РПЗ (Технология изготовления фотоэлектрических кремниевых солнечных коллекторов), страница 2

В результате проведения диффузии фосфора на поверхности и торцах кремниевой пластины толщиной около 200 мкм формируется слой n-типа, проникающий на глубину всего около 0,1 мкм. Т.е. p-n переход залегает у самой поверхности солнечного элемента. Это сделано для того, чтобы носители заряда различных знаков, сгенерированные под действием излучения, как можно скорее попали в зону влияния p-n перехода, иначе они просто вновь встретятся друг с другом и таким образом скомпенсируются, так и не дав никакого вклада в генерацию электрического тока.

-Создание p-n-перехода, изолирование его, удаление ненужных слоев;

После процесса диффузии на пластине образуется слой фосфосиликатного стекла, который необходимо снять для повышения производительности, а также следует выполнить дополнительную очистку пластин перед осаждением антиотражающего слоя.

- Нанесение антиотражающего слоя SiN;

При помощи текстуры отражение от поверхности пластины снижается в среднем с 35% до 11%. Это означает, что десятая часть излучения, падающего на поверхность солнечного элемента, все еще будет отражаться обратно и не сможет участвовать в процессе генерации электрического тока. С целью еще большего уменьшения этих потерь, классифицируемых как оптические, на следующей технологической операции на рабочую поверхность солнечных элементов наносится так называемое антиотражающее покрытие (АОП). Опираясь на законы оптики, инженеры подбирают толщину и коэффициент преломления покрытия так, что удается уменьшить отражение до 1-2%. А это уже очень хороший показатель.

Сегодня существует огромное множество различных типов антиотражающих покрытий, которые наносятся несколькими различными методами. На практике в качестве АОП для кремниевых солнечных элементов чаще всего используются пленки оксида титана или нитрида кремния, причем последней все чаще отдается предпочтение. Нитрид кремния обычно наносится методом PECVD, т.е. путем ускоренного плазмой химического напыления из газовой фазы, в специальных трубчатых печах. 

Процесс PECVD предполагает, что химический реактив, попадая в зону реактора, распадается под влиянием плазмы и температуры на отдельные элементы, которые затем оседают на поверхность пластины и вступают в химическую реакцию. В результате на лицевой поверхности пластины «выращивается» тончайшая пленка нитрида кремния, которая обладает требуемыми свойствами. Ее толщина составляет около 70 нм, что намного меньше размеров микропирамид текстуры и позволяет добиться эффекта антиотражения независимо от структуры рельефа поверхности.

- Металлизация (создание металлических контактов на обратной стороне пластины методом трафаретной печати);

Обычно для снижения стоимости солнечного элемента контактная металлизация наносится методом трафаретной печати. Суть этого метода состоит в том, что при помощи так называемого ракеля (если очень просто, то резинового бруска) через мелкую сетку трафарета продавливается паста, в состав которой входят металлические шарики, флюс и различные связывающие добавки. На сетке предварительно сформирован рисунок, задающий места, в которых паста должна быть нанесена на пластину, а в которых – нет. После этого паста подсушивается, и пластина поступает в печь вжигания, где при температуре более 800 градусов металл впекается в поверхность солнечного элемента. 

На тыльной поверхности солнечного элемента наносятся два типа металла. Один из них представляет собой сплошной слой алюминия, покрывающего практически всю площадь за исключением нескольких отверстий. А уже в этих отверстиях сформирована серебряная металлизация, выполняющая функцию контакта.

Алюминиевый слой служит своеобразным энергетическим зеркалом для носителей заряда. Как известно, электроны и дырки в полупроводниках имеют свойство рекомбинировать, т.е. переходить из свободного состояния в связанное. Именно для того, чтобы снизить его в солнечных элементах при помощи алюминиевой металлизации формируется так называемое BSF (back side field) – тыльное поле, "отзеркаливающее" носители заряда, которые еще не успели дать вклад в генерацию тока.

