太阳能电池与硅片划片切割工艺的研究模板.doc

太阳能电池和硅片划片切割工艺研究一 半导体其关键特征导电能力介于导体和绝缘体之间物体，则叫做半导体，如锗、硅、砷化镓、硫化镉等，其电阻率为10-107m半导体性能上含有以下两个显著特点。 (1)电阻率改变受杂质含量影响极大，比如，纯硅中磷杂质浓度在10261019m-3范围内改变时，它电阻率就会从10-5m变到104m；室温下在纯硅中掺人百万分之一硼，硅电阻率就会从2.14X103m减小到0.004m左右。假如所含杂质类型不一样，导电类型也不一样。 (2)电阻率受光和热等外界条件影响很大，温度升高或光照时，均可使半导体材料电阻率快速下降。比如，锗温度从200升高到300，其电阻率降低二分之一左右。部分特殊半导体，在电场和磁场作用下，其电阻率也会发生改变。半导体材料种类很多，按其化学成份，可分为元素半导体和化合物半导体；按其是否含有杂质，可分为本征半导体和杂质半导体。杂质半导体按其导电类形，又分为n型半导体和p型半导体。二、半导体硅晶体结构 自然界物质存在形态有气态物质、液态物质和固态物质。固态物质可依据它们质点(原子、离子和分子)排列规则不一样，分为晶体和非晶体两大类。含有确定熔点固态物质称为晶体，如硅、砷化镓、冰及通常金属等；没有确定熔点、加热时在某一温度范围内就逐步软化固态物质称为非晶体，如玻璃、松香等。 全部晶体全部是由原子、分子、离子或这些粒子集团在空间按一定规则排列而成。这种对称、有规则排列，叫晶体点阵或晶体格子，简称为晶格。最小晶格，称为晶胞。晶胞各向长度，称为品格常数。将晶格周期地反复排列起来，就组成为整个晶体。晶体又分为单晶体和多晶体。整块材料从头到尾全部按同一规则作周期性排列晶体，称为单晶体。整个晶体由多个一样成份、一样晶体结构小晶体(即晶粒)组成晶体，称为多晶体。在多晶体中，每个小晶体中原子排列次序位向是不一样。非晶体没有上述特征，组成它们质点排列是无规则，而是“短程有序、长程无序排列.三、太阳能电池工作原理和特征太阳能电池分类和结构，太阳能电池工作原理和特征。 (一)、太阳能电池分类太阳能电池多为半导体材料制造，发展至今，已经种类繁多，形式各样。 可用多种方法对太阳能电池进行分类，如根据结构不一样分类，根据材料不一样分类，根据用途不一样分类，根据工作方法不一样分类，等等。下面对根据结构和材料进行分类加以介绍。 (1) 根据结构不一样可分为以下各类 1同质结太阳能电池 由同一个半导体材料所形成pn结或梯度结称为同质结。用同质结组成电池称为同质结太阳能电池，如硅太阳能电池。四 太阳能电池结构 因生产制造太阳能电池基体材料和所采取工艺方法不一样，太阳能电池结构也就多个多样。这里以常规硅太阳能电池为例简述太阳能电池结构。图316是一个p型硅材料制成p型结构常规太阳能电池示意图。p层为基体，厚度为o205mm。基体材料称为基区层，简称基区。p层上面是n层。它又称为顶区层，有时也称为发射区层，简称顶层。它是在同一块材料表面层用高温掺杂扩散方法制得，所以又称为扩散层。因为它通常是重掺杂，故常标识为。层厚度为02o5btm。扩散层处于电池正面。所谓正面，就是光照表面，所以也称为光照面。p层和n层交界面处是p-n结。五 太阳能电池基础工作原理 太阳能是一个辐射能，它必需借助于能量转换器才能变换成为电能。这个把太阳能(或其它光能)变换成电能能量转换器，就叫做太阳能电池。 太阳能电池工作原理基础，是半导体p-n结光生伏打效应。所谓光生伏打效应，简单地说，就是当物体受到光照时，其体内电荷分布状态发生改变而产生电动势和电流一个效应。