現(xiàn)階段，磁進一步增強生物化學(xué)固相堆積法(plasmaenhanced chemical vapor deposition，PECVD)是在基板表層鍍制還原染料的主要就方式。該方式是向爐管化學(xué)反應(yīng)室管路中通入工藝技術(shù)液體，選用微波放電造成磁，工藝技術(shù)液體在磁中贏得能量被喚起、極化，出現(xiàn)生物化學(xué)變化聚合碳化硅，并在基板表層堆積逐步形成碳化硅石墨的操作過程[1]。

按照樣品安放結(jié)構(gòu)的不同，PECVD設(shè)備可以分為雙管PECVD設(shè)備和平板式PECVD設(shè)備。研究人員對雙管PECVD設(shè)備堆積碳化硅石墨時的工藝技術(shù)參數(shù)調(diào)整進行了大量研究，研究結(jié)果表明，工藝技術(shù)液體流量比、堆積溫度、微波功率、化學(xué)反應(yīng)室壓力等都會影響碳化硅石墨的堆積速率、膜厚均勻性與折射率，以及鈍化效果等[2-4]。隨著光伏發(fā)電越來越趨近于平價上網(wǎng)，這就要求太陽電池制備的各生產(chǎn)環(huán)節(jié)不斷提高生產(chǎn)效率，從而降低生產(chǎn)成本。

電液推桿本文以提高光伏設(shè)備的產(chǎn)能來降低生產(chǎn)成本作為出發(fā)點，提出了一種優(yōu)化后的雙管PECVD設(shè)備結(jié)構(gòu)，其合理利用了設(shè)備的凈化臺空間，增加了具有緊接著功能的結(jié)構(gòu)部件，構(gòu)成了緊接著型雙管PECVD設(shè)備，減少了鍍膜工藝技術(shù)操作過程中的恒溫時間，從而縮短了鍍膜工藝技術(shù)的總時長，同時還有利于提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率；然后通過實驗研究了結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的緊接著型雙管PECVD設(shè)備對鍍膜性能的影響。

1緊接著型雙管PECVD設(shè)備的結(jié)構(gòu)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

常規(guī)型雙管PECVD設(shè)備主要就由上料滑臺、凈化臺、爐體柜、氣源柜、真空泵、下料滑臺等組成。緊接著型雙管PECVD設(shè)備是在常規(guī)型管式PECVD設(shè)備的爐體柜一側(cè)增加了緊接著腔，并在凈化臺區(qū)域增加了緊接著傳送區(qū)。緊接著型雙管PECVD設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

在圖1所示的緊接著型雙管PECVD設(shè)備中：

1)上料滑臺是將裝卸片區(qū)中已裝載好基板的石墨舟載具輸送到緊接著型雙管PECVD設(shè)備的凈化臺。凈化臺分為緊接著傳送區(qū)、石墨舟載具傳輸區(qū)、冷卻區(qū)，主要就作用是提供一個潔凈空間，用于完成基板及石墨舟載具從上、下料滑臺到爐體柜中加熱爐管的爐管化學(xué)反應(yīng)室之間的運輸。

2)爐體柜內(nèi)主要就放置加熱爐管，基板在加熱爐管的爐管化學(xué)反應(yīng)室內(nèi)完成鍍膜工藝技術(shù)。

3)氣源柜內(nèi)主要就包括氣路系統(tǒng)、微波系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)等系統(tǒng)的部件。

4)真空泵通過真空管道與氣源柜內(nèi)的壓力控制系統(tǒng)連接，主要就作用是對爐管化學(xué)反應(yīng)室進行抽真空并配合完成壓力控制動作。

電液推桿5)緊接著腔與爐體柜并排，緊鄰凈化臺中的預(yù)熱傳送區(qū)，用于完成基板及石墨舟載具由室溫向緊接著溫度升溫的操作過程。

6)下料滑臺將冷卻后的基板及石墨舟載具輸送到裝卸片區(qū)，便于完成鍍膜工藝技術(shù)后的基板流轉(zhuǎn)到下一道工序。

1.2 凈化臺的結(jié)構(gòu)

緊接著型雙管PECVD設(shè)備在凈化臺區(qū)域增加了緊接著傳送區(qū)，包括緊接著的石墨舟載具及基板的傳動部件、三軸機械手裝置、緊接著傳送裝置等，而原本的四軸機械手裝置經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后安裝在凈化臺的中間區(qū)域。緊接著型雙管PECVD設(shè)備的凈化臺的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，緊接著傳送裝置的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