Как серебросодержащий контакт, так и сплошной алюминиевый слой на тыльной стороне солнечного элемента формируются все тем же способом трафаретной печати. Изменяется только рисунок трафарета и некоторые параметры используемой в нем сетки. После нанесения каждого слоя пасты его сушат в специальных печах, и только после нанесения всех трех слоев (1 на лицевой и 2 на тыльной стороне) пластина передается на вжигание.

- Сушка и вжигание;

Метод вжигания заключается в нанесении на поверхность диэлектрика специальной пасты, содержащей мелкодиспергированный металл или его соединения и органическую связку, с последующей сушкой для удаления летучих компонентов связки и обжигом при высокой температуре, достаточной для сгорания твердых частей органической связки и образования слоя металла, плотно закрепленного на поверхности диэлектрика.

- Создание контактов на лицевой стороне пластины;

Лицевая поверхность служит в первую очередь для максимального поглощения излучения, падающего на нее, чем и определяются технические требования к контактной металлизации. Именно по этой причине контакт, расположенный на рабочей стороне солнечного элемента, выполняется в виде решетки, обычно состоящей из 2-3 широких контактных площадок и нескольких десятков тонких токособирающих линий, расположенных перпендикулярно к широким. При выборе дизайна лицевого контакта инженерам приходится решать две противоположные задачи. Во-первых, для снижения оптических потерь, вызванных затенением рабочей поверхности металлом, они стараются выполнить линии решетки как можно более тонкими и расположить их как можно дальше друг от друга. Во-вторых, так как поверхность элемента имеет определенное электрическое сопротивление (определяется режимами формирования p-n перехода при помощи диффузии), то при очень большом расстоянии между элементами контактной решетки часть носителей заряда просто не успевает достигать контакта и рекомбинирует внутри полупроводникового материала. Поэтому для снижения электрических потерь при заданном поверхностном сопротивлении пластины расстояние между линиями контактной решетки не может превышать определенного значения. То же самое касается и ширины линий – чем тоньше линия, тем лучше для оптики, но тем меньший ток сможет провести такой контакт.

- Выравнивание пластины;

После всех этих процессов практически в 100% случаев пластина приобретает изгиб вследствие термического напряжения различных материалов; избавиться от него необходимо, чтобы в дальнейшем, при встраивании пластин в модули, не произошла их поломка. Для этого существует специальная установка – система быстрого термического шока. Эта система имеет несколько рабочих зон, где пластины сначала подвергаются очень резкому охлаждению – до -70 °С, а потом – нагреванию до +200 °С. Эта установка позволяет значительно снизить риск растрескивания пластин при дальнейшей работе с ними, а также позволяет расширить список используемых для печати паст.

- Проверка и тестирование.

 Во время тестирования солнечного элемента промеряется множество параметров, среди которых ток короткого замыкания, напряжение холостого хода, максимальная мощность и коэффициент полезного действия (КПД). На вопрос, который поставлен вначале этой заметки дает ответ параметр максимальной мощности солнечного элемента, а КПД показывает какая часть падающей мощности приведет к появлению электрической мощности на нагрузке.

Для проведения измерений параметров солнечных элементов используются тестеры или тестеры/сортировщики. Они бывают как импульсными, так и с облучением непрерывного действия. Импульсные тестеры интересны тем, что во время практически мгновенного измерения элемент не успевает нагреться и погрешность ниже. Также тестеры отличаются по типу ламп, что влияет на спектральный состав излучения.

 Обычно тестер содержит эталонный солнечный элемент и встроенный компьютер, который пересчитывает измеренные параметры и приводит их к стандартным условиям измерения.

Рис.4 Промышленный тестер/сортировщик солнечных элементов

Диффузия в производстве солнечных элементов

Диффузия — это процесс, с помощью которого на поверхности или внутри пластины полупроводника получают p- или n-области путем введения акцепторных или донорных примесей. Проникновение примесей внутрь пластины полупроводника происходит за счет диффузии атомов, находящихся в составе паров, в атмосферу которых помещена нагретая до высокой температуры полупроводниковая пластина.

