中扬电液推杆预热型管式PECVD设

现阶段，磁进一步增强生物化学固相堆积法(plasmaenhanced chemical vapor deposition，PECVD)是在基板表层镀制还原染料的主要就方式。该方式是向炉管化学反应室管路中通入工艺技术液体，选用微波放电造成磁，工艺技术液体在磁中赢得能量被唤起、极化，出现生物化学变化聚合碳化硅，并在基板表层堆积逐步形成碳化硅石墨的操作过程[1]。

按照样品安放结构的不同，PECVD设备可以分为双管PECVD设备和平板式PECVD设备。研究人员对双管PECVD设备堆积碳化硅石墨时的工艺技术参数调整进行了大量研究，研究结果表明，工艺技术液体流量比、堆积温度、微波功率、化学反应室压力等都会影响碳化硅石墨的堆积速率、膜厚均匀性与折射率，以及钝化效果等[2-4]。随着光伏发电越来越趋近于平价上网，这就要求太阳电池制备的各生产环节不断提高生产效率，从而降低生产成本。

电液推杆本文以提高光伏设备的产能来降低生产成本作为出发点，提出了一种优化后的双管PECVD设备结构，其合理利用了设备的净化台空间，增加了具有紧接著功能的结构部件，构成了紧接著型双管PECVD设备，减少了镀膜工艺技术操作过程中的恒温时间，从而缩短了镀膜工艺技术的总时长，同时还有利于提高太阳电池的光电转换效率；然后通过实验研究了结构优化后的紧接著型双管PECVD设备对镀膜性能的影响。

1紧接著型双管PECVD设备的结构

1.1 整体结构

常规型双管PECVD设备主要就由上料滑台、净化台、炉体柜、气源柜、真空泵、下料滑台等组成。紧接著型双管PECVD设备是在常规型管式PECVD设备的炉体柜一侧增加了紧接著腔，并在净化台区域增加了紧接著传送区。紧接著型双管PECVD设备的整体结构简图如图1所示。

在图1所示的紧接著型双管PECVD设备中：

1)上料滑台是将装卸片区中已装载好基板的石墨舟载具输送到紧接著型双管PECVD设备的净化台。净化台分为紧接著传送区、石墨舟载具传输区、冷却区，主要就作用是提供一个洁净空间，用于完成基板及石墨舟载具从上、下料滑台到炉体柜中加热炉管的炉管化学反应室之间的运输。

2)炉体柜内主要就放置加热炉管，基板在加热炉管的炉管化学反应室内完成镀膜工艺技术。

3)气源柜内主要就包括气路系统、微波系统、配电系统、压力控制系统等系统的部件。

4)真空泵通过真空管道与气源柜内的压力控制系统连接，主要就作用是对炉管化学反应室进行抽真空并配合完成压力控制动作。

电液推杆5)紧接著腔与炉体柜并排，紧邻净化台中的预热传送区，用于完成基板及石墨舟载具由室温向紧接著温度升温的操作过程。

6)下料滑台将冷却后的基板及石墨舟载具输送到装卸片区，便于完成镀膜工艺技术后的基板流转到下一道工序。

1.2 净化台的结构

紧接著型双管PECVD设备在净化台区域增加了紧接著传送区，包括紧接著的石墨舟载具及基板的传动部件、三轴机械手装置、紧接著传送装置等，而原本的四轴机械手装置经过结构优化后安装在净化台的中间区域。紧接著型双管PECVD设备的净化台的结构简图如图2所示，紧接著传送装置的结构简图如图3所示。

在净化台的紧接著传送区中的上料平台上，装载好基板的石墨舟载具通过升降机构在竖直方向运动。三轴机械手装置通过电机、减速机、齿轮齿条传动、滑块、导轨等实现第二Z轴、第二Y轴、第三Y轴方向的运动，将上料平台上的石墨舟载具放置在紧接著推杆上。紧接著传送区设有多个预热推杆和相应数量的紧接著腔。紧接著推杆通过电机、减速机、皮带轮、皮带传动、滑块、导轨等实现第二X轴方向的运动，将紧接著推杆上的石墨舟载具运送至紧接著腔内或将紧接著腔内的石墨舟载具取出，紧接著推杆上的炉门与紧接著腔贴紧后形成了封闭的腔室。

电液推杆石墨舟载具传输区的四轴机械手装置通过电机、减速机、齿轮齿条传动、滑块、导轨等实现第一X轴、第一Y轴、第一Z轴方向的移动，通过凸轮装置实现绕支点在XOZ平面的转动，精确地将紧接著传送装置上的石墨舟载具运送至炉管化学反应室内，或将炉管化学反应室内的石墨舟载具取出后放置到冷却区。

冷却区设有多个冷却缓存位。四轴机械手装置将冷却缓存位上冷却结束的石墨舟载具转运到下料机构的下料托盘上，然后下料机构沿Z轴方向竖直运动，通过升降机构将石墨舟载具输送至下料平台。

