一種晶體矽矽片蒸鍍減反射膜的方法與流程

2024-03-25 08:50:08 1

本發明主要涉及光伏技術領域，特指一種晶體矽矽片蒸鍍減反射膜的方法。

背景技術：

光伏發電系統是一種利用太陽能電池半導體材料的「光伏效應」將太陽光輻射能直接轉換為電能的一種新型發電系統。太陽能電池，又稱光伏電池，是光伏發電系統中最核心的器件。已知的可用於製造太陽能電池的半導體材料有十幾種，例如，單晶矽，砷化鎵，碲化鎘等，因此太陽能電池的種類也很多。目前，技術最成熟，並具有商業價值的、市場應用最廣的太陽能電池是晶體矽太陽能電池，包括單晶矽太陽能電池、多晶矽太陽能電池。

太陽光在晶體矽表面的反射損失率高達35％左右。晶體矽太陽能電池的常規生產製造工藝流程(如圖2所示)中，需要蒸鍍減反射膜，旨在減少晶體矽表面對太陽光的反射，增加太陽光的折射率。可採用真空鍍膜法、氣相沉積法或其它化學方法等工藝方法，在晶體矽表面蒸鍍一層或多層二氧化矽或二氧化鈦或氮化矽減反射膜。減反射膜不但可以減少晶體矽表面對太陽光的反射，而且還可以對晶體矽表面起到鈍化和保護作用。不同的減反射膜當中，氮化矽減反射膜應用廣泛，可以採用幾種技術製備，應用最廣泛的是化學氣相沉積技術。其中等離子體增強化學氣相沉積技術在眾多化學氣相沉積技術中是首選的，因為它在低壓條件下，利用射頻電場使反應氣體產生輝光放電，電離出等離子體，促進反應活性基團的生成，從而使得矽烷和氨氣能在較低的溫度(200℃～450℃)下反應，減少了工藝的複雜性，並且有效防止了晶體矽太陽能電池壽命的衰減。

應用等離子體增強化學氣相沉積技術在晶體矽矽片表面蒸鍍減反射膜的設備稱為pecvd設備。目前應用最為廣泛的，主要有管式pecvd和板式pecvd兩種。典型管式pecvd設備如圖1所示，主要由真空與壓力系統1，氣路系統2，控制系統3，射頻系統4，工藝腔室6，管式加熱爐體9和取放舟系統11組成。應用管式pecvd設備在晶體矽矽片表面蒸鍍減反射膜時，成膜的化學反應是在密閉的工藝腔室6中進行的。管式pecvd設備採用管式加熱爐體9，利用布置在管式加熱爐體9內的加熱電阻絲將電能轉化為熱能，先後通過輻射、傳導、對流及對流換熱的方式將熱量傳遞給被加熱對象—工藝腔室6、晶體矽矽片和石墨舟8。管式加熱爐體9的溫度控制過程具有非線性、時變性、滯後性等特點，是典型的過程控制。常採用pid控制算法對其進行控制，算法的數學表達式如下公式(1)所示：

公式(1)中，pout表示控制量輸出；k表示比例係數；δe表示溫度偏差，即當前溫度tt與設定溫度ts的差值(ts-tt)；ti表示積分時間常數；td表示微分時間常數。

通過設置不同的比例係數k，積分時間常數ti和微分時間常數td調節管式加熱爐體9的溫度控制過程，使得工藝腔室6，晶體矽矽片和石墨舟8能夠按照蒸鍍減反射膜的工藝要求由初始溫度t0迅速升高並穩定到設定溫度ts，即蒸鍍減反射膜工藝所要求的反應溫度(450℃)。由此，將控制量輸出pout看作由比例項pk，積分項pi和微分項pd組成，即pout＝pk+pi+pd。其中，比例項pk對升溫的速率和穩定性有很大的影響。要求升溫快時，比例項pk要大，但是，比例項pk對偏差δe有放大作用，比例項pk太大，影響溫度的穩定性。考慮管式加熱爐體9的非線性和滯後性，比例項pk太大時，容易造成溫度超調嚴重。因而在實際應用過程中，通常犧牲升溫速率而追求溫度的穩定性，以保證滿足蒸鍍減反射膜工藝對反應溫度的要求。比例項pk較小時，升溫速率慢，恆溫時間(本領域所指的恆溫時間即為溫度由初始溫度t0升高至設定溫度ts所需時間，下同)長。一般情況下，整個蒸鍍減反射膜工藝時間為37～40min，而恆溫時間為20～22min。可見恆溫時間佔據了整個蒸鍍減反射膜工藝時間的50％～54％，恆溫時間過長導致整個蒸鍍減反射膜工藝時間長，嚴重影響單臺管式pecvd設備的整體產能。而為適應高產能管式pecvd設備的發展，需要儘可能的縮短蒸鍍減反射膜工藝的時間，因而需要儘可能縮短恆溫時間。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題就在於：針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種生產效率高的晶體矽矽片蒸鍍減反射膜的方法。