在气体、液体和固体中均可产生这种效应，但在固体尤其是在半导体中，光能转换为电能效率尤其高，所以半导体中光电效应引发大家格外关注，研究得最多，并发明制造出了半导体太阳能电池。 可将半导体太阳能电池发电过程概括成以下4点；首先是搜集太阳光和其它光使之照射到太阳能电池表面上。太阳能电池吸收含有一定能量光子，激发出非平衡载流子(光生载流子)一电子空穴对。这些电子和空穴应有足够寿命，六 太阳能电池基础特征 (一)太阳能电池极性硅太阳能电池通常制成p+n型结构或n+p结构，图4所表示。 其中，第一个符号，即p+和n+，表示太阳能电池正面光照层半导体材料导电类型；第二个符号，即n和p，表示太阳能电池后面衬底半导体材料导电类型。太阳能电池电性能和制造电池所用半导体材料特征相关。在太阳光或其它光照射时，太阳能电池输出电压极性，p型一侧电极为正，n型一侧电极为负。当太阳能电池作为电源和外电路连接时，太阳能电池在正向状态下工作。当太阳能电池和其它电源联合使用时，假如外电路正极和电池p电极连接，负极和电池n电极连接，则外电源向太阳能电池提供正向偏压；假如外电源正极和电池n电极连接，负极和p电极连接，则外电源向太阳能电池提供反向偏压。 (二)太阳能电池电流一电压特征太阳能电池电路及等效电路图5所表示。其中，只RL为电池外负载电阻。当RL=0，所测电流为电池短路电流。所谓短路电流Icc，就是将太阳能电池置于标准光源照射下，在输出端短路时，流过太阳能电池两端电流。测量短路电流方法，是用内阻小于1电流表接在太阳能电池两端。ISC值和太阳能电池面积大小相关，面积越大，ISC值越大。通常来说，1cm2硅太阳能电池ISC值约1630mA。同一块太阳能电池，其ISC和人射光辐照度成正比；当环境温度升高时，ISC值略有上升，通常温度每升高1，ISC值约上升78A。当RL时，所测得电压为电池开路电压。所谓开路电压Uoc，就是将太阳能电池置于100mWCm2光源照射下，在两端开路时，太阳能电池输出电压值。可用高内阻直流毫伏计测量电池开路电压。太阳能电池开路电压，和光谱辐照度相关，和电池面积大小无关。在100mWCm2光谱辐照度下，硅太阳能电池开路电压为450600mV，高可达690mV。当入射光谱辐照度改变时，太阳能电池开路电压和人射光谱辐照度对数成正比，当环境温度升高时，太阳能电池开路电压值将下降，通常温度每上升1，Uoc值约下降23mV。ID(二极管电流)为经过p-n结总扩散电流，其方向和ISC相反。RS为串联电阻，它关键由电池体电阻、表面电阻、电极导体电阻和电极和硅表面间接触电阻所组成。RSh旁漏电阻，它是由硅片边缘不清洁或体内缺点引发。一个理想太阳能电池，串联电阻RS很小，而并联电阻RSh很大。因为RS和RSh是分别串联和并联在电路中，所以在进行理想电路计算时，它们能够忽略不计。此时，流过负载电流为IL依据以上两式作图，可得到太阳能电池电流一电压关系曲线，图6所表示。这个曲线，可简称为I-U曲线，或伏安曲线。 图6，曲线1，是二极管暗伏安关系曲线，即无光照时太阳能电池I-U曲线；曲线2，是电池接收光照后I-U曲线，它可由无光照时I-U曲自向第四象限位移ISC。经过坐标交换，最终可得到常见光照太阳能电?电流电压特征曲线，图7所表示。太阳能电池电流电压特征曲线显示了经过太阳能电池(组件)传送电流Im和电压Um在特定太阳辐照度下关系。 