在凈化臺的緊接著傳送區(qū)中的上料平臺上，裝載好基板的石墨舟載具通過升降機構(gòu)在豎直方向運動。三軸機械手裝置通過電機、減速機、齒輪齒條傳動、滑塊、導(dǎo)軌等實現(xiàn)第二Z軸、第二Y軸、第三Y軸方向的運動，將上料平臺上的石墨舟載具放置在緊接著推桿上。緊接著傳送區(qū)設(shè)有多個預(yù)熱推桿和相應(yīng)數(shù)量的緊接著腔。緊接著推桿通過電機、減速機、皮帶輪、皮帶傳動、滑塊、導(dǎo)軌等實現(xiàn)第二X軸方向的運動，將緊接著推桿上的石墨舟載具運送至緊接著腔內(nèi)或?qū)⒕o接著腔內(nèi)的石墨舟載具取出，緊接著推桿上的爐門與緊接著腔貼緊后形成了封閉的腔室。

電液推桿石墨舟載具傳輸區(qū)的四軸機械手裝置通過電機、減速機、齒輪齒條傳動、滑塊、導(dǎo)軌等實現(xiàn)第一X軸、第一Y軸、第一Z軸方向的移動，通過凸輪裝置實現(xiàn)繞支點在XOZ平面的轉(zhuǎn)動，精確地將緊接著傳送裝置上的石墨舟載具運送至爐管化學(xué)反應(yīng)室內(nèi)，或?qū)t管化學(xué)反應(yīng)室內(nèi)的石墨舟載具取出后放置到冷卻區(qū)。

冷卻區(qū)設(shè)有多個冷卻緩存位。四軸機械手裝置將冷卻緩存位上冷卻結(jié)束的石墨舟載具轉(zhuǎn)運到下料機構(gòu)的下料托盤上，然后下料機構(gòu)沿Z軸方向豎直運動，通過升降機構(gòu)將石墨舟載具輸送至下料平臺。

合理利用凈化臺空間進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，增加緊接著功能后，可使石墨舟載具和基板快速達到預(yù)設(shè)溫度，節(jié)省了單次鍍膜工藝技術(shù)時間，從而提高了雙管PECVD設(shè)備的產(chǎn)能。

2緊接著型雙管PECVD設(shè)備的鍍膜性能實驗

2.1 實驗條件

2.1.1實驗材料

本實驗選用的基板為市售p型單晶基板，尺寸為156.75 mm×156.75 mm，厚度為180±30m，電阻率為1～3Ωcm。實驗用單晶基板的實物圖如圖4所示。

2.1.2實驗設(shè)備

本實驗選用湖南紅太陽光電科技有限公司制造的緊接著型雙管PECVD設(shè)備，該設(shè)備配備的是載片量為416片的石墨舟載具。測試儀器包括型號為GM1150A的紅外測溫儀、型號為EV-400的橢偏儀及測試分選機。實驗設(shè)備的實物圖如圖5所示。

2.2 實驗內(nèi)容

電液推桿1)常規(guī)的基板正面堆積碳化硅石墨的工藝技術(shù)恒溫時間約為20 min，在現(xiàn)有生產(chǎn)線上常規(guī)的硅片正面堆積碳化硅石墨工藝技術(shù)(下文簡稱為不預(yù)熱+不縮減工藝技術(shù)恒溫時間)的基礎(chǔ)上，分別進行不同緊接著溫度及工藝技術(shù)恒溫時間縮減3、6、9、12 min時(下文簡稱為緊接著+縮減工藝技術(shù)恒溫時間)的測試，然后對比不同緊接著溫度與工藝技術(shù)恒溫時間縮減幅度之間的關(guān)系，以確定適合生產(chǎn)線中基板正面堆積碳化硅石墨較優(yōu)的緊接著溫度與工藝恒溫時間縮減幅度。緊接著溫度的測試方式為：在22±2℃的恒溫車間環(huán)境下，石墨舟載具進入爐管化學(xué)反應(yīng)室前，需用紅外測溫儀測量石墨舟的最外側(cè)舟片的中心點溫度，以判斷其是否達到目標(biāo)的緊接著溫度，并重復(fù)測試3次以上。

2)選用前一項實驗內(nèi)容中確定的較優(yōu)的預(yù)熱+縮減工藝技術(shù)恒溫時間工藝技術(shù)制備PERC單晶硅太陽電池，然后對比分別選用緊接著+縮減工藝技術(shù)恒溫時間與不緊接著+不縮減工藝技術(shù)恒溫時間工藝技術(shù)制備的PERC單晶硅太陽電池的電性能測試結(jié)果，以確定雙管PECVD設(shè)備增加緊接著處理后對PERC單晶硅太陽電池電性能的影響。

