. Semicon 2

ductor International ,1998.

偏器的方位先置零, 同时转动起偏器和检偏器找出第一个消光位置, 并从起偏器和检偏器上分别读出起偏角P 1和检偏角A 1, 并记录下来;

(4) 把起偏器转到大约-P 1处, 与第一次转动检偏器

作者简介　袁　镇　男,1968年出生, 陕西西安人, 工程师。主要从事技术研究工作。　　(上接第185页)

参　考　文　献

[1]姜立东. V HDL 语言程序设计及应用[M ].北京:北京邮电

语言, 借助于CPLD 实现设计, 体现了现代数字电路设计系统芯片化、芯片系统化的设计思想, 使用户根据需要自行构造逻辑功能的数字集成电路变得方便而简洁。在可编程集成电路的开发过程中, 基于系统编程技术及其

CPLD 芯片的自顶向下分层次、模块化设计方法, 已成为

研制及开发数字系统最理想的选择, 体现了硬件电路软件设计的思路, 是现代数字电路设计方法的一个趋势。

大学出版社,2001.

[2]尹常永. EDA 技术与数字系统设计[M ].西安:西安电子科

技大学出版社,2004.

[3]潘松, 黄继业. EDA 技术实用教程[M ].北京:科学出版

社,2003.

[4]王晓峰可编程逻辑器件及硬件描述语言的EDA 方法[J].

长春大学学报,2005(8) :14216.

作者简介　王淑文　女,1963年出生, 天津市人, 副教授。主要研究方向为电子技术及应用。

188

制造技术袁　镇等:

太阳电池制造过程中的测试工艺

太阳电池制造过程中的测试工艺

袁　镇, 贺立龙

(西安创联电气科技(集团) 有限责任公司　陕西西安　710065)

摘　要:太阳能电池是把太阳能转化为电能的装置, 一般的太阳能电池是用半导体材料制成的。按照晶体硅太阳电池制造的工艺流程, 对太阳电池制造过程中各工序之间的测试项目进行了介绍。同时, 介绍了各测试项目的测试设备、测试原理以及测试过程。

关键词:太阳电池; 绒面; 扩散; 减反射膜

中图分类号:TP274+. 5　　　　　文献标识码:B　　　　　文章编号:10042373X (2007) 122186203

The T esting Process in the F abrication of Solar Cells

YUAN Zhen , H E Lilong

(Xi ′an Chuanglian Electronic Component (Group ) Co. L td. ,Xi ′an ,710065,China )

Abstract :Solarcell is a piece of equipment ,which makes use of solar energy and is made of semiconductor. According to the fabrication process of solar cells ,introduces the testing items among processes in this paper. Simultaneity ,introduces the measurement equipments ,measurement principles and process in these testing items.

K eywords :solarcells ;textured surface ;diffusion ;anti 2reflecting film

　　晶体硅太阳能电池制造的常规工艺流程主要包括硅片清洗、绒面制备、扩散制结、等离子周边刻蚀、去PSG (磷硅玻璃) 、PECVD 减反射膜制备、电极(和争相电极) 印刷及烘干、, 工序之间还有检测项目, 抽样测方块电阻、目。, 对太阳能电池制造过程中的测试项目进行介绍。1　绒面的检测

腐蚀后的硅片用去离子水冲洗干净, 放在光学显微镜下观察硅片表面的绒面制备情况。包括绒面的连续性、致密性以及表面的缺陷(例如黄斑的出现) 。

光学显微镜用光的反射检测表面的缺陷。能够区分物体各部分的对比度是光学显微镜的重要参数。用于现代光学显微镜增加对比度的技术是暗场和亮场探测, 共焦的对比度以及有颜色干涉的对比度。共焦对比显微镜利用扫描技术一次观察物体上单个点, 因此提供更好的图形对比度, 并能更清晰地观察图形。共焦显微镜用可见光或激光扫描。颜色干涉的对比度将一束光分成直接光束和参考光束。直接光束被样本改变, 然后与参考光束组合, 根据干涉原理产生图像。2　扩散工艺的检验

P 2N 结是太阳能电池的心脏, 了解并掌握测量扩散薄

收稿日期:2007201205

将2P 2N 结界面的距离称为P 2

2. 1　测方块电阻

在制作太阳电池时, 一定形状的上电极总需要一定范围的方块电阻与之相对应。在生产中, 广泛使用四探针法来测量扩散层薄层电阻以判断扩散层质量是否符合设计要求。四探针测量仪的测量头由4根彼此相距为S 的钨丝探针组成, 针尖在同一平面同一直线上, 如图1所示

。

图1　四探针法测方块电阻原理图

测量时, 将探针压在硅片表面, 外面两根探针通电流I , 测量中间二根探针间的电压。若被测样品的几何尺寸比探针间距离S 大许多倍, 方块电阻可以用下边的等式表示:

