石墨舟印EL發(fā)黑異常原因及解決措施

王貴梅 王德昌 張福慶 張永 王玉肖

（晶澳太陽能有限公司，河北邢臺(tái) 055550）

0.引言

在晶體硅電池產(chǎn)業(yè)制造過程中，P型硅普遍采用技術(shù)路線為SE-PERC（Selective Emitter-Passivated Emitterand Rear Cell，選擇性發(fā)射極背鈍化電池），一般背面鈍化膜采用氧化鋁+氮化硅，正面鈍化膜采用氮化硅結(jié)構(gòu)，氮化硅薄膜采用管式PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積）制備，氧化鋁薄膜采用ALD（Atomic Layer Deposition，原子層沉積）或者PECVD等方式制備。ALD方式制備的氧化鋁結(jié)構(gòu)更接近其化學(xué)計(jì)量比，薄膜致密，可實(shí)現(xiàn)原子級(jí)的控制精度，薄膜均勻性好，相比CVD技術(shù)，ALD制備的薄膜雜質(zhì)少，均勻性好，尤其是可實(shí)現(xiàn)低溫沉積減少對(duì)硅片的損傷，而且氣體耗量低，相對(duì)較薄的厚度就能達(dá)到較好的鈍化效果[1]。本文基于ALD方式沉積氧化鋁工藝路線基礎(chǔ)上分析驗(yàn)證管式PECVD石墨舟印EL（Electroluminescence電致發(fā)光）發(fā)黑異常原因及解決措施，通過各個(gè)影響點(diǎn)針對(duì)性的管控優(yōu)化提升產(chǎn)品良率。

EL測(cè)試原理是利用晶體硅的電致發(fā)光原理，利用高分辨率的紅外相機(jī)拍攝電池的近紅外圖像，獲取并判定電池的缺陷。測(cè)試時(shí)在電池上施加正向偏壓，獲得載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度的信息，EL發(fā)黑區(qū)域表明電池片串聯(lián)電阻高或者并聯(lián)電阻低，或者少子被復(fù)合[2]，石墨舟印EL發(fā)黑為雜質(zhì)導(dǎo)致少子復(fù)合。

1.實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

本文采用蘇州捷運(yùn)昇能源科技有限公司的WAVELABSSINUS-200檢測(cè)成品太陽電池的電性能和進(jìn)行EL測(cè)試。典型石墨舟印EL發(fā)黑如圖1所示，受污染類型、程度、EL參數(shù)設(shè)置差異等因素影響，石墨舟印EL發(fā)黑嚴(yán)重程度表現(xiàn)可能存在差異性。

圖1 石墨舟印EL圖片

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于單晶P型電池SE-PERC電池片生產(chǎn)工藝如圖2所示，分析驗(yàn)證石墨舟清洗機(jī)、烘干機(jī)雜質(zhì)污染石墨舟、石墨舟不同呆滯時(shí)間、石墨舟工藝時(shí)出現(xiàn)真空泵突然停止粉塵噴舟等因素對(duì)石墨舟印EL發(fā)黑的影響。

