空間用三結(jié)砷化鎵太陽電池的生產(chǎn)管理

何 強(qiáng)

（中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384）

空間用三結(jié)砷化鎵太陽電池采用MOCVD外延設(shè)備在厚度為0.175 mm、直徑為100 mm的鍺襯底上通過正向生長三個(gè)子電池的方法制備而成的，GaInP2、GaAs、Ge三個(gè)垂直串連的pn結(jié)對(duì)分別對(duì)太陽能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。該太陽電池具有光電轉(zhuǎn)換效率高、抗輻照性能好、溫度特性好等特點(diǎn)。

目前，我所生產(chǎn)的三結(jié)砷化鎵太陽電池已在XX伴星、XX-6、SINOSAT-5、XX-2等多顆衛(wèi)星上使用過，并且嚴(yán)格按照詳細(xì)規(guī)范進(jìn)行一系列的可靠試驗(yàn)，包括高低溫沖擊試驗(yàn)、焊接牢固度試驗(yàn)、濕熱貯存試驗(yàn)、帶電粒子輻照試驗(yàn)等試驗(yàn)，還進(jìn)行了吸收、輻射系數(shù)測(cè)量、溫度系數(shù)測(cè)量、暗特性測(cè)量等。采用三結(jié)砷化鎵太陽電池陣的XX-6于2009年12月9日發(fā)射入軌，目前在軌穩(wěn)定運(yùn)行近3年；SINOSAT-5于2011年6月21日發(fā)射入軌，目前已在軌穩(wěn)定運(yùn)行1年多；XX-2于2011年9月19日發(fā)射入軌，目前已在軌穩(wěn)定運(yùn)行近1年，遙測(cè)數(shù)據(jù)表明18所研制的三結(jié)砷化鎵太陽電池陣性能良好，工作穩(wěn)定。

我所研制的GaInP2/GaAs/Ge三結(jié)砷化鎵太陽電池結(jié)構(gòu)見圖1。

目前，雖然三結(jié)砷化鎵太陽電池正大量應(yīng)用，但在生產(chǎn)過程中仍存在以下問題：

圖1 三結(jié)砷化鎵太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖

(1)三結(jié)砷化鎵太陽電池的合格率和效率有待于提高，2007年的成品率為72.6%，平均光電轉(zhuǎn)換效率為26.8%；

(2)三結(jié)砷化鎵太陽電池成本昂貴，需有效地降低成本；

(3)目前科研生產(chǎn)任務(wù)繁重，需保質(zhì)保量，合理安排進(jìn)度，從而縮短工程型號(hào)所需的生產(chǎn)周期。

1 合理安排生產(chǎn)計(jì)劃，做好生產(chǎn)線質(zhì)量計(jì)劃

合理安排生產(chǎn)計(jì)劃，是保證生產(chǎn)有條不紊，保質(zhì)保量完成型號(hào)任務(wù)的基本條件。根據(jù)全年型號(hào)對(duì)太陽電池需求量和時(shí)間節(jié)點(diǎn)，結(jié)合每個(gè)班次的電池產(chǎn)量，安排每月的產(chǎn)量和生產(chǎn)型號(hào)。并且每日進(jìn)行產(chǎn)量完成量的統(tǒng)計(jì)，根據(jù)周/月產(chǎn)量完成率，調(diào)整次周/月產(chǎn)量。

做好生產(chǎn)線質(zhì)量計(jì)劃，即做好對(duì)生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)質(zhì)量、工藝質(zhì)量、產(chǎn)品質(zhì)量控制計(jì)劃，主要包括以下方面：

(1)向主管部門提出生產(chǎn)工藝設(shè)備、儀器儀表、基礎(chǔ)設(shè)施、原材料等資源需求計(jì)劃，對(duì)設(shè)備、儀器儀表、基礎(chǔ)設(shè)施等做日常維護(hù)；

(2)制定操作人員培訓(xùn)和考核計(jì)劃；

(3)對(duì)過程和質(zhì)量一致性檢驗(yàn)用的測(cè)量和試驗(yàn)設(shè)備以及生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行控制，新購買或新領(lǐng)用的測(cè)量設(shè)備必須經(jīng)計(jì)量合格后才能使用，新購買或新領(lǐng)用的生產(chǎn)設(shè)備需進(jìn)行鑒定或確認(rèn)后才能使用，計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)按檢定規(guī)程規(guī)定周期進(jìn)行檢定；

(4)產(chǎn)品用材料、外購件必須經(jīng)檢驗(yàn)，確保合格品入庫和使用；

(5)嚴(yán)格工藝操作，嚴(yán)格執(zhí)行自檢、互檢、專檢制度，做好生產(chǎn)檢查記錄并對(duì)生產(chǎn)過程的質(zhì)量記錄實(shí)施控制，每個(gè)生產(chǎn)程序的詳細(xì)操作和控制都應(yīng)有工藝文件，并做到文實(shí)相符；

