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制作硅晶太阳能电池需求真空根底的解决方案利来国际w66

来源:http://www.23blogs.com 编辑:w66利来国际老牌 时间:2018/10/16

  制作硅晶太阳能电池需求真空根底的解决方案

  作者:Katherine Hutchison, Peter Holland, Edwards, Santa Clara, California, USA

  
制作硅晶太阳能电池时,许多要害的制程进程都需求真空设备的支撑,例如单晶硅成长、多晶硅成长,以及在硅晶圆上沈积薄膜等进程。以干式帮浦为根底的真空体系在本钱计算(cost-of-ownership, CoO)时,能够得到最佳的制作效益。留意真空体系的重要性将可大幅下降本钱,终究发明太阳能电池的收益以及扩张商场添加的空间。

太阳能正快速成为可行的化石燃料替代品。尽管现在太阳能仅占全国际电力的一小部分,可是这个份额估计在2040年前将添加到10%以上。有限的化石燃料以及他们对环境的负面影响正唆使太阳能科技开展,可是它能否成功的要害在于太阳能是否能像其它动力相同具有经济效益。尽管太阳能每瓦发电的总本钱下降因产值添加大到足以于经济规划和制程最佳化等要素获得优势,可是下降本钱依然是一切太阳能电池制作商的首要任务。大体而言,经济规划的构成能够归因于更有用地装备固定本钱,例如本钱本钱,然后添加变化本钱的的相对奉献,环亚国际ag886。例如设备保护、停机时刻以及耗能。

  制作太阳能电池一般涉及于真空下进行的制程进程以保持清洁度,或是供给恰当的制程条件。类似于1980年代产业界对半导体产业界对设备的需求,新设的大型太阳能电池制作厂需求具有本钱效益的真空设备以敷衍有害物质与制程衍生物(byproducts)对作业人员与环境的风险。将工厂内真空体系最佳化,特别针对于下降循环和变化本钱对全面CoO的考虑下,能够显着地到达下降制作本钱的方针。

  量产中的太阳能电池有三种首要分类:以硅晶圆为资料(也被称为硅晶,crystalline Si,或是c-Si),以复合结晶 (聚光型太阳能,concentrator PV)为资料,以及薄膜太阳能组件(thin-film solar, TFS)。硅晶太阳能组件是现在的干流技能,占一切产出组件的80-85%。近来由于太阳能级硅晶圆的继续缺料,以及薄膜技能的进步,TFS现已添加到国际产值的15-20%。复合结晶太阳能电池是以复合式半导体资料为根底,功率高,可是由于本钱高的原因,它的运用被约束在航天飞机或是其它特定专业的领域中。

  尽管不同的太阳能电池制作商在组件上有不同的规划,可是一般c-Si太阳能电池里包括被正面与反面金属所包夹的p-n接面 (图一)。这些太阳能组件一般含有一层氮化硅(silicon nitride)资料,铺在硅晶圆的上外表以作为抗反射层(antireflective coating, ARC),可进步组件的光吸收量。别的还有一层掩盖层(passivation layer)以掩盖硅晶圆里的块体(bulk)缺点。一般c-Si太阳能电池以单晶或多晶晶圆制作,可是也有一些制作商以硅缎带(ribbon)的方法来削减硅的运用量,进而下降他们的本钱。

  
图一:太阳能电池是具有p-n接面的组件,答应经由光发作的电流在单一方向上活动。接面一般是以在p型晶圆上分散n型杂质的方法来构成。

  在c-Si制作进程的前几个进程中,高洁净的硅晶棒是来自于Czochralski单晶硅晶棒添加法或是以铸造(die-casting)/炉管多晶硅晶棒添加法。以单晶硅晶圆制成的太阳能电池比多晶硅晶圆制成的电池具有更高的功率。掺杂物是在晶棒添加的进程中参加的,以构成p型晶圆(缺少电子)或是n型晶圆(充溢电子)。大都c-Si太阳能电池选用p型晶圆,可是也有一些公司运用n型晶圆(制作异质接面或是HIT PV组件)。利来国际w66,之后晶棒会被切成十分薄的晶圆,厚度约在180到240μm,然后再通过洗刷、决裂检视以及分类等动作。

  在上述的制作进程中,真空帮浦有必要能够在尘土布满的环境中可靠地作业,由于结晶添加机每周会发作数公斤的单氧化硅(silicon monoxide, SiO)微粒。若运用湿式帮浦,微粒会与润滑油混合腐蚀内部零件。周期性的替换润滑油以及过滤器能够舒缓这些问题,可是即便很勤劳地做保护作业,湿式帮浦仍需求频频地进行修理的作业。假如湿式帮浦在结晶添加的进程中发作卡住的景象,润滑油会回流到结晶添加机中,设备停机的价值将很可观。硅晶棒的制作商正缔造大型设备环境来包容更多的结晶添加机,以因应越来越多制作太阳能电池晶圆的需求。也因而,保护这些添加机中的油封(oil-sealed)帮浦成了一项贵重而且困难的后勤应战,例如周期性保护会造添加期停机、需求贮存很多的备品、需求贮存废料与废油、还有需求雇请许多技能人员。

  硅组件制作商在拉晶机(crystal puller)以及添加炉管中运用干式帮浦的趋势越来越显着,由于干式帮浦的总CoO明显的削减。它们天然生成洁净,而且防止帮浦油污染结晶添加器的风险。特别规划过的干式帮浦能够敷衍很多粉尘的问题,因而大幅下降修理本钱以及进步设备的可用性与生产力。