圖2 SE-PERC電池片生產(chǎn)工藝

2.結(jié)果與討論

2.1 石墨舟清洗機(jī)、烘干機(jī)雜質(zhì)污染

在工業(yè)化PECVD生產(chǎn)中，常用氮化硅做硅片的鈍化膜。由于氮化硅鈍化介質(zhì)膜具有良好的絕緣性，隨著石墨舟工藝次數(shù)的增加，在石墨舟舟片表面會(huì)沉積一層較厚的氮化硅薄膜，對(duì)石墨舟導(dǎo)電性能產(chǎn)生一定影響，對(duì)電池片光電轉(zhuǎn)換效率、外觀顏色等存在不良的影響，因此石墨舟需要定期清洗[3]，SE-PERC產(chǎn)線上石墨舟一般在工藝次數(shù)達(dá)到60～80次時(shí)下線清洗。 根據(jù)氮化硅的化學(xué)特性，在工藝化生產(chǎn)過程中，一般使用HF酸進(jìn)行腐蝕[4]，去除石墨舟表面的氮化硅薄膜，在實(shí)驗(yàn)過程中使用的45%濃度的HF酸與水體積比例為2:7的混合溶液，石墨舟酸洗時(shí)間為6h，經(jīng)過HF酸清洗后，水噴淋清洗1h，再進(jìn)行5h的水洗，隨后取出石墨舟，進(jìn)行氮?dú)怙L(fēng)干表面。此外，還需要在150℃～200℃烘干機(jī)中進(jìn)一步烘干石墨舟內(nèi)部水分，在烘干過程中，需要保證烘干腔體內(nèi)負(fù)壓，并持續(xù)進(jìn)行氮?dú)獯祾撸ＷC石墨舟所攜帶水汽全部排出。

本次實(shí)驗(yàn)使用4臺(tái)清洗機(jī)和2臺(tái)烘干機(jī)，其產(chǎn)能對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示，其中烘干機(jī)1腔體內(nèi)護(hù)板、風(fēng)機(jī)加熱管表面存在粉末附著污染，烘干機(jī)2腔體內(nèi)護(hù)板、風(fēng)機(jī)加熱管表面潔凈，目視無污染，如圖3所示。

表1 清洗機(jī)和烘干機(jī)產(chǎn)能對(duì)應(yīng)表

圖3 不同烘干機(jī)內(nèi)部外觀對(duì)比

烘干機(jī)1腔體護(hù)板、風(fēng)機(jī)加熱管表面產(chǎn)生粉末，分析主要原因?yàn)槭畚降乃嵝砸后w，在高溫下?lián)]發(fā)，多次工藝下經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間腐蝕，與烘干機(jī)內(nèi)部部分金屬材質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致金屬材質(zhì)被腐蝕。對(duì)烘干機(jī)1表面粉末進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)用電子顯微鏡進(jìn)行元素質(zhì)譜分析掃描成份，測(cè)得元素分析如表2所示，其中O和C可能來源于空氣，F(xiàn)為氫氟酸和氮化硅的反應(yīng)產(chǎn)物或氫氟酸殘留提供，F(xiàn)e為烘干機(jī)部件材質(zhì)提供，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間氧化、腐蝕形成含鐵的化合物，該粉末用吸鐵石可以吸附。Fe對(duì)于半導(dǎo)體硅而言屬于深能級(jí)雜質(zhì)，是復(fù)合中心，具有降低硅中載流子壽命的作用[5]。跟蹤烘干機(jī)1對(duì)應(yīng)產(chǎn)線烘干石墨舟生產(chǎn)電池片，其石墨舟印EL發(fā)黑比例明顯異常偏高在4%以上，烘干機(jī)2對(duì)應(yīng)產(chǎn)線烘干石墨舟生產(chǎn)電池片，石墨舟印EL發(fā)黑比例小于0.02%，具體如圖4所示。