為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為：

一種晶體矽矽片蒸鍍減反射膜的方法，對裝載有晶體矽矽片的載體進行預熱處理後，再送入至工藝腔室進行蒸鍍減反射膜。

作為上述技術方案的進一步改進：

對裝載有晶體矽矽片的載體預熱至溫度t′z0後，再送入至工藝腔室進行蒸鍍減反射膜，其中t′z0>200℃。

在載體等待進入工藝腔室的等待時間內，對載體進行預熱處理。

所述載體送入工藝腔室進行蒸鍍減反射膜的具體步驟為：

s01、將載體推送至工藝腔室內部的恆溫區，密閉工藝腔室；

s02、對密閉的工藝腔室抽真空作業，同時對工藝腔室進行加熱；

s03、當工藝腔室溫度到達預設溫度ts時，向工藝腔室內充入反應氣體，並對工藝腔室的壓力進行控制，以滿足工藝要求；

s04、在工藝腔室內形成射頻電場，反應氣體反應後，在晶體矽矽片上沉積減反射膜。

在步驟s01中，首先將晶體矽矽片裝載於載體內，再進行預熱處理，預熱處理後的載體放置於取放舟系統的承載區，開啟工藝腔室，經由取放系統將載體推送至工藝腔室內部的恆溫區，密閉工藝腔室。

步驟s04中的晶體矽矽片沉積減反射膜後，還包括以下步驟：

s05、抽空工藝腔室內的殘餘反應氣體；

s06、向工藝腔室內充入惰性氣體，對工藝腔室進行吹掃、清洗；

s07、向工藝腔室內充入惰性氣體，使工藝腔室內的氣壓回復到與大氣壓強相同；

s08、開啟工藝腔室，將載體從工藝腔室內取出；

s09、待載體冷卻後，卸載載體中的晶體矽矽片。

所述載體為石墨舟。

與現有技術相比，本發明的優點在於：

本發明的晶體矽矽片蒸鍍減反射膜的方法，對載體先行預加熱處理，提高載體的初始溫度，從而能夠減少溫度控制過程中的初始溫度與設定溫度之間的差值，繼而減少pecvd設備中加熱爐體的溫度控制時間，最終減少晶體矽矽片表面蒸鍍減反射膜工藝的時間，提高設備的產能；相對於常規方法，本方案不改變加熱爐體的加熱特性及pid溫度控制算法，不影響溫度的穩定性，恆溫時間短，單臺設備的總體產能高。

附圖說明

圖1為現有技術中管式pecvd設備的結構示意圖。

圖2為現有技術中常規晶體矽太陽能電池的工藝流程圖。

圖3為本發明的蒸鍍減反射膜的工藝流程圖。

圖4為本發明的管式pecvd設備中的溫度分布示意圖。

圖中標號表示：1、真空與壓力系統；2、氣路系統；3、控制系統；4、射頻系統；5、終端電極；6、工藝腔室；7、恆溫區；8、石墨舟；9、加熱爐體；10、承載區；11、取放舟系統。