假如太阳能电池(组件)电路短路，即Uo，此时电流为短路电流Isc假如电路开路，即I=o，此时电压为开路电压Uoc太阳能电池(组件)输出功率等于流经该电池(组件)电流和电压乘积，即PIU 当太阳能电池(组件)电压上升时，比如经过增加负载电阻值或电池(组件)电压从0(短路条件下)开始增加时，电池(组件)输出功率亦从0始增加；当电压达成一定值时，功率可达成最大，这时当阻值继续增加时，功率将跃过最大点，并逐步降低至o，即电压达成开路电压Uoc。电池(组件)输出功率达成最大点，称为最大功率点；该点所对应电压，称为最大功率点电压Um，又称为最大工作电压；该点所对应电流，称为最大功率点电流Im又称为最大工作电流；该点功率，则称为最大功率Pm。 太阳能电池(组件)输出功率取决于太阳辐照度、太阳光谱分布和太阳能电池(组件)工作温度，所以太阳能电池(组件)测量须在标准条件(STC)下进行，测量标准被欧洲委员会定义为101号标准，其条件是：光谱辐照度，1000Wm2光谱，AM1.5：电池温度，25。在该条件下，太阳能电池(组件)所输出最大功率被称为峰值功率，在以瓦为计算单位时称为峰瓦，用符号W。表示。七 太阳能电池生产制造工艺 近些年来，全世界生产应用最多太阳能电池是由单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池组成晶体硅太阳能电池，其产量占到目前世界太阳能电池总产量90以上。它们工艺技术成熟，性能稳定可靠，光电转换效率高，使用寿命长，已进人工业化大规模生产。所以，本节对地面用晶体硅太阳能电池通常生产制造工艺进行介绍。 晶体硅太阳能电池生产制造工艺包含内容范围有宽狭之分。宽内容范围，包含硅材料制备、太阳能电池制造和太阳能电池组件封装三个部分。狭内容范围，仅包含太阳能电池制造。下面根据宽内容范围加以介绍，即不仅包含太阳能电池制造，还包含硅材料制备和太阳能电池组件封装。硅材料制备八 太阳能电池制造 制造晶体硅太阳能电池包含扩散制结、制作电极和蒸镀减反射膜3个关键工序。太阳能电池和其它半导体器件关键区分，是需要一个大面积浅坚固现能量转换。电极用来输出电能。减反射膜作用是使电池输出功率深入提升。为使电池成为有用器件，在电池制造工艺中还包含去除背结和腐蚀周围两个辅助工序，通常来说，结特征是影响电池光电转换效率关键原因，电极除影响电池电性能外还关乎电池可靠性和寿命长短。常规晶体硅太阳能电池生产制造工艺步骤图14所表示。(一)硅片选择硅片是制造晶体硅太阳能电池基础材料，它能够由纯度很高硅棒、硅锭或硅带切割而成。硅材料性质在很大程度上决定成品电池性能。选择硅片 九、太阳能电池组件封装 单体太阳能电池输出电压、电流和功率全部很小，通常来说，输出电压只有05V左右，输出功率只有12W，不能满足作为电源应用要求。为提升输出功率，需将多个单体电池合理地连接起来，并封装成组件。在需要更大功率场所，则需要将多个组件连接成为方阵，以向负载提供数值更大电流、电压输出。太阳能电池单体、组件和方阵，图15所表示。为确保组件在室外条件下使用2025a以上，必需要有良好封装，以满足使用中对防风、防尘、防湿、防腐蚀等条件要求。研究试验表明，电池失效，问题往往出在组件封装上，如：因为封装材料和电池分离，使光接触变坏，所以电池效率下降；因为密封不好，造成组件进入湿气；因为连接单体电池之间导电带焊接工艺不妥，造成焊接不牢或助焊剂变色等。所以组件封装是整个太阳能电池生产制造关键工艺，其成本约占总成本13左右。