(6)對(duì)各種材料、半成品、成品的搬運(yùn)和包裝應(yīng)進(jìn)行控制，防止在貯存和搬運(yùn)過程中出現(xiàn)損傷；

(7)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行有效的追溯以便查找已發(fā)生或潛在不合格的原因，確保能夠追溯和確定其精密制備過程，其中包括追溯到設(shè)備、操作人員等，并能追溯到合格產(chǎn)品在實(shí)際制造中所用的原材料的批號(hào)；

(8)對(duì)失效和缺陷采取糾正措施，消除失效和缺陷的產(chǎn)生原因，防止同類失效和缺陷的再次發(fā)生；

(9)不合格品管理，對(duì)不合格品進(jìn)行分析，提出糾正措施并予以實(shí)行，防止不合格再發(fā)生；

(10)對(duì)采購文件和生產(chǎn)控制文件進(jìn)行管理，確保文件的有效性，使所采購原材料和產(chǎn)品滿足規(guī)定要求；

(11)對(duì)過程控制進(jìn)行記錄及時(shí)反映質(zhì)量波動(dòng)狀況，預(yù)防不合格品的發(fā)生；

(12)質(zhì)量過程所有環(huán)節(jié)的技術(shù)和活動(dòng)都應(yīng)編制相應(yīng)的質(zhì)量控制文件，文件的規(guī)定具有可操作性，滿足產(chǎn)品質(zhì)量控制要求。

除以上內(nèi)容外，我所對(duì)生產(chǎn)線的內(nèi)部質(zhì)量審核為每年兩次，鑒定機(jī)構(gòu)應(yīng)至少每年對(duì)生產(chǎn)線審核一次。

2 分析不合格原因，提出改進(jìn)措施，提高合格率

三結(jié)砷化鎵太陽電池的生產(chǎn)工藝流程如圖2。

2007年1月，40 mm×60 mm三結(jié)砷化鎵太陽電池的生產(chǎn)量為1362片，合格電池為989片，合格率為72.6%。不合格電池為373片，統(tǒng)計(jì)表見表1。圖3為幾種形式的不合格電池局部照片。

圖2 三結(jié)砷化鎵太陽電池的生產(chǎn)工藝流程圖

表1 2007年1月影響GaAs/Ge太陽電池合格率頻數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖3 幾種形式的不合格電池局部照片

從圖表可以看出，裂片、上電極不牢、下電極不牢、外觀不佳和電性能不合格是影響GaAs/Ge太陽電池合格率的原因。而裂片和外觀不佳是影響GaAs/Ge太陽電池合格率的主要原因。而上電極工序、下電極工序、劃片和光刻工序的裂片為主要裂片工序。

通過以下措施，減少由于裂片和外觀不佳引起的不合格：

(1)新上崗人員由于缺少經(jīng)驗(yàn)，從而在操作過程中造成了較高的裂片率，為此，將其培訓(xùn)周期延長，在培訓(xùn)周期內(nèi)，用廢片替代正式電池，直到操作者完全熟練操作。

(2)蒸鍍工藝進(jìn)行重新摸索，特別是針對(duì)第一層蒸鍍材料鈦的蒸鍍厚度和速率進(jìn)行了的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)牢固度好壞與蒸鍍厚度和速率之間的關(guān)系，最終找出了合適的蒸鍍條件。

(3)在前面的生產(chǎn)中，下電極電極不牢的主要原因?yàn)樗妹绹O(shè)備由在蒸鍍過程中蒸發(fā)速率上不去或異常的現(xiàn)象。為此，我們對(duì)對(duì)設(shè)備進(jìn)行了以下維護(hù)：定期清理真空室內(nèi)坩堝和導(dǎo)線上沉積物；增加了坩堝套以提高蒸發(fā)速率。

(4)外觀不佳的電池中，大部分是由于減反射膜工序的工裝夾具不合適和Cap層欠腐蝕。為此，此工序操作人員將工裝夾具打磨，重新改換夾電池的夾子，并定期對(duì)工裝夾具檢查，做到提前防范。同時(shí)，提高腐蝕均勻性，嚴(yán)格控制腐蝕時(shí)間，確保CAP腐蝕均勻一致，消除過腐蝕和欠腐蝕現(xiàn)象。

(5)使用自動(dòng)清洗機(jī)進(jìn)行腐蝕和沖水，替代手工操作。

通過以上措施，三結(jié)砷化鎵太陽電池成品率從72.6%提高為85%以上。

3 優(yōu)化三結(jié)砷化鎵太陽電池結(jié)構(gòu)，提高光電轉(zhuǎn)換效率

通過以下優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高三結(jié)砷化鎵太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率：