3實驗方式及實驗結(jié)果分析

3.1 膜厚均勻性測試

3.1.1實驗方式

電液推桿每次不同緊接著溫度及不同工藝技術(shù)恒溫時間縮減幅度實驗結(jié)束后，分別選取同一批次爐內(nèi)位置為邊列和中間列的爐口、爐中、爐尾6個位置的鍍膜后的實驗基板，然后選用橢偏儀對每個基板的正面進行膜厚數(shù)據(jù)測試；每個基板的正面都測試5個點(1個中心點和4個角點)的膜厚，最后通過膜厚均勻性計算公式計算基板內(nèi)的膜厚均勻性和(下文簡稱片內(nèi)均勻性)基板間的膜厚均勻性(下文簡稱片間均勻性)數(shù)值。

膜厚均勻性的計算公式為：

式中，S1為片內(nèi)均勻性(或片間均勻性)；Di為第i次膜厚檢測值；n為測試點數(shù)量；D為各次膜厚檢測值的平均值。

其中，

3.1.2實驗結(jié)果分析

根據(jù)橢偏儀測得鍍膜后的實驗基板正面的膜厚數(shù)據(jù)，利用式(1)計算得到不同緊接著溫度與不同工藝技術(shù)恒溫時間縮減幅度下的片內(nèi)均勻性和片間均勻性，具體如圖6、圖7所示。

由圖6和圖7可知，在基板正面堆積氮化硅石墨的操作過程中，在同一緊接著溫度條件下，隨著工藝技術(shù)恒溫時間縮減幅度的增加，鍍膜后的實驗硅片的片內(nèi)均勻性和片間均勻性整體上均呈上升趨勢，這說明膜厚均勻性越來越差。

電液推桿當(dāng)工藝技術(shù)恒溫時間縮減3 min時，不同緊接著溫度條件下，鍍膜后的實驗基板的片內(nèi)均勻性及片間均勻性均差距不大。當(dāng)工藝技術(shù)恒溫時間縮減6～12 min時，在同一工藝技術(shù)恒溫時間縮減幅度下，隨著緊接著溫度的升高，鍍膜后的實驗基板的片內(nèi)均勻性和片間均勻性均大致呈現(xiàn)下降的趨勢，這說明實驗基板的膜厚均勻性越來越好。尤其是當(dāng)工藝恒溫時間縮減6 min和縮減9 min時，緊接著溫度分別為200℃、300℃時的片間均勻性相差不大，且上述條件時片內(nèi)均勻性的差異均在行業(yè)要求的±4%以內(nèi)。考慮到石墨舟載具從緊接著腔到爐管化學(xué)反應(yīng)室的操作過程中在高溫段的降溫速率超過了2℃/s，此種情況下在實際生產(chǎn)操作過程中較難保證300℃的進舟溫度，再加上工業(yè)節(jié)能方面的要求，因此，建議在石墨舟開始鍍膜工藝技術(shù)時將緊接著溫度保證為200℃較為適宜。由于工藝技術(shù)恒溫時間縮減9 min時的產(chǎn)能提升比縮減6 min時更大，因此選擇工藝技術(shù)恒溫時間縮減9 min。

電液推桿從緊接著溫度為200℃時的片內(nèi)均勻性和片間均勻性曲線可以看出，工藝技術(shù)恒溫時間縮減9 min時，片內(nèi)均勻性為3.92%，片間均勻性為6.1%，這主要是因爐口位置鍍膜基板到爐尾位置鍍膜基板之間的膜厚差導(dǎo)致的，實驗操作過程中并未將工藝技術(shù)參數(shù)調(diào)至最佳，但通過調(diào)整壓力、流量、工藝技術(shù)溫度等工藝技術(shù)參數(shù)可滿足行業(yè)內(nèi)要求的片內(nèi)均勻性和片間均勻性差異均在±4%。實驗結(jié)果表明，以200℃進行石墨舟載具緊接著處理、工藝技術(shù)恒溫時間縮減9min是較優(yōu)的工藝技術(shù)條件組合，該條件既有利于保證膜厚的均勻性，又能提高雙管PECVD設(shè)備的產(chǎn)能。

3.2 溫度場均勻性測試

3.2.1實驗方式

對緊接著溫度200℃ +工藝技術(shù)恒溫時間縮減9min與不緊接著+不縮減工藝技術(shù)恒溫時間這2組實驗進行分析。

1)分別測試爐內(nèi)位置為邊列和中間列的爐口、爐中、爐尾6個位置的鍍膜基板的膜厚數(shù)據(jù)，并計算同一工藝技術(shù)條件下邊列和中間列同一爐內(nèi)位置時鍍膜基板的膜厚差值。

2)利用安裝在爐管化學(xué)反應(yīng)室底部的熱電偶反映堆積碳化硅石墨工藝技術(shù)操作過程中石墨舟內(nèi)基板的溫度變化趨勢。

3.2.2實驗結(jié)果分析

同一工藝技術(shù)條件下邊列和中間列同一爐內(nèi)位置時基板的膜厚差值如圖8所示。

由圖8可知，緊接著處理后中間列與邊列同一爐內(nèi)位置基板的膜厚差值明顯減小，根據(jù)文獻[3]中隨著堆積時溫度的增加，堆積速率也隨之增加的結(jié)論，可判斷出經(jīng)過緊接著處理后，石墨舟載具中間區(qū)域的溫度與兩側(cè)區(qū)域溫度的差異減小，所以堆積速率差異減小，膜厚差值減小。