合理利用净化台空间进行结构优化设计，增加紧接著功能后，可使石墨舟载具和基板快速达到预设温度，节省了单次镀膜工艺技术时间，从而提高了双管PECVD设备的产能。

2紧接著型双管PECVD设备的镀膜性能实验

2.1 实验条件

2.1.1实验材料

本实验选用的基板为市售p型单晶基板，尺寸为156.75 mm×156.75 mm，厚度为180±30m，电阻率为1～3Ωcm。实验用单晶基板的实物图如图4所示。

2.1.2实验设备

本实验选用湖南红太阳光电科技有限公司制造的紧接著型双管PECVD设备，该设备配备的是载片量为416片的石墨舟载具。测试仪器包括型号为GM1150A的红外测温仪、型号为EV-400的椭偏仪及测试分选机。实验设备的实物图如图5所示。

2.2 实验内容

电液推杆1)常规的基板正面堆积碳化硅石墨的工艺技术恒温时间约为20 min，在现有生产线上常规的硅片正面堆积碳化硅石墨工艺技术(下文简称为不预热+不缩减工艺技术恒温时间)的基础上，分别进行不同紧接著温度及工艺技术恒温时间缩减3、6、9、12 min时(下文简称为紧接著+缩减工艺技术恒温时间)的测试，然后对比不同紧接著温度与工艺技术恒温时间缩减幅度之间的关系，以确定适合生产线中基板正面堆积碳化硅石墨较优的紧接著温度与工艺恒温时间缩减幅度。紧接著温度的测试方式为：在22±2℃的恒温车间环境下，石墨舟载具进入炉管化学反应室前，需用红外测温仪测量石墨舟的最外侧舟片的中心点温度，以判断其是否达到目标的紧接著温度，并重复测试3次以上。

2)选用前一项实验内容中确定的较优的预热+缩减工艺技术恒温时间工艺技术制备PERC单晶硅太阳电池，然后对比分别选用紧接著+缩减工艺技术恒温时间与不紧接著+不缩减工艺技术恒温时间工艺技术制备的PERC单晶硅太阳电池的电性能测试结果，以确定双管PECVD设备增加紧接著处理后对PERC单晶硅太阳电池电性能的影响。

3实验方式及实验结果分析

3.1 膜厚均匀性测试

3.1.1实验方式

电液推杆每次不同紧接著温度及不同工艺技术恒温时间缩减幅度实验结束后，分别选取同一批次炉内位置为边列和中间列的炉口、炉中、炉尾6个位置的镀膜后的实验基板，然后选用椭偏仪对每个基板的正面进行膜厚数据测试；每个基板的正面都测试5个点(1个中心点和4个角点)的膜厚，最后通过膜厚均匀性计算公式计算基板内的膜厚均匀性和(下文简称片内均匀性)基板间的膜厚均匀性(下文简称片间均匀性)数值。

膜厚均匀性的计算公式为：

式中，S1为片内均匀性(或片间均匀性)；Di为第i次膜厚检测值；n为测试点数量；D为各次膜厚检测值的平均值。

其中，

3.1.2实验结果分析

根据椭偏仪测得镀膜后的实验基板正面的膜厚数据，利用式(1)计算得到不同紧接著温度与不同工艺技术恒温时间缩减幅度下的片内均匀性和片间均匀性，具体如图6、图7所示。

由图6和图7可知，在基板正面堆积氮化硅石墨的操作过程中，在同一紧接著温度条件下，随着工艺技术恒温时间缩减幅度的增加，镀膜后的实验硅片的片内均匀性和片间均匀性整体上均呈上升趋势，这说明膜厚均匀性越来越差。

电液推杆当工艺技术恒温时间缩减3 min时，不同紧接著温度条件下，镀膜后的实验基板的片内均匀性及片间均匀性均差距不大。当工艺技术恒温时间缩减6～12 min时，在同一工艺技术恒温时间缩减幅度下，随着紧接著温度的升高，镀膜后的实验基板的片内均匀性和片间均匀性均大致呈现下降的趋势，这说明实验基板的膜厚均匀性越来越好。尤其是当工艺恒温时间缩减6 min和缩减9 min时，紧接著温度分别为200℃、300℃时的片间均匀性相差不大，且上述条件时片内均匀性的差异均在行业要求的±4%以内。考虑到石墨舟载具从紧接著腔到炉管化学反应室的操作过程中在高温段的降温速率超过了2℃/s，此种情况下在实际生产操作过程中较难保证300℃的进舟温度，再加上工业节能方面的要求，因此，建议在石墨舟开始镀膜工艺技术时将紧接著温度保证为200℃较为适宜。由于工艺技术恒温时间缩减9 min时的产能提升比缩减6 min时更大，因此选择工艺技术恒温时间缩减9 min。