(1) R □==4. 5324ln

I

I

　　实际的扩散片尺寸一般不很大, 不满足式(1) 的要求, 并且实际的扩散片又有单面扩散与双面扩散之分, 因此, 需要对式(1) 进行修正, 修正后的公式为:

R □=C I

(2)

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《现代电子技术》2007年第12期总第251期

　　这里C 为修正因子(或称校正因子) , 是由被测样品的长度L 、宽度a 、厚度d 以及探针间距S 确定。修正因子C 的数值可以查文献[1,2]中的表格而得出。

具体测试步骤:

(1) 按要求接好测量线路;

(2) 将被测样品表面用金钢砂研磨(单晶硅样品) , 处

(2) 磨角法测量P 2N 结结深

　　集成电路

　

为了使结深测量面比较准确, 应把硅片固定在特制的磨角器上, 利用磨角器磨出如图3所示斜面, 使测量面得

到了放大。磨角器的斜角θ一般在1°～5°之间, 经磨角和显结后, 用测微目镜测得b 和c , 得到(c -b ) , 根据下面公式即可求得结深X j 。

X j =a ・tg θ=(c -b ) ・tg θ

(4)

理后就可以获得新磨的测试面, 以使探针和样品实现校好的欧姆接触;

(3) 四探针的中心点在样品的中心;

(4) 用恒流源对被测样品加以一定的电流, 利用已较

　　值得注意的是P 2N 结显示的清晰度和结深测量的精度与磨角的工艺水平密切相关, 因此磨好的斜面应平整光洁,

斜面与表面的交线平直清晰。

好的电位差计测出V 23;

(5) 用千分尺及读数显微镜测量样品的几何尺寸, 决

定是否进行修正;

(6) 观察光照对样品测试结果的影响。

2. 2　结深测量

在测量结深时, 首先要对P 2N 结表面进行染色显示, 以明确P 区和N 区的界面位置。采用电解水氧化法显示

P 2N 结。

(1) 电解水氧化法显示P 2N 结的原理

图3　磨角法测量P 2N 结结深

具体测试方法和步骤:首先, 对单扩散的硅试片进行磨角; 其次, 电解水氧化显结2所示, 阴极用铂丝, , 3次, 然后利用公采用等离子体增强化学气象沉积(Plasma Enhanced

Chemical Vapor Deposition ,PECVD ) 技术在电池表面沉积

电解水氧化法显示P 2N 结的实验装置如图2所示。把经过磨角暴露P 2N 结的硅片接在电解水电路的阳极上, 并将需要显结的那一部分硅片浸于水中, 在水溶液中, 于水分子电离生成一定浓度的H +离子和H , 路接通时, 其反应方程为:

4O H +Si SiO 2+2H 2O

-

(3)

一层氮化硅(SiN X ) 减反射膜, 不但可以减少光的反射, 而且因为在制备SiN X 减反射膜过程中大量的氢原子进入, 能够起到很好的表面钝化和体钝化的效果。SiN X 薄膜起到增强对光的吸收性的同时, 氢原子对太阳能电池起到很好的表面和体内钝化作用, 从而提高了电池的短路电流和开路电压。

膜厚和折射率是减反射膜最重要的参数, 了解测量薄膜参数的基本原理和方法是太阳电池制造中的基本要求。

椭偏法测量膜厚是非破坏性测量, 测量精度高, 应用范围广。在硅片制造厂, 这是种领先的膜厚测量方法[3]。由激光器发出一定波长(λ=6328埃) 的激光束, 经过起偏器后变为线偏振光, 并确定其偏振方向。再经过1/4波长片, 由于双折射现象, 使其分解成互相垂直的P 波和S 波, 成为椭圆偏振光, 椭圆的形状由起偏器的方位角决定。椭

　　这是一个电化学反应过程阳极氧化, 随着电解电

压的增高, 水分子激烈地被电离, 在阳极表面不断有氧气生成。经电解水氧化后, 阳极硅片上的N 区和P 区分别生长了厚度不同的SiO 2薄膜, 由于SiO 2薄膜厚度不同, 所以呈现出的颜色也不同, 因此在显微镜下就能清楚地看到

N 区、P 区及其分界面P 2N

结的位置。

图2　电解水氧化法显示P 2N 结

圆偏振光以一定角度入射到样品上, 经过样品表面和多层介质(包括衬底2介质膜2空气) 的来回反射与折射, 总的反射光束一般仍为椭圆偏振光, 但椭圆的形状和方位改变

了。一般用Ψ和Δ来描述反射时偏振状态的变化, 其定义为:

Δi

=tg ψe R S

(5)