熱電偶在線監(jiān)測的堆積碳化硅石墨工藝技術(shù)操作過程中爐中溫區(qū)(MZ)的溫度曲線如圖9所示。

電液推桿由圖9可知，當(dāng)緊接著溫度200℃+工藝技術(shù)恒溫時間縮減9 min時，由于緊接著后的石墨舟載具吸收爐管化學(xué)反應(yīng)室內(nèi)的熱量較少，使進舟段的溫度降低幅度明顯縮小，這更有利于恒溫段的溫度回升；且堆積段溫度曲線變化更平緩，堆積開始與堆積結(jié)束時的溫度差異較小，溫度穩(wěn)定性較高，更有利于堆積鍍膜。此結(jié)果表明，增加緊接著處理有利于提高爐管化學(xué)反應(yīng)室截面溫度場均勻性，爐管化學(xué)反應(yīng)室徑向尺寸增大后提高溫度場均勻性的效果將更加明顯。

3.3 太陽電池的電性能參數(shù)測試

3.3.1實驗方式

分別選用緊接著溫度200℃+工藝技術(shù)恒溫時間縮減9 min與不緊接著+不縮減工藝技術(shù)恒溫時間工藝技術(shù)制備PERC單晶硅太陽電池，然后使用測試分選機測試2種工藝技術(shù)下制備的PERC單晶硅太陽電池的電性能參數(shù)，并對比其光電轉(zhuǎn)換效率分布情況。

3.3.2實驗結(jié)果

分析分別選用上述2種工藝技術(shù)制備PERC單晶硅太陽電池，并且每種工藝技術(shù)制備的太陽電池均利用測試分選機對其電性能參數(shù)進行3次測試，單次測試的太陽電池數(shù)量約為400片。對比2種太陽電池的電性能參數(shù)的平均值，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，選用緊接著溫度200℃+工藝技術(shù)恒溫時間縮減9 min鍍膜工藝技術(shù)制備的太陽電池的開路電壓、短路電流、填充因子、光電轉(zhuǎn)換效率均高于常規(guī)的選用不緊接著+不縮減工藝技術(shù)恒溫時間鍍膜工藝技術(shù)制備的太陽電池的電性能參數(shù)；且光電轉(zhuǎn)換效率提高了0.04%。

2電液推桿種鍍膜工藝技術(shù)制備的太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率分布及高斯擬合計數(shù)情況如圖10所示。

根據(jù)圖10可知，選用緊接著溫度200℃+工藝技術(shù)恒溫時間縮減9 min鍍膜工藝技術(shù)制備的太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率分布FWHM(半高全寬)值較小。此結(jié)果表明，選用緊接著溫度200℃+工藝恒溫時間縮減9 min的鍍膜工藝技術(shù)有利于提升太陽電池的電性能，且電池的光電轉(zhuǎn)換效率分布更集中。

4結(jié)論

電液推桿本文對雙管PECVD設(shè)備凈化臺的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，增加了緊接著功能部件，構(gòu)成緊接著型雙管PECVD設(shè)備；并通過實驗研究了不同緊接著溫度與工藝技術(shù)恒溫時間縮減幅度之間的關(guān)系及其對鍍膜性能的影響。實驗結(jié)果表明，緊接著溫度200℃+工藝技術(shù)恒溫時間縮減9 min較為適合當(dāng)前的生產(chǎn)條件，緊接著處理有利于縮小石墨舟載具中間列與邊列基板之間的溫度差異，膜厚差值也隨之縮小，進舟后爐管化學(xué)反應(yīng)室內(nèi)溫度降低幅度明顯縮小，回溫優(yōu)勢明顯，且堆積操作過程溫度變化小。通過太陽電池的電性能對比實驗表明，緊接著溫度200℃+工藝技術(shù)恒溫時間縮減9 min的鍍膜工藝在保證膜厚均勻性、爐管化學(xué)反應(yīng)室截面溫度場均勻性的同時，降低了鍍膜工藝技術(shù)總時長，制備的太陽電池的開路電壓、短路電流、填充因子均有提升，光電轉(zhuǎn)換效率提高了0.04%且光電轉(zhuǎn)換效率分布更為集中。因此，緊接著型雙管PECVD設(shè)備可在實際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

作者 |龍會躍*，李　明，郭　艷

單位 |湖南紅太陽光電科技有限公司

來源 | 《太陽能》雜志2021年第4期 P74—P80

DOI: 10.19911/j.1003-0417.tyn20200427.01