石墨舟印EL發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 055550）

0.引言

在晶體硅電池產業制造過程中，P型硅普遍采用技術路線為SE-PERC（Selective Emitter-Passivated Emitterand Rear Cell，選擇性發射極背鈍化電池），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構，氮化硅薄膜采用管式PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等離子增強化學氣相沉積）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構更接近其化學計量比，薄膜致密，可實現原子級的控制精度，薄膜均勻性好，相比CVD技術，ALD制備的薄膜雜質少，均勻性好，尤其是可實現低溫沉積減少對硅片的損傷，而且氣體耗量低，相對較薄的厚度就能達到較好的鈍化效果[1]。本文基于ALD方式沉積氧化鋁工藝路線基礎上分析驗證管式PECVD石墨舟印EL（Electroluminescence電致發光）發黑異常原因及解決措施，通過各個影響點針對性的管控優化提升產品良率。

EL測試原理是利用晶體硅的電致發光原理，利用高分辨率的紅外相機拍攝電池的近紅外圖像，獲取并判定電池的缺陷。測試時在電池上施加正向偏壓，獲得載流子擴散長度的信息，EL發黑區域表明電池片串聯電阻高或者并聯電阻低，或者少子被復合[2]，石墨舟印EL發黑為雜質導致少子復合。

1.實驗

1.1 實驗儀器

本文采用蘇州捷運昇能源科技有限公司的WAVELABSSINUS-200檢測成品太陽電池的電性能和進行EL測試。典型石墨舟印EL發黑如圖1所示，受污染類型、程度、EL參數設置差異等因素影響，石墨舟印EL發黑嚴重程度表現可能存在差異性。

圖1 石墨舟印EL圖片

1.2 實驗設計

基于單晶P型電池SE-PERC電池片生產工藝如圖2所示，分析驗證石墨舟清洗機、烘干機雜質污染石墨舟、石墨舟不同呆滯時間、石墨舟工藝時出現真空泵突然停止粉塵噴舟等因素對石墨舟印EL發黑的影響。

圖2 SE-PERC電池片生產工藝

2.結果與討論

2.1 石墨舟清洗機、烘干機雜質污染

在工業化PECVD生產中，常用氮化硅做硅片的鈍化膜。由于氮化硅鈍化介質膜具有良好的絕緣性，隨著石墨舟工藝次數的增加，在石墨舟舟片表面會沉積一層較厚的氮化硅薄膜，對石墨舟導電性能產生一定影響，對電池片光電轉換效率、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產線上石墨舟一般在工藝次數達到60～80次時下線清洗。 根據氮化硅的化學特性，在工藝化生產過程中，一般使用HF酸進行腐蝕[4]，去除石墨舟表面的氮化硅薄膜，在實驗過程中使用的45%濃度的HF酸與水體積比例為2:7的混合溶液，石墨舟酸洗時間為6h，經過HF酸清洗后，水噴淋清洗1h，再進行5h的水洗，隨后取出石墨舟，進行氮氣風干表面。此外，還需要在150℃～200℃烘干機中進一步烘干石墨舟內部水分，在烘干過程中，需要保證烘干腔體內負壓，并持續進行氮氣吹掃，保證石墨舟所攜帶水汽全部排出。

本次實驗使用4臺清洗機和2臺烘干機，其產能對應關系如表1所示，其中烘干機1腔體內護板、風機加熱管表面存在粉末附著污染，烘干機2腔體內護板、風機加熱管表面潔凈，目視無污染，如圖3所示。

表1 清洗機和烘干機產能對應表

圖3 不同烘干機內部外觀對比

烘干機1腔體護板、風機加熱管表面產生粉末，分析主要原因為石墨舟吸附的酸性液體，在高溫下揮發，多次工藝下經過長時間腐蝕，與烘干機內部部分金屬材質發生反應，導致金屬材質被腐蝕。對烘干機1表面粉末進行分析，實驗用電子顯微鏡進行元素質譜分析掃描成份，測得元素分析如表2所示，其中O和C可能來源于空氣，F為氫氟酸和氮化硅的反應產物或氫氟酸殘留提供，Fe為烘干機部件材質提供，經過長時間氧化、腐蝕形成含鐵的化合物，該粉末用吸鐵石可以吸附。Fe對于半導體硅而言屬于深能級雜質，是復合中心，具有降低硅中載流子壽命的作用[5]。跟蹤烘干機1對應產線烘干石墨舟生產電池片，其石墨舟印EL發黑比例明顯異常偏高在4%以上，烘干機2對應產線烘干石墨舟生產電池片，石墨舟印EL發黑比例小于0.02%，具體如圖4所示。