对地面用硅太阳能电池组件通常要求为：工作寿命长，应在2025a以上；有良好封装和电绝缘性能；有足够机械强度，能经受运输和使用中发生振动、冲击和热应力；紫外辐照下稳定性好；因组合引发效率损失小；可靠性高，单体电池及互连条失效率小；封装成本低。 (一)组件单体电池连接方法将单体电池连接起来关键有串联和并联两种方法，也能够同时采取这种方法而形成串、并联混合连接方法，图16所表示。假如每个单体电池性能是一致，多个单体电池串联连接，可在不改变输出电流情况下，使输出电压成百分比增加；并联连接方法，则可在不改变输出电压情况下，使输出电流成百分比增加；而串、并联混合连接方法，则既可增加组件输出电压，又可增加组件输出电流。（二）组件封装结构（三）组件封装材料上盖板 黏结剂 底板 边框(四)组件封装工艺步骤 不一样结构组件有不一样封装工艺。平板式硅太阳能电池组件封装工艺步骤，图17所表示。可将这一工艺步骤概述为：组件中间是经过金属导电带焊接在一起单体电池，电池上卞两侧均为EVA膜，最上面是低铁钢化白玻璃，后面是PVF复合膜。将各层材料按次序叠好后，放人真空层压机内进行热压封装。最上层玻璃为低铁钢化白玻璃，透光率高，而且经紫外线长久照射也不会变色。EVA膜中加有抗紫外剂和固化剂，在热压处理过程中固化形成含有一定弹性保护层，并确保电池和钢化玻璃紧密接触。PVF复合膜含有良好耐光、防潮、防腐蚀性能。经层压封装后，再于四面加上密封条，装上经过阳极氧化铝合金边框和接线盒，即成为成品组件。最终，要对成品组件进行检验测试，测试内容关键包含开路电压、短路电流、填充因子和最大输出功率等。 硅片划片切割工艺概况 用激光来划片切割硅片是现在最为优异，它使用精度高、而且反复精度也高、工作稳定、速度快、操作简单、维修方便。 激光最大输出W（可调）、激光波长为.m、切割厚度.mm、光源是用Nd：YAG晶体组成激光器、是单氪灯连续泵浦、声光调Q、并用计算机控制二维工作台可预先设定图形轨迹作多种正确运动。 部件分析： 操作可分为外控和内控。 计算机操作系统有专用软件设置工作台划片步骤实现划片目标。 电源控制盒供给激光电源、Q电源驱动、水冷系统输入电源进行分配及自控，当循环水冷系统出现故障时，自动断开激光电源及Q电源驱动盒供电。 激光电源盒点燃氪灯自动引燃恒流电源。 Q电源驱动盒产生射频信号并施加到Q开关晶体对激光进行有没有控制和Q调制。 激光糸统氪灯将电能转化为光能，在聚光腔内反射到Nd：YAG晶体棒上，输出镜和全反镜组成光谐振腔，使光振荡放人形成激光，经反射镜和聚焦镜，抵达加工工件表面。当光谐振镜片偏差或腔内各光学器件端面污染或氪灯老化，均会影响激光输出。 调Q晶体 Q电源驱动盒输出射频信号至调Q晶体，对激光进行偏转或调制，控制激光输出或关断，以提升激光峰值功率。当调Q晶体略偏移或调Q工作电源太小，调Q效果会显著下降。 水循环系统 本机冷却用水提议使用去离子水或纯水，并应保持其纯净。 本机电光转换率3，极大部分电能会以热能形式由水循环冷却带走。旦无水循环冷却会立即损坏激光器，水循环系统可提供本机水循环功效。无水或水路堵塞时，会立即输出关机保护信号给电源控制盒，切断激光电源盒供电，同时报警提醒灯(红灯)亮，以警示用户，同时会有蜂呜器发山蜂鸣声，以提醒用户立即补充冷却水。9 压缩机制冷系统 本机采取优质变频控制压缩机制冷系统，可随时依据水循环系统中水温改变来控制压缩机自动变频工作，使水循环系统中水温能保持在一个极小范围内波动，从而确保本机能长时间稳定可靠输出激光。一旦制冷系统出现问题，水温超出设备正常工作范围，本机报警提醒灯(黄灯)亮，以警示用户立即检验。