CN1149204A - 内联式超薄弱光型非晶硅光电池生产线 - Google Patents

Abstract

本发明一种内联式超薄弱光型非晶硅光电池生产线，其特征在于，上述在线生产设备概括为集成透明电极制造单元、集成非晶硅膜制造单元、集成铝背电极制造单元、切片测试单元，应用磁控溅射、化学汽相沉积、激光、电子计算机、自动控制、等离子体沉积、真空蒸镀、丝网印刷等技术即可生产内联式超薄弱光型非晶硅光电池。本发明优点是可以工业化、系列化、大批量的进行生产；生产技术先进，技术含量高；工装设备投资少、风险小；无环境污染，有利于环保。

Description

内联式超薄弱光型非晶硅光电池生产线

本发明涉及一种内联式超薄弱光型非晶硅光电池生产线，属半导体器件生产技术领域。具体地说在特定的工艺流程条件下的生产线设备，生产一种内联式结构、超薄、弱光型非晶硅太阳电池。

目前，已公知的非晶硅太阳电池的生产线有两种：其一，是生产内联式厚基片(大于2mm)，而且是一种强光型非晶硅太阳电池的生产线设备。此种生产线亦分两种形式，

即全自动化与半自动化生产线。其中，全自动生产线投资达1000万美元以上。特点是整条线由一套设备组成，只有一个进口及出口，全封闭式，自动化程度极高。但其缺点是生产稳定性差，故障率高。面半自动化生产线投资约700万美元，其特点是由多道工序组成，每道工序由自动化设备组成，其生产稳定性好，故障率相对于前一种低。

以上生产线设备是专用于生产大面积内联式厚基片(大干2mm)强光型非晶硅太阳电池系列产品的。因此，以上两种专为生产厚基片强光型非晶硅太阳电池而设计制造生产线设备，均无法对超薄弱光型非晶硅太阳电池的生产进行操作与制造。鉴于对目前国内引进的两条生产内联式厚基片(大于2mm)强光型非晶硅太阳电池的生产线几年生产实践与技术分析。以上所说的生产线设备不能生产内联式超薄弱光型非晶硅太阳电池系列产品。

其二，是外联式超薄弱光型非晶硅太阳电池系列产品的生产线设备。主要以日本为代表，生产线设备使用传统的光刻腐蚀工艺，专用于生产外联式超薄弱光型非晶硅太阳电池系列产品，根本不能用于生产内联式结构的超薄弱光型非晶硅太阳电池系列产品。而且该生产线设备繁多，工装设备投资较大，工艺过程复杂，导致产品成本高，影响市场竞争力。且生产过程中使用大量的有毒化学试剂，对环境造成极大的危害及污染，这与目前环境保护相孛。申请专利90104410.5中提到的生产设备，亦是一种于生产外联式超薄弱光型非晶硅太阳电池系列产品专用设备。因此，不能用来生产内联式超薄弱光型非晶硅光电池系列产品。

本发明的目的之一，为内联式的超薄弱光型非晶硅光电池系列产品提供一种可操作性强，既能减少工装设备投资，又能保障产率和质量提高的设备生产线。

本发明的目的之二，提供一种生产技术先进的激光切割工艺，将光电池小芯片进行大面积集成化生产线设备，对环境无污染。

内联式超薄弱光型非晶硅光电池是为以低电压、小电流、低功耗液晶器显示器提供电源用的小面积芯片。为提高其生产效率，本发明创造性地充分利用部分大面积光电池生产设备，将光电池小芯片进行大面积集成化生产设计。

本发明生产线设备的设计方案是，将部分大面积厚基片生产设备加以改进，并设计制造适应于超薄玻璃基片、复合透明电极、PIN非晶硅膜、铝背电极、封装保护层为结构和以电池各极层集成化设计、集成透明电极制备、集成非晶硅膜沉积、集成铝背电极制备、背电极测试等工艺而设计的部分专用生产设备，综合应用磁控溅射、化学汽相沉积、激光、电子计算机、自动控制、等离子体沉积、真空蒸镀、丝网印刷等技术，组成本发明生产线设备。