表2 烘干機內部粉塵元素分析

圖4 清洗機、烘干機對應石墨舟印EL比例

實驗用烘干機臺1比烘干機臺2早投入使用3個月左右，我們分析粉末受時間積累影響，導致烘干機1相較烘干機2粉末狀況差，持續觀察烘干機臺2粉末積累隨著時間有增加趨勢，佐證粉末受時間積累影響。對烘干機進行精細化維護，主要包括拆卸舟架、內部護板，并使用纖維紙對舟架、內部護板、風機加熱管進行徹底的清理，將相應內部附著物全部徹底清理干凈。按上述方法清理后，跟蹤對應石墨舟生產的電池片EL石墨舟印比例下降至1.5%～2% 未達到正常0.05%以下水平。我們分析石墨舟循環使用，清洗過程中將Fe帶到清洗機各槽體，形成交叉污染。因此，針對相應清洗機進行HCL泡槽和維護，清洗機維護后，再次跟蹤對應石墨舟生產的電池片EL石墨舟印EL比例為0.01%，恢復至正常水平。石墨舟烘干機每月精細化維護清理內部粉末，石墨舟清洗機每月進行HCL泡槽維護，有助于降低石墨舟印EL發黑的產生比例，如表3所示。

表3 改進前后石墨舟印EL對比

2.2 石墨舟呆滯時間

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，碳的空隙結構使石墨材料具備良好的吸附性，可以用作吸附水分、氣味、有毒物質等[6]。石墨舟飽和的目的是防止出現電池片品質等異常，通常做法是在石墨舟上沉積一層幾百甚至上千納米的Si3N4保護薄膜，此保護薄膜一方面可以減少石墨舟對周圍環境中水分、氣味等的吸附作用；另一方面防止鍍膜時石墨舟片出現和硅片“搶食”現象，形成鍍膜色差[7]。石墨舟在飽和前更容易吸附環境中的水汽和雜質受污染，安排石墨舟烘干后、飽和前不同呆滯時間條件對比，發現呆滯時間越長，生產的電池片石墨舟印EL發黑比例越高，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間是有必要的，要求烘干12h以內進行飽和。具體呆滯時間與石墨舟印比例關系和石墨舟呆滯所處環境溫濕度、潔凈度直接相關。因此，這種規律性是相對重要的，時長和比例可能會跟隨石墨舟存放環境的溫濕度、潔凈度改變而改變。

表4 石墨舟烘干到飽和呆滯時間與石墨舟印比例

2.3 石墨舟工藝過程中出現真空泵異常停止

管式低頻直接法PECVD設備采用電阻式加熱將整個爐管加熱到工藝所需溫度，石墨舟由耐高溫的SIC槳放置在爐管內部。石墨舟尾部與射頻電極相連接，PECVD工藝需要在低壓環境下完成，真空泵是實現低壓、穩定低壓的必要條件。真空泵通過特殊材質的真空管道與爐管相連，完成對爐管的抽真空目的。在一定壓力下，通入生成相關減反射鈍化膜所需的特氣，待壓力穩定后，打開射頻電源，相鄰的石墨舟片間形成正負極，特氣在兩兩相鄰的舟片間發生紫色的輝光放電，輝光放電會分解舟片間的特氣，使其形成離子態，最終結合成相應的分子沉積在硅片、舟片表面。未反應的特氣及相應介質膜反應產物，會在真空泵抽力的作用下排出爐管。

管式PECVD工藝過程對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部空氣及反應殘留物實現[8]。在工藝過程中，因機臺自身問題，外部動力環境因素等不可避免地會出現工藝中斷情況。出現真空泵異常停止或者真空泵轉速下降情況，因爐管內部壓力較低，此時尾排氮化硅粉末等異物會通過真空泵管道返回爐管內部，粉塵污染石墨舟及其載放的硅片，該硅片下傳，或者該石墨舟繼續載片生產，都會出現麻點狀石墨舟印EL發黑，如圖5所示。真空泵出現異常停止或者真空泵轉速下降異常情況，對應的硅片需進行轉返工處理，不進行下傳，對應石墨舟應下線清洗、烘干后重新上線。同時對應異常爐管根據返尾排氮化硅粉末的多少，進行對應改善動作。其一，若返尾排氮化硅粉末較少，表現為舟表面有輕微粉塵，爐管內部基本正常，需要對爐管進行大流量氮氣清洗，如圖6所示。其二，若尾排氮化硅粉末較多，表現為爐管內部出現大量粉塵，如圖7所示，需要對爐管進行降溫，用專用吸塵器進行清理，清理后升溫、飽和爐管，然后再復機。按上述方法能夠有效規避此類EL不良的發生。

圖5 石墨舟工藝時出現真空泵停止

圖6 真空泵異常時返尾排氮化硅粉末較少

圖7 真空泵異常時返尾排氮化硅粉末較多

3.結語

管式PECVD石墨舟印EL發黑產生的原因為石墨舟受到雜質污染，雜質可能來源于石墨舟清洗機、烘干機（尤其是內部材質含金屬Fe污染對石墨舟印發黑影響嚴重），環境水汽、氣味、做工藝時尾氣粉塵等。采取相對應的管控措施，如烘干機制訂清理維護周期，清洗機定期用HCL泡槽，控制石墨舟呆滯時間，石墨舟烘干8h以內必須進行飽和，飽和上線使用后，呆滯時間超過2h熱舟，超過16h需要重新清洗、烘干，及時飽和才能保證品質正常，具體時長可能會跟隨石墨舟存放環境溫濕度、潔凈度改變。石墨舟工藝時，真空泵異常停止的電池片轉返工處理，不進行下傳，相應爐管進行清理、飽和后進行復機，以上措施管控同時應用，能夠解決石墨舟印EL發黑異常，提升電池片良率。