(1)GaInP2頂電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化；

(2)中間子電池的性能改進(jìn)；

(3)改善電池材料間晶格匹配；

(4)隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；

(5)減反射膜設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

經(jīng)過優(yōu)化后，明顯提高中間電池的輸出電流，對(duì)提高整體電池性能起到明顯作用。圖4是頂電池優(yōu)化前后外量子效率對(duì)比。圖5是優(yōu)化前后電池表面反射率的對(duì)比。

圖4 頂電池優(yōu)化前后電池外量子效率對(duì)比圖

圖5 優(yōu)化前后電池表面反射率的對(duì)比圖

通過對(duì)電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，三結(jié)砷化鎵批產(chǎn)效率從平均光電轉(zhuǎn)換效率為26.8%提高到28%以上。

4 采用SPC技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行分析和控制

根據(jù)三結(jié)砷化鎵太陽電池的生產(chǎn)工藝流程圖所示，生產(chǎn)過程包括外延、光刻、蒸鍍上電極、蒸鍍下電極、電極加固、劃片、腐蝕CAP層、蒸鍍減反射膜8道工序。

根據(jù)選取的參數(shù)確實(shí)能表征工序的狀態(tài)和對(duì)該參數(shù)能進(jìn)行定量測(cè)試的原則，選取光刻、蒸鍍上電極、蒸鍍下電極作為實(shí)施SPC控制的攻關(guān)工序，選取的工藝控制參數(shù)為光刻工序光刻膠厚度、蒸鍍上電極工序上電極厚度、蒸鍍下電極工序下電極蒸鍍厚度為控制參數(shù)。

在實(shí)施SPC時(shí)，在正常生產(chǎn)的狀態(tài)下每個(gè)工序采集定量數(shù)據(jù)進(jìn)行SPC分析，并得出分析用SPC控制圖，在確定分析用控制圖后，將使用其延長線繪制控制用控制圖，并在日常生產(chǎn)過程中使用，并確定了相應(yīng)的判斷準(zhǔn)則，在控制圖出現(xiàn)異常時(shí)，我們進(jìn)行質(zhì)量分析，分析異常情況出現(xiàn)的原因，采取相應(yīng)的措施。如果是壞的異常，則采取措施將其消除，并避免以后再次出現(xiàn)，并重新繪制分析用控制圖。如果是好的異常，則查明原因，并且采取保持措施將其保持，并使工藝過程重新進(jìn)入新的統(tǒng)計(jì)狀態(tài)，同時(shí)繪制分析用控制圖。

對(duì)于工序能力指數(shù)，在實(shí)施SPC的過程中，每個(gè)月計(jì)算一次Cpk值，若Cpk不能滿足要求，根據(jù)情況，通過調(diào)整工藝來降低工藝參數(shù)分布中心與工藝規(guī)范要求中心的偏移程度或者減小標(biāo)準(zhǔn)偏差σ，具體方法可以根據(jù)各個(gè)關(guān)鍵工序的特點(diǎn)，通過優(yōu)化工藝來提高Cpk值。

實(shí)施SPC工序改進(jìn)前后Cpk值對(duì)比見表2。

表2 實(shí)施SPC工序改進(jìn)前后Cpk值

5 結(jié)論

通過合理安排生產(chǎn)計(jì)劃，做好生產(chǎn)線質(zhì)量計(jì)劃；分析不合格原因，提出改進(jìn)措施；采用SPC技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行分析和控制等途徑，將三結(jié)砷化鎵太陽電池成品率從72.6%提高為85%以上，三結(jié)砷化鎵批產(chǎn)效率從平均光電轉(zhuǎn)換效率為26.8%提高到28%以上，縮短工程型號(hào)所需的生產(chǎn)周期，提高了工程型號(hào)用太陽電池陣功率。

生產(chǎn)線進(jìn)行的一系列生產(chǎn)管理的工作也為后續(xù)產(chǎn)品的生產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。未來幾年，我們將研制生產(chǎn)光電轉(zhuǎn)換效率更高的正向生長的GaInP2/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池[1]以及反向生長多結(jié)(IMM)高效太陽電池[2]，這些生產(chǎn)管理方法也將發(fā)揮較好的作用。

[1]FETZER C.Production 30%efficient triple junction space solar cells[C]//Thirty-third IEEE PVSC.US:IEEE,2008.

[2]CORNFELD B.Development of a large area inverted metamorphic multi-junction(IMM)highly efficient AM0 solar cell[C]//Thirtythird IEEE PVSC.US:IEEE,2008:26.