具體實施方式

以下結合說明書附圖和具體實施例對本發明作進一步描述。

如圖3和圖4所示，本實施例中的晶體矽矽片蒸鍍減反射膜的方法，對裝載有晶體矽矽片的載體進行預熱處理後，再送入至工藝腔室6進行蒸鍍減反射膜。本發明的晶體矽矽片蒸鍍減反射膜的方法，對載體先行預加熱處理，提高載體進入工藝腔室6的溫度，從而能夠減少溫度控制過程中的初始溫度與設定溫度之間的差值，繼而減少pecvd設備中加熱爐體9的溫度控制時間，最終減少晶體矽矽片表面蒸鍍減反射膜工藝的時間，提高設備的產能；相對於常規方法，本方案不改變加熱爐體的加熱特性及pid溫度控制算法，不影響溫度的穩定性，恆溫時間短，單臺設備的總體產能高。

本實施例中，對裝載有晶體矽矽片的載體預熱至溫度t′z0後，再送入至工藝腔室6進行蒸鍍減反射膜，其中t′z0>200℃。溫度的具體範圍可根據實際情況而定。

本實施例中，載體為石墨舟8；單臺管式pecvd設備通常由2～5個工藝腔室6組成，同時，單臺管式pecvd設備配置的石墨舟8的個數要大於工藝腔室6的個數，因而從石墨舟8完成晶體矽矽片的裝載到被放置在取放舟系統11的承載區10，常需要經過一段時間的等待，等待空閒可用的工藝腔室6。可以利用此段等待的時間對石墨舟8做預加熱處理，以提高管式加熱爐體9的溫度控制過程中的初始溫度t0。

下面結合一實施例對晶體矽蒸鍍減反射膜的方法的全部過程作一具體描述：

在石墨舟8內裝載好晶體矽矽片之後，將其放置在石墨舟預加熱裝置(圖中未示出)中進行預熱處理，將石墨舟8加熱到預熱溫度t′z0(t′z0>200℃)，其中石墨舟預加熱裝置的結構可利用現有常規的加熱裝置，如包括腔體，腔體內設有加熱組件，如紅外加熱管，將石墨舟8整體放置於腔體後進行密封，通過紅外加熱管對石墨舟進行加熱；待到有空閒、可用的工藝腔室6時，將預熱之後的石墨舟8放置到對應的取放舟系統11的承載區10，開啟密閉的工藝腔室6，而後，經由取放舟系統11將石墨舟8推送到已開啟的工藝腔室6內部的恆溫區7，同時，連接到射頻系統4的終端電極5，然後，密閉管狀工藝腔室6；

運行真空與壓力系統1，抽空工藝腔室6內的空氣，並保持工藝腔室6內的低壓狀態，同時利用管式加熱爐體9加熱工藝腔室6；待到工藝腔室6內的環境溫度tt升高並穩定到蒸鍍減反射膜工藝要求的反應溫度，即設定溫度ts(如450℃)，此時，晶體矽矽片和石墨舟8與工藝腔室6內的環境溫度相等，運行氣路系統2向工藝腔室6內通入特定流量及配比的不同反應氣體，並通過真空與壓力系統1控制工藝腔室6內的壓力滿足蒸鍍減反射膜工藝對反應壓力(5如200pa)的要求；

隨後，開啟射頻系統4，在工藝腔室6內形成射頻電場，使反應氣體產生輝光放電，電離出等離子體，促進反應活性基團的生成，繼而激活反應氣體間的化學反應，在晶體矽矽片表面沉積出所期望的薄膜，即在晶體矽矽片表面蒸鍍減反射膜；

減反射膜蒸鍍完成之後，關閉氣路系統2，停止向管式工藝腔室6內通入反應氣體，隨即通過真空與壓力系統1抽空工藝腔室6內的殘餘反應氣體；抽空殘餘反應氣體之後，再次開啟氣路系統2向工藝腔室6內通入惰性氣體，配合真空與壓力系統1吹掃、清洗工藝腔室6；隨後，同樣利用氣路系統2向工藝腔室6內通入惰性氣體使工藝腔室6內的氣壓回復到與大氣壓強相同；之後，再次開啟密閉的工藝腔室6，運行取放舟系統11將石墨舟8從工藝腔室6內取出；待到取放舟系統11將石墨舟8從工藝腔室6內取出之後，將石墨舟8從取放舟系統11的承載區10取出，等待石墨舟8冷卻，然後卸載石墨舟8中的已經蒸鍍好減反射膜的晶體矽矽片，至此，即完成了當前蒸鍍減反射膜工藝的全部流程。