电解液一般是自来水。由于自来水中存在着各种负离子, 这些负离子能提供电解电流, 对氧化显结反应起着催化作用。在寒冷的冬天, 为了加强这种催化作用, 可在自来水中加入极少量的NaO H , 这时在电解电压下, 可得到满意的电解电流。

187

制造技术袁　镇等:

太阳电池制造过程中的测试工艺

相反的方向转动检偏器(同时轻动检偏器) , 找出第二个消光位置, 读出起偏角P 2及检偏角A 2;

(5) 将1/4波片的快轴成-45°放置, 重复(3) , (4) 步

　　式(5) 中tg ψ的物理意义是P 波和S 波的振幅之比在Δ的物理意义反射前后的变化, 称为椭偏法的振幅参量。

是P 波和S 波的相位差在反射前后的变化, 称为椭偏法的相位参量。椭偏仪的结构图如图4所示

。

骤, 分别测出P 3, A 3, P 4, A 4。4　电池性能测试

目前, 国际上通用的测量方法, 是采用标准电池法, 亦即选一片太阳电池, 首先在某一特定的标准状态(光源) 下进行短路电流数值的测定, 然后用他作参考电池去校准测试时所用光源的光强, 再用此光强测量其他的被测电池。把作为参考的电池在一定的光源状态下, 确定短路电流的

图4　椭偏仪的结构图

过程叫作标定。而利用标准电池的数据, 去获得其他电池的数据的对比过程简称为复现。一般说来, 太阳电池效率的测量问题可归结为标定参考电池, 和在一定光源下用标准电池复现的问题。5　结　语

, 必须进行工艺调试, , 以期达到, 各工序之间的测试意在减少由于测试过程中所引参　考　文　献

[1]安其霖, 曹国深, 李国欣, 等. 太阳电池原理与工艺[M ].上

在波长、入射角、衬底等参数一定时, ψ和Δ是膜厚d 和折射率n 1的函数。对一定厚度的某种膜, 旋转起偏器总可以找到某一方位角, 使反射光变为线偏振光。这时再转动检偏器, 当检偏器的方位角与样品上的反射光的偏振方

向垂直时, 光束不能通过, 出现消光现象。消光时, Δ和ψ分别由起偏器的方位角P 和检偏器的方位角A 决定。把P 值和A 值分别换算成Δ和ψ后, 再利用公式和图表就可得到氮化硅膜的折射率n 1和膜厚度d 。

椭偏仪能测量几十埃量级厚度的不同类型的薄膜[4]。这种材料包括介质、是膜层为透明或半透明的。

具体测试步骤:

(1) 接通激光电源, , (Ф) , ; 角为140°=70°

(2) 把样品放在样品台, 使光经样品反射后能进入反

海:上海科学技术出版社,1984.

[2]赵富鑫, 魏彦章. 太阳电池及其应用[M ].北京:国防工业出

射光管;

(3) 把λ/4波片的快轴成+45°放置, 并把起偏器、检

版社,1985.

[3]Semiconductor Industry Association , The National Technol 2

ogy Roadmap for Semiconductors :Technology Needs , (San Jose ,CA :SIA1997) ,1997.

[4]DeJ ule R. Advances in Thin Film Measurements. Semicon 2

ductor International ,1998.

偏器的方位先置零, 同时转动起偏器和检偏器找出第一个消光位置, 并从起偏器和检偏器上分别读出起偏角P 1和检偏角A 1, 并记录下来;

(4) 把起偏器转到大约-P 1处, 与第一次转动检偏器

作者简介　袁　镇　男,1968年出生, 陕西西安人, 工程师。主要从事技术研究工作。　　(上接第185页)

参　考　文　献

[1]姜立东. V HDL 语言程序设计及应用[M ].北京:北京邮电

语言, 借助于CPLD 实现设计, 体现了现代数字电路设计系统芯片化、芯片系统化的设计思想, 使用户根据需要自行构造逻辑功能的数字集成电路变得方便而简洁。在可编程集成电路的开发过程中, 基于系统编程技术及其

CPLD 芯片的自顶向下分层次、模块化设计方法, 已成为

研制及开发数字系统最理想的选择, 体现了硬件电路软件设计的思路, 是现代数字电路设计方法的一个趋势。

大学出版社,2001.

[2]尹常永. EDA 技术与数字系统设计[M ].西安:西安电子科

技大学出版社,2004.

[3]潘松, 黄继业. EDA 技术实用教程[M ].北京:科学出版

社,2003.

[4]王晓峰可编程逻辑器件及硬件描述语言的EDA 方法[J].

长春大学学报,2005(8) :14216.

作者简介　王淑文　女,1963年出生, 天津市人, 副教授。主要研究方向为电子技术及应用。

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