表2 烘干機(jī)內(nèi)部粉塵元素分析

圖4 清洗機(jī)、烘干機(jī)對(duì)應(yīng)石墨舟印EL比例

實(shí)驗(yàn)用烘干機(jī)臺(tái)1比烘干機(jī)臺(tái)2早投入使用3個(gè)月左右，我們分析粉末受時(shí)間積累影響，導(dǎo)致烘干機(jī)1相較烘干機(jī)2粉末狀況差，持續(xù)觀察烘干機(jī)臺(tái)2粉末積累隨著時(shí)間有增加趨勢(shì)，佐證粉末受時(shí)間積累影響。對(duì)烘干機(jī)進(jìn)行精細(xì)化維護(hù)，主要包括拆卸舟架、內(nèi)部護(hù)板，并使用纖維紙對(duì)舟架、內(nèi)部護(hù)板、風(fēng)機(jī)加熱管進(jìn)行徹底的清理，將相應(yīng)內(nèi)部附著物全部徹底清理干凈。按上述方法清理后，跟蹤對(duì)應(yīng)石墨舟生產(chǎn)的電池片EL石墨舟印比例下降至1.5%～2% 未達(dá)到正常0.05%以下水平。我們分析石墨舟循環(huán)使用，清洗過程中將Fe帶到清洗機(jī)各槽體，形成交叉污染。因此，針對(duì)相應(yīng)清洗機(jī)進(jìn)行HCL泡槽和維護(hù)，清洗機(jī)維護(hù)后，再次跟蹤對(duì)應(yīng)石墨舟生產(chǎn)的電池片EL石墨舟印EL比例為0.01%，恢復(fù)至正常水平。石墨舟烘干機(jī)每月精細(xì)化維護(hù)清理內(nèi)部粉末，石墨舟清洗機(jī)每月進(jìn)行HCL泡槽維護(hù)，有助于降低石墨舟印EL發(fā)黑的產(chǎn)生比例，如表3所示。

表3 改進(jìn)前后石墨舟印EL對(duì)比

2.2 石墨舟呆滯時(shí)間

石墨本身是由碳原子組成，石墨是元素碳的一種同素異形體，碳的空隙結(jié)構(gòu)使石墨材料具備良好的吸附性，可以用作吸附水分、氣味、有毒物質(zhì)等[6]。石墨舟飽和的目的是防止出現(xiàn)電池片品質(zhì)等異常，通常做法是在石墨舟上沉積一層幾百甚至上千納米的Si3N4保護(hù)薄膜，此保護(hù)薄膜一方面可以減少石墨舟對(duì)周圍環(huán)境中水分、氣味等的吸附作用；另一方面防止鍍膜時(shí)石墨舟片出現(xiàn)和硅片“搶食”現(xiàn)象，形成鍍膜色差[7]。石墨舟在飽和前更容易吸附環(huán)境中的水汽和雜質(zhì)受污染，安排石墨舟烘干后、飽和前不同呆滯時(shí)間條件對(duì)比，發(fā)現(xiàn)呆滯時(shí)間越長(zhǎng)，生產(chǎn)的電池片石墨舟印EL發(fā)黑比例越高，如表4所示，28h石墨舟印比例急劇上升。因此控制石墨舟烘干到飽和時(shí)間是有必要的，要求烘干12h以內(nèi)進(jìn)行飽和。具體呆滯時(shí)間與石墨舟印比例關(guān)系和石墨舟呆滯所處環(huán)境溫濕度、潔凈度直接相關(guān)。因此，這種規(guī)律性是相對(duì)重要的，時(shí)長(zhǎng)和比例可能會(huì)跟隨石墨舟存放環(huán)境的溫濕度、潔凈度改變而改變。

表4 石墨舟烘干到飽和呆滯時(shí)間與石墨舟印比例

2.3 石墨舟工藝過程中出現(xiàn)真空泵異常停止

管式低頻直接法PECVD設(shè)備采用電阻式加熱將整個(gè)爐管加熱到工藝所需溫度，石墨舟由耐高溫的SIC槳放置在爐管內(nèi)部。石墨舟尾部與射頻電極相連接，PECVD工藝需要在低壓環(huán)境下完成，真空泵是實(shí)現(xiàn)低壓、穩(wěn)定低壓的必要條件。真空泵通過特殊材質(zhì)的真空管道與爐管相連，完成對(duì)爐管的抽真空目的。在一定壓力下，通入生成相關(guān)減反射鈍化膜所需的特氣，待壓力穩(wěn)定后，打開射頻電源，相鄰的石墨舟片間形成正負(fù)極，特氣在兩兩相鄰的舟片間發(fā)生紫色的輝光放電，輝光放電會(huì)分解舟片間的特氣，使其形成離子態(tài)，最終結(jié)合成相應(yīng)的分子沉積在硅片、舟片表面。未反應(yīng)的特氣及相應(yīng)介質(zhì)膜反應(yīng)產(chǎn)物，會(huì)在真空泵抽力的作用下排出爐管。