下面結合一具體實施例對未預熱和預熱兩種溫度情況做進一步分析：

如圖4所示，本實施例中，石墨舟8裝載好晶體矽矽片之後，不對石墨舟8做預加熱處理時，石墨舟8的溫度tz0與環境溫度th0相同。將石墨舟8放置在取放舟系統11的承載區10之後，開啟密閉的工藝腔室6，此時，工藝腔室6內的環境溫度為tg0，tg0>th0＝tz0。

工藝腔室6打開之後，由於工藝腔室6內的環境溫度tg0與工藝腔室6外的環境溫度th0之間存在有溫度差δtgh，δtgh＝tg0-th0，因此，工藝腔室6內的熱量將通過分子的無規則運動和分子間的碰撞傳遞到工藝腔室6外。同時工藝腔室6內的高溫氣體與低溫石墨舟8直接接觸時，由於存在溫度差δtgz，δtgz＝tg0-tz0，依靠分子間的碰撞同樣存在熱量從高溫氣體向低溫石墨舟8傳遞的對流換熱現象。在時間相等，物性參數(如，對流換熱係數)相同的前提下，由傅立葉定律和牛頓冷卻公式可知，溫度差越大，即溫度梯度越大，傳遞的熱量越多，即工藝腔室6內的環境溫度下降越多。最後，待到取放舟系統11完成石墨舟8的推送，工藝腔室6再次密閉之後，管式加熱爐體9的溫度控制過程的初始溫度下降到t0。

如圖4所示，本實施例中，石墨舟8裝載好晶體矽矽片之後，對石墨舟8做預加熱處理時，石墨舟8的溫度t′z0與環境溫度th0不再相等，t′z0>th0。因為t′z0>th0，石墨舟8在被放置在取放舟系統11的承載區10的過程中以及隨後等待開啟密閉的工藝腔室6的動作完成的時間內，石墨舟8與周圍環境間也存在有對流換熱現象，即石墨舟8對周圍環境有加熱的作用，密閉的工藝腔室6打開之後有環境溫度t′h0，t′h0>th0。此時，工藝腔室6內部的環境溫度仍為tg0，tg0>t′h0，tg0>t′z0，由此可知，當前工藝腔室6內的環境溫度tg0與工藝腔室6外的環境溫度t′h0之間的溫度差為δt′gh，δt′gh＝tg0-t′h0<δtgh，同時，工藝腔室6內的高溫氣體與低溫石墨舟8之間的溫度差δt′gz，δt′gz＝tg0-t′z0t0。

本實施例中，管式加熱爐體9的溫度控制過程中，石墨舟8和晶體矽矽片本身都需要吸收熱量。因為已經對石墨舟8做了預加熱處理，所以在管式加熱爐體9的溫度控制過程中，石墨舟8和晶體矽矽片本身需要吸收的熱量就會小於未對石墨舟8做預加熱處理時石墨舟8和晶體矽矽片本身需要吸收的熱量，有利於管式加熱爐體9的快速升溫。

本實施例中，石墨舟8預加熱處理可以與蒸鍍減反射膜工藝並行運行，即在等待有空閒、可用的工藝腔室6的這段時間內完成石墨舟8預加熱處理。石墨舟8預加熱處理不佔用整個蒸鍍減反射膜工藝的總時間。同時，在管式pecvd設備的實際運行過程中，4個工藝腔室6不會同步運行，且石墨舟8預加熱處理所需時間較短，所以單臺管式pevcd設備配備一個石墨舟預加熱處理裝置便可以滿足單臺pevcd設備中所有工藝腔室6的使用要求。

綜上所述，對石墨舟8做預加熱處理，可以減小管式加熱爐體9的溫度控制過程的初始溫度t0與設定溫度ts之間的差值δt，繼而減小管式加熱爐體9的恆溫時間。最終減少晶體矽矽片表面蒸鍍減反射膜工藝的時間，提高管式pecvd設備的產能。

以上僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護範圍並不僅局限於上述實施例，凡屬於本發明思路下的技術方案均屬於本發明的保護範圍。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，應視為本發明的保護範圍。