空間用三結砷化鎵太陽電池的生產管理

何 強

（中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384）

空間用三結砷化鎵太陽電池采用MOCVD外延設備在厚度為0.175 mm、直徑為100 mm的鍺襯底上通過正向生長三個子電池的方法制備而成的，GaInP2、GaAs、Ge三個垂直串連的pn結對分別對太陽能進行光電轉換。該太陽電池具有光電轉換效率高、抗輻照性能好、溫度特性好等特點。

目前，我所生產的三結砷化鎵太陽電池已在XX伴星、XX-6、SINOSAT-5、XX-2等多顆衛星上使用過，并且嚴格按照詳細規范進行一系列的可靠試驗，包括高低溫沖擊試驗、焊接牢固度試驗、濕熱貯存試驗、帶電粒子輻照試驗等試驗，還進行了吸收、輻射系數測量、溫度系數測量、暗特性測量等。采用三結砷化鎵太陽電池陣的XX-6于2009年12月9日發射入軌，目前在軌穩定運行近3年；SINOSAT-5于2011年6月21日發射入軌，目前已在軌穩定運行1年多；XX-2于2011年9月19日發射入軌，目前已在軌穩定運行近1年，遙測數據表明18所研制的三結砷化鎵太陽電池陣性能良好，工作穩定。

我所研制的GaInP2/GaAs/Ge三結砷化鎵太陽電池結構見圖1。

目前，雖然三結砷化鎵太陽電池正大量應用，但在生產過程中仍存在以下問題：

圖1 三結砷化鎵太陽電池結構示意圖

(1)三結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%，平均光電轉換效率為26.8%；

(2)三結砷化鎵太陽電池成本昂貴，需有效地降低成本；

(3)目前科研生產任務繁重，需保質保量，合理安排進度，從而縮短工程型號所需的生產周期。

1 合理安排生產計劃，做好生產線質量計劃

合理安排生產計劃，是保證生產有條不紊，保質保量完成型號任務的基本條件。根據全年型號對太陽電池需求量和時間節點，結合每個班次的電池產量，安排每月的產量和生產型號。并且每日進行產量完成量的統計，根據周/月產量完成率，調整次周/月產量。

做好生產線質量計劃，即做好對生產線的設計質量、工藝質量、產品質量控制計劃，主要包括以下方面：

(1)向主管部門提出生產工藝設備、儀器儀表、基礎設施、原材料等資源需求計劃，對設備、儀器儀表、基礎設施等做日常維護；

(2)制定操作人員培訓和考核計劃；

(3)對過程和質量一致性檢驗用的測量和試驗設備以及生產設備進行控制，新購買或新領用的測量設備必須經計量合格后才能使用，新購買或新領用的生產設備需進行鑒定或確認后才能使用，計量標準按檢定規程規定周期進行檢定；

(4)產品用材料、外購件必須經檢驗，確保合格品入庫和使用；

(5)嚴格工藝操作，嚴格執行自檢、互檢、專檢制度，做好生產檢查記錄并對生產過程的質量記錄實施控制，每個生產程序的詳細操作和控制都應有工藝文件，并做到文實相符；

(6)對各種材料、半成品、成品的搬運和包裝應進行控制，防止在貯存和搬運過程中出現損傷；

(7)對產品進行有效的追溯以便查找已發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，其中包括追溯到設備、操作人員等，并能追溯到合格產品在實際制造中所用的原材料的批號；

(8)對失效和缺陷采取糾正措施，消除失效和缺陷的產生原因，防止同類失效和缺陷的再次發生；

(9)不合格品管理，對不合格品進行分析，提出糾正措施并予以實行，防止不合格再發生；

(10)對采購文件和生產控制文件進行管理，確保文件的有效性，使所采購原材料和產品滿足規定要求；

(11)對過程控制進行記錄及時反映質量波動狀況，預防不合格品的發生；

(12)質量過程所有環節的技術和活動都應編制相應的質量控制文件，文件的規定具有可操作性，滿足產品質量控制要求。

除以上內容外，我所對生產線的內部質量審核為每年兩次，鑒定機構應至少每年對生產線審核一次。

2 分析不合格原因，提出改進措施，提高合格率

三結砷化鎵太陽電池的生產工藝流程如圖2。

2007年1月，40 mm×60 mm三結砷化鎵太陽電池的生產量為1362片，合格電池為989片，合格率為72.6%。不合格電池為373片，統計表見表1。圖3為幾種形式的不合格電池局部照片。