Так как атомы примеси диффундируют из области высокой концентрации со скоростью, определяемой коэффициентом диффузии, то наибольшая концентрация примесей наблюдается у поверхности полупроводника. С увеличением расстояния от поверхности вглубь полупроводника концентрация примесей монотонно убывает.

Переход p-n возникает в области, где концентрация носителей заряда близка к той, которая имеется у материала без примеси (при собственной электропроводности). Ввиду неравномерного распределения примеси по толщине в области, полученной диффузией, имеется собственное электрическое поле.

Разница в значениях коэффициентов диффузии у разных материалов использована для одновременного получения двух областей с разным типом электропроводности. Так, для германия коэффициент диффузии донорных примесей на несколько порядков выше коэффициента диффузии акцепторных примесей, а в кремнии наблюдается обратная картина.

Поэтому, если пластину полупроводника поместить в высокотемпературную среду газа, содержащего пары как донорных, так и акцепторных примесей, атомы примесей с большим коэффициентом диффузии проникнут глубже внутрь полупроводника и создадут область с соответствующей электропроводностью. Атомы примесей с меньшим коэффициентом диффузии образуют вблизи поверхности полупроводника область с противоположным типом электропроводности. При этом необходимо, чтобы концентрация примесей с малым коэффициентом диффузии была значительно больше концентрации примеси с большим коэффициентом диффузии. Качество процесса диффузионного получения переходов во многом зависит от точности поддержания требуемой температуры. Например, при температуре 1000—1200⁰ С изменение ее на несколько градусов может в два раза изменить коэффициент диффузии.

Двухстадийную (двухэтапную) диффузию применяют для уменьшения влияния изменения температуры на качество приборов, получаемых методом диффузии. В первой стадии на поверхности полупроводниковой пластины при сравнительно низкой температуре получают стеклообразный слой, содержащий легирующие примеси. Во второй — полупроводниковую пластину помещают в печь с более высокой температурой, при которой диффузия примесей происходит из стеклообразного слоя в глубь пластины, а на поверхности полупроводника остается диэлектрическая пленка оксида. Двухстадийный процесс диффузии часто используют при введении примесей бора в кремний. В качестве источника примесей используется борный ангидрид B₂O₃. Нагревая пластину и борный ангидрид в атмосфере водорода, на поверхности ее получают слой боросиликатного стекла. Нагрев пластины до более высокой температуры обеспечивает диффузию бора из слоя стекла внутрь пластины. При этом поверхность оказывается покрытой оксидом SiO₂, который является диэлектриком. Таким образом, при двухстадийной диффузии осуществляется дозированно введение примесей из стеклообразного слоя в полупроводник.

Источники примесей для диффузионного легирования кремния

Современная тенденция в развитии солнечных элементов предполагает переход на полупроводниковые пластины все большего диаметра. Это позволяет увеличить коэффициент заполнения площади фотомодуля и снижает стоимость монтажа солнечной батареи. Кроме того, переходы, используемые в СЭ для формирования эмиттерной области, являются мелкими. Технология получения кремниевых солнечных элементов базируется на методах, разработанных в микроэлектронике – наиболее развитой промышленной технологии.

 Традиционно мелкие переходы получали ионным легированием, которое характеризуется высокой однородностью и воспроизводимостью примесной дозы, а также чистотой процесса. Однако с переходом на пластины большого диаметра реализация мелких p – n переходов возможна лишь при использовании диффузионных методов легирования. Наибольшего распространения в микроэлектронике при производстве полупроводниковых приборов и микросхем получил метод диффузии в потоке газа-носителя (метод открытой трубы). Но данный  метод при использовании пластин большого диаметра позволяет получать результаты, удовлетворяющие требованиям современной полупроводниковой технологии, только при значительном усложнении аппаратуры.