管式PECVD工藝過程對(duì)爐管的真空度有一定的要求，目前工藝下，一般壓力控制范圍為1200m～2000m Torr（毫托），通過真空泵在爐管尾部抽出內(nèi)部空氣及反應(yīng)殘留物實(shí)現(xiàn)[8]。在工藝過程中，因機(jī)臺(tái)自身問題，外部動(dòng)力環(huán)境因素等不可避免地會(huì)出現(xiàn)工藝中斷情況。出現(xiàn)真空泵異常停止或者真空泵轉(zhuǎn)速下降情況，因爐管內(nèi)部壓力較低，此時(shí)尾排氮化硅粉末等異物會(huì)通過真空泵管道返回爐管內(nèi)部，粉塵污染石墨舟及其載放的硅片，該硅片下傳，或者該石墨舟繼續(xù)載片生產(chǎn)，都會(huì)出現(xiàn)麻點(diǎn)狀石墨舟印EL發(fā)黑，如圖5所示。真空泵出現(xiàn)異常停止或者真空泵轉(zhuǎn)速下降異常情況，對(duì)應(yīng)的硅片需進(jìn)行轉(zhuǎn)返工處理，不進(jìn)行下傳，對(duì)應(yīng)石墨舟應(yīng)下線清洗、烘干后重新上線。同時(shí)對(duì)應(yīng)異常爐管根據(jù)返尾排氮化硅粉末的多少，進(jìn)行對(duì)應(yīng)改善動(dòng)作。其一，若返尾排氮化硅粉末較少，表現(xiàn)為舟表面有輕微粉塵，爐管內(nèi)部基本正常，需要對(duì)爐管進(jìn)行大流量氮?dú)馇逑矗鐖D6所示。其二，若尾排氮化硅粉末較多，表現(xiàn)為爐管內(nèi)部出現(xiàn)大量粉塵，如圖7所示，需要對(duì)爐管進(jìn)行降溫，用專用吸塵器進(jìn)行清理，清理后升溫、飽和爐管，然后再復(fù)機(jī)。按上述方法能夠有效規(guī)避此類EL不良的發(fā)生。

圖5 石墨舟工藝時(shí)出現(xiàn)真空泵停止

圖6 真空泵異常時(shí)返尾排氮化硅粉末較少

圖7 真空泵異常時(shí)返尾排氮化硅粉末較多

3.結(jié)語

管式PECVD石墨舟印EL發(fā)黑產(chǎn)生的原因?yàn)槭凼艿诫s質(zhì)污染，雜質(zhì)可能來源于石墨舟清洗機(jī)、烘干機(jī)（尤其是內(nèi)部材質(zhì)含金屬Fe污染對(duì)石墨舟印發(fā)黑影響嚴(yán)重），環(huán)境水汽、氣味、做工藝時(shí)尾氣粉塵等。采取相對(duì)應(yīng)的管控措施，如烘干機(jī)制訂清理維護(hù)周期，清洗機(jī)定期用HCL泡槽，控制石墨舟呆滯時(shí)間，石墨舟烘干8h以內(nèi)必須進(jìn)行飽和，飽和上線使用后，呆滯時(shí)間超過2h熱舟，超過16h需要重新清洗、烘干，及時(shí)飽和才能保證品質(zhì)正常，具體時(shí)長(zhǎng)可能會(huì)跟隨石墨舟存放環(huán)境溫濕度、潔凈度改變。石墨舟工藝時(shí)，真空泵異常停止的電池片轉(zhuǎn)返工處理，不進(jìn)行下傳，相應(yīng)爐管進(jìn)行清理、飽和后進(jìn)行復(fù)機(jī)，以上措施管控同時(shí)應(yīng)用，能夠解決石墨舟印EL發(fā)黑異常，提升電池片良率。