圖2 三結砷化鎵太陽電池的生產工藝流程圖

表1 2007年1月影響GaAs/Ge太陽電池合格率頻數統計表

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驗，從而在操作過程中造成了較高的裂片率，為此，將其培訓周期延長，在培訓周期內，用廢片替代正式電池，直到操作者完全熟練操作。

(2)蒸鍍工藝進行重新摸索，特別是針對第一層蒸鍍材料鈦的蒸鍍厚度和速率進行了的實驗，發現牢固度好壞與蒸鍍厚度和速率之間的關系，最終找出了合適的蒸鍍條件。

(3)在前面的生產中，下電極電極不牢的主要原因為所用美國設備由在蒸鍍過程中蒸發速率上不去或異常的現象。為此，我們對對設備進行了以下維護：定期清理真空室內坩堝和導線上沉積物；增加了坩堝套以提高蒸發速率。

(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，并定期對工裝夾具檢查，做到提前防范。同時，提高腐蝕均勻性，嚴格控制腐蝕時間，確保CAP腐蝕均勻一致，消除過腐蝕和欠腐蝕現象。

(5)使用自動清洗機進行腐蝕和沖水，替代手工操作。

通過以上措施，三結砷化鎵太陽電池成品率從72.6%提高為85%以上。

3 優化三結砷化鎵太陽電池結構，提高光電轉換效率

通過以下優化設計，提高三結砷化鎵太陽電池的光電轉換效率：

(1)GaInP2頂電池結構的優化；

(2)中間子電池的性能改進；

(3)改善電池材料間晶格匹配；

(4)隧穿結結構優化設計；

(5)減反射膜設計及優化。

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

圖4 頂電池優化前后電池外量子效率對比圖

圖5 優化前后電池表面反射率的對比圖

通過對電池結構的優化，三結砷化鎵批產效率從平均光電轉換效率為26.8%提高到28%以上。

4 采用SPC技術對生產過程進行分析和控制

根據三結砷化鎵太陽電池的生產工藝流程圖所示，生產過程包括外延、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。

根據選取的參數確實能表征工序的狀態和對該參數能進行定量測試的原則，選取光刻、蒸鍍上電極、蒸鍍下電極作為實施SPC控制的攻關工序，選取的工藝控制參數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。

在實施SPC時，在正常生產的狀態下每個工序采集定量數據進行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，并在日常生產過程中使用，并確定了相應的判斷準則，在控制圖出現異常時，我們進行質量分析，分析異常情況出現的原因，采取相應的措施。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，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入新的統計狀態，同時繪制分析用控制圖。

對于工序能力指數，在實施SPC的過程中，每個月計算一次Cpk值，若Cpk不能滿足要求，根據情況，通過調整工藝來降低工藝參數分布中心與工藝規范要求中心的偏移程度或者減小標準偏差σ，具體方法可以根據各個關鍵工序的特點，通過優化工藝來提高Cpk值。

實施SPC工序改進前后Cpk值對比見表2。

表2 實施SPC工序改進前后Cpk值

5 結論

通過合理安排生產計劃，做好生產線質量計劃；分析不合格原因，提出改進措施；采用SPC技術對生產過程進行分析和控制等途徑，將三結砷化鎵太陽電池成品率從72.6%提高為85%以上，三結砷化鎵批產效率從平均光電轉換效率為26.8%提高到28%以上，縮短工程型號所需的生產周期，提高了工程型號用太陽電池陣功率。

生產線進行的一系列生產管理的工作也為后續產品的生產打下了堅實的基礎。未來幾年，我們將研制生產光電轉換效率更高的正向生長的GaInP2/GaAs/Ge三結太陽電池[1]以及反向生長多結(IMM)高效太陽電池[2]，這些生產管理方法也將發揮較好的作用。

[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.