  在晶圆制作完结后,下一个进程是在晶圆上构成太阳能电池。第一步是织构(texture)晶圆外表以添加效果区(active area)的面积。下一步是掺杂与分散制程,也就是在p型掺杂的晶圆上构成一个n型(充溢电子)层以构成p-n接面。之后在n型掺杂层上掩盖一层磷化硅石玻璃(phosphorous silicate glass, PSG),然后以湿刻蚀或干刻蚀的方法去除。

  干式刻蚀所用的真空帮浦有必要能够处理高腐蚀性气体,一起保持高气体流量以及低压环境。磁浮式涡轮分子帮浦(magnetically levitated turbomolecular pump, mag-lev TMP)是特别针对恶劣环境所规划的,正合适运用在上述恶劣环境中。这些磁浮式涡轮分子帮浦的零件一般掩盖有保护膜,因而能够反抗腐蚀气体的腐蚀。它们简直不需求修理保养,由于它们不运用机械轴承,所以不需求润滑油以及定时替换零件。

  先进的TMP转子是彻底以磁浮的方法悬浮在空中(图二),所以在转子以及定子之间彻底没有触摸。这种方法有用地防止冲突耗费以及轰动问题,因而修理周期能够长达五年之久。另一个选用磁浮方法的长处是它不需求润滑油,所以不会出现在腐蚀环境中由于氧化现象而发作比预期早的破坏问题。

  

  图二:此处显现磁浮涡轮分子式帮浦的剖面图。由于转子与帮浦间没有触摸,磨擦耗费与轰动情况能够减到最低。

  在去除PSG今后,在组件的正面掩盖一层氮化硅以削减反射(ARC),一起也能掩盖外表。一般这一层资料是以等离子加强式化学气相沈积(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)或是物理气相沈积(physical vapor deposition, PVD)所构成。PECVD所用的气体以及副生成物,例如SiH4、NH3、F2、H2以及HF,都具有可燃性、有毒性而且有很大的安全性风险。一起也会发作很多的粉尘,让真空帮浦处于一个恶劣的环境中。湿式帮浦一般不合适此类运用,由于很多的粉尘会加快帮浦内部零件的耗费,而且环境中的腐蚀性物质会加快密封油质量的退化。组成油或可减缓退化的问题,可是依然需求周期性的替换。这些油不只贵重,而且替换的动刁难修理人员而言具有潜在的风险。干式帮浦有通过特别规划,能够反抗腐蚀以及处理粉尘,对这类的运用而言是更佳的挑选。

  了解干式帮浦内机械原理的细节也是很重要的。有一种所谓的勾爪规划(hook and claw),安装在干式帮浦内,能够有用的将微粒从帮浦传送到排气体系。回转的中心爪区域会缩短气体途径,以削减微粒以及腐蚀性物质的停留时刻到最小的程度。多点式氮气喷洗体系能稀释腐蚀性气体的浓度,一起加快固态物质的传送。

  尽管网版印刷(screen printing)是现在沈积反面电极以及反射层的首要技能,PVD也越来越常被运用在这类运用以及沈积ARC/掩盖层。它供给低CoO,一起具有高生产率以及薄膜质量。PVD制程有必要保持高真空度(<5mTorr),一起答应制程气体的流转。太阳能PVD运用一般运用分散帮浦或是涡轮分子式帮浦;这两种帮浦需求前段帮浦(backing pump)的帮忙以供给它们运作时所需求的低压真空管(sub-atmospheric foreline)环境。

  一个规划精巧的TMP解决方案能够供给PVD制程明显的优点。由于TMP能忍耐至少两倍于分散帮浦的前端真空管的压力,所以TMP结构能够运用较小的辅佐帮浦。高生产率的TMP最多还能削减高真空帮浦的数量达50%。TMP耗费的能量少于分散帮浦的十分之一,它修理的周期可长达五年,而分散帮浦需求常常性地替换贵重的润滑油。

  在铺上反面反射层以及触摸层今后,太阳能电池就制作完结,而晶圆则送到模块在线进行处理。在这进程中,晶圆会进行电性连接(固定与布线),接着予以密封以防止环境的污染。密封资料一般是乙烯-醋酸乙烯脂(ethylene vinyl acetate, EVA),在高温真空的环境下进行密封。就好像许多制程相同,EVA外泄的资料会使湿式帮浦里的润滑剂退化。而干式帮浦的保护本钱较低,可用性较高,因而其全体本钱能够明显地下降。

  图三:在PVD舱中不必分散帮浦,而改用高产率的涡轮分子式帮浦可减小辅佐帮浦(backing pumps)的尺度而且削减高真空帮浦的数量。

  定论
真空帮浦是制作结晶硅太阳能电池不可或缺的要害设备,从晶圆制作到最后的层压(lamination)作业都需求它。针对每个进程挑选恰当的真空技能是件杂乱的作业,但带来的优点在于下降前端(up-front)本钱、削减能量耗费、下降修理需求,以及进步对人员的安全性。

  作者
Katherine Hutchison从加州大学圣塔芭芭拉分校获得资料博士学位。在Edwards公司中担任全球新式商场产品司理。地址是3901 Burton Drive, Santa Clara, CA 95054 USA。电话:800/848-9800, ext. 2237。电邮: Katherine.Hutchison@edwardsvacuum.com

  Peter Holland从伦敦国王学院获得化学学士学位。担任美国Edwards公司的区域工作司理。

  

  

   太阳能电池真空