电液推杆从紧接著温度为200℃时的片内均匀性和片间均匀性曲线可以看出，工艺技术恒温时间缩减9 min时，片内均匀性为3.92%，片间均匀性为6.1%，这主要是因炉口位置镀膜基板到炉尾位置镀膜基板之间的膜厚差导致的，实验操作过程中并未将工艺技术参数调至最佳，但通过调整压力、流量、工艺技术温度等工艺技术参数可满足行业内要求的片内均匀性和片间均匀性差异均在±4%。实验结果表明，以200℃进行石墨舟载具紧接著处理、工艺技术恒温时间缩减9min是较优的工艺技术条件组合，该条件既有利于保证膜厚的均匀性，又能提高双管PECVD设备的产能。

3.2 温度场均匀性测试

3.2.1实验方式

对紧接著温度200℃ +工艺技术恒温时间缩减9min与不紧接著+不缩减工艺技术恒温时间这2组实验进行分析。

1)分别测试炉内位置为边列和中间列的炉口、炉中、炉尾6个位置的镀膜基板的膜厚数据，并计算同一工艺技术条件下边列和中间列同一炉内位置时镀膜基板的膜厚差值。

2)利用安装在炉管化学反应室底部的热电偶反映堆积碳化硅石墨工艺技术操作过程中石墨舟内基板的温度变化趋势。

3.2.2实验结果分析

同一工艺技术条件下边列和中间列同一炉内位置时基板的膜厚差值如图8所示。

由图8可知，紧接著处理后中间列与边列同一炉内位置基板的膜厚差值明显减小，根据文献[3]中随着堆积时温度的增加，堆积速率也随之增加的结论，可判断出经过紧接著处理后，石墨舟载具中间区域的温度与两侧区域温度的差异减小，所以堆积速率差异减小，膜厚差值减小。

热电偶在线监测的堆积碳化硅石墨工艺技术操作过程中炉中温区(MZ)的温度曲线如图9所示。

电液推杆由图9可知，当紧接著温度200℃+工艺技术恒温时间缩减9 min时，由于紧接著后的石墨舟载具吸收炉管化学反应室内的热量较少，使进舟段的温度降低幅度明显缩小，这更有利于恒温段的温度回升；且堆积段温度曲线变化更平缓，堆积开始与堆积结束时的温度差异较小，温度稳定性较高，更有利于堆积镀膜。此结果表明，增加紧接著处理有利于提高炉管化学反应室截面温度场均匀性，炉管化学反应室径向尺寸增大后提高温度场均匀性的效果将更加明显。

3.3 太阳电池的电性能参数测试

3.3.1实验方式

分别选用紧接著温度200℃+工艺技术恒温时间缩减9 min与不紧接著+不缩减工艺技术恒温时间工艺技术制备PERC单晶硅太阳电池，然后使用测试分选机测试2种工艺技术下制备的PERC单晶硅太阳电池的电性能参数，并对比其光电转换效率分布情况。

3.3.2实验结果

分析分别选用上述2种工艺技术制备PERC单晶硅太阳电池，并且每种工艺技术制备的太阳电池均利用测试分选机对其电性能参数进行3次测试，单次测试的太阳电池数量约为400片。对比2种太阳电池的电性能参数的平均值，结果如表1所示。

由表1可知，选用紧接著温度200℃+工艺技术恒温时间缩减9 min镀膜工艺技术制备的太阳电池的开路电压、短路电流、填充因子、光电转换效率均高于常规的选用不紧接著+不缩减工艺技术恒温时间镀膜工艺技术制备的太阳电池的电性能参数；且光电转换效率提高了0.04%。

2电液推杆种镀膜工艺技术制备的太阳电池的光电转换效率分布及高斯拟合计数情况如图10所示。

根据图10可知，选用紧接著温度200℃+工艺技术恒温时间缩减9 min镀膜工艺技术制备的太阳电池的光电转换效率分布FWHM(半高全宽)值较小。此结果表明，选用紧接著温度200℃+工艺恒温时间缩减9 min的镀膜工艺技术有利于提升太阳电池的电性能，且电池的光电转换效率分布更集中。

4结论

电液推杆本文对双管PECVD设备净化台的结构进行了优化设计，增加了紧接著功能部件，构成紧接著型双管PECVD设备；并通过实验研究了不同紧接著温度与工艺技术恒温时间缩减幅度之间的关系及其对镀膜性能的影响。实验结果表明，紧接著温度200℃+工艺技术恒温时间缩减9 min较为适合当前的生产条件，紧接著处理有利于缩小石墨舟载具中间列与边列基板之间的温度差异，膜厚差值也随之缩小，进舟后炉管化学反应室内温度降低幅度明显缩小，回温优势明显，且堆积操作过程温度变化小。通过太阳电池的电性能对比实验表明，紧接著温度200℃+工艺技术恒温时间缩减9 min的镀膜工艺在保证膜厚均匀性、炉管化学反应室截面温度场均匀性的同时，降低了镀膜工艺技术总时长，制备的太阳电池的开路电压、短路电流、填充因子均有提升，光电转换效率提高了0.04%且光电转换效率分布更为集中。因此，紧接著型双管PECVD设备可在实际生产中推广应用。

作者 |龙会跃*，李　明，郭　艳

单位 |湖南红太阳光电科技有限公司

来源 | 《太阳能》杂志2021年第4期 P74—P80

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