10 工件操作平台接收计算机控制信号，对工件正确移动定位，同时输出激光控制信号，确保激光对加工工件正确加工。11 外控操作模式12 开机步骤 (1) 确定2紧急制动旋钮处于正常状态，打开1电源开关。此时，报警提醒灯(红灯)会点亮，以提醒水路未循环：面板5电源指示灯点亮。 ( 2) 按住3水循环开启按钮并连续儿秒，可听到机器水循环开启声音，此时报警提醒灯(红灯)会熄灭。等候510秒，冷却水充足循环后，6水循环指示灯点亮。 (3) 当6水循环指示灯点亮后，开启4制冷系统按钮，并等候7制冷系统指示灯点亮。 (4) 确定当8激光电源充电指示灯点亮后，按下激光电源12-氪灯开启按钮。此时，可观察到14氪灯电流显示表显示会临时归零：此时氪灯延时5-6秒后，激光电源会自动点燃氪灯，14氪灯电流显示表会显示此时氪灯，电流为69A70A。 (5) 按F 15声光电源开启按钮。(6) 开启计算机，调出划片操作程序。(7) 确定：工作平台X，Y轴信号线连接无误，按F16：工作平台开启按钮。(8) 当工作平台复位自检正常，合适调：13氪灯电流调整旋钮，使氪灯电流至适宜数值，即可开始工作。(9) 工作结束，按上述程序逆向关机。13 注意事项1、严禁无水或水循环不正常情况下，开启激光电源和调Q电源。2、不许可Q电源空载工作(即调Q电源输出注意事项)3、出现异常现象，首先关闭激光电源和电源开关再行检验。4、请勿在氪灯点燃前开启其它组件，以预防高压窜入!5、注意激光电源输出端(阳极)接线，以预防和其它电器间打火。6、更换氪灯后，应确保氪灯两端和电极接触良好，严禁松脱。7、保持机内循环冷却水洁净，定时清洗水箱并更换洁净去离子水或纯水。8、本机水循环水温设定需依据环境综合考虑，应尽可能确保和环境温度温差不要太大，不然在光学器件表面会发生凝露现象，影响激光功率输出，严重时甚至会损坏光学器件!本机工作时，激光电源和声光Q驱动器均需良好散热，故应确保工作环境通风良好。9、工作环境要求清洁无尘；相对湿度80：温度530。10、安装设备要注意可靠接地，不遵守此项要求可能会造成触电或设备工作不正常!11、搬运设备前最少要在电源切断后10分钟，才能够对机器进行搬运，接地和检验等操作。14 常见故障及处理方法1开机无任何反应 11电源输入是否正常：检验电源输入并使其正常。 1，2紧急制动开关是否按下；松开紧急制动开关。 1，3水循环系统是否正常，检验水路开保持通畅。 1，4机箱内空气开关是否合上，合上空气开关。2氖灯不能触发 2，1氪灯电路连线是否正常：检验全部氪灯连接线。 2，2制冷系统是否正常开启；检验制冷系统并使其正常。23氪灯老化；更换氪灯。24激光电源是否损失；更换激光电源。3无激光输出或激光输出很弱；刻划深度不够31激光谐振腔是否改变；微调谐振腔镜片，使输出光斑最好。32光学器件表面是否凝露；调整冷却水温度并等候凝露消失(此时应关闭激光)。33光路系统是否阻塞；消除并确保光路通畅且封闭好。34氪灯是否老化；若电流调到20A左右仍感到激光强度不够，更换新灯。35冷却水温是否过高；调整温度控制器使冷却水温至合适温度；检验制冷系统氟利昂是否渗漏，检漏并充氟。36工作平面是否处于激光焦平面；调整激光焦距调整器。37声光晶体偏移或声光电源输出能量偏低；调整声光晶体位置或加大声光电源输出信号功率。4工作时氪灯忽然熄灭 41制冷压缩机是否停机；检验制冷部分并使其正常。 42电源输入是否改变；检验电源输入并使其正常。 43机内温度是否过高；停机并通风散热，必需时可打开后盖门帮助散热。 44激光电源是否损坏；更换激光电源。