本发明的突出特征是：在线生产设备概括为集成透明电极制造单元、集成非晶硅膜制造单元、集成铝背电极制造单元、切片测试等单元组成。

集成透明电极制造单元

设备主要包括ITO磁控溅射镀膜机、化学汽相沉积氧化锡沉积炉、清洗干燥机、集成透明电极激光刻划机。其功能是应用磁控溅射、化学汽相沉积、激光等技术，在305mm×178mm，厚度0.5-1.1mm的超薄玻璃基片上制备集成复合膜透明电极。

集成非晶硅膜制造单元

将上述已集成复合膜透明电极玻璃基片传送到由非晶硅沉积预热炉、计算机程序控制沉积工艺非晶硅薄膜沉积炉及由电脑控制激光刻划机组成的设备中，其功能是应用等离子体沉积技术，在超薄玻璃基片透明电极膜上沉积PIN三层厚度4000A的集成非晶硅薄膜，形成光电池的主体结构。

集成铝背电极制造单元

将上述集成非晶硅膜基片送到集成铝背电极制造单元，其主要设备包括铝蒸镀机、集成铝背电极激光机、集成背漆字符丝印机、集成可焊电极丝印机及丝网模具等，其功能是应用真空蒸发、激光等技术在非晶硅薄膜上蒸镀一厚度为0.4μ厚的铝膜，用激光将铝膜切割为光电池的铝背电极。应用丝网印刷技术将保护漆、字符及可焊电极料丝印于电池片铝背电极上及两个电极引出点上。

切片测试单元

将上述制造而成的光电池送切片测试单元，设备包括电池片切片机、电池片测试机。其功能是将已印好保护漆、字符及电极引出点后的集成光电池大面积基片切割为单体光电池小芯片，然后进行电性能测试。

为实现本发明之二，将原非晶硅透明电极复杂的制备工艺，化学腐蚀采用电脑控制，激光技术来实现的，其技术特点是：

透明电极集成图形是在805mm×178mm基片的透明导电膜上，纵向由一组m(m＝3，4，...，n)条相隔一定距离的纵向激光切割直线，排列n1(n1＝1，2，...，n)组纵向激光切割线，每组激光直线相隔一定距离，边缘激光线与基片边缘相隔一定距离；横向由一排2条相距一定距离的横向激光切割直线，横向排列n2(n2＝1，2，...，n)排横向激光切割直线，每排激光直线相隔一定距离，边缘激光线与基片边缘相隔一定距离；这样就形成了由m个矩形方块构成单体电池透明电极，排列n1×n2个单体电池透明电极组成的内联结构的透明电极集成图形。

为防止将光电池集成片切割为单体电池时发生边缘短路现象，在透明电极集成图形中特设计了激光切割边缘保护线激光切割边缘保护线。

本发明的积极效果之一，本发明工装设备投资少，使用本套设备可以工业化、系列化、大批量的生产专利产品内联式超薄弱光型太阳电池系列产品，替代进口产品，整套生产线价格便宜功能齐全，稳定性能可靠；生产技术先进，技术含量高，跨学科，新技术寿命期长；生产的产品质量好、成品率高成本低；生产的产品在国际、国内市场中具极强的市场竞争力。

效果之二，本发明的生产工装设备投资少、风险小；无环境污染，有利于环保。

以下结合附图进一步说明本发明的技术内容。

图1为本发明中的生产线设备示意图。

图2为本发明中的集成透明电极制造单元示意图。

图3为本发明中的集成非晶硅膜制造单元示意图。

图4为本发明中的集成铝背电极制造单元示意图。

图5为本发明中的切片测试单元示意图。

图6为本发明的光电池片激光切割边缘保护线设计示意图。

图7为本发明中4列7排4单元光电池集成的集成透明电极激光刻划图形示意图。

图8为本发明中集成透明电极、集成非晶硅膜、集成铝背电极等激光刻划机示意图。

图9为本发明中非晶硅吸附式沉积夹具截面示意图。

图10为本发明中非晶硅吸附式沉积夹具电极板表面梳状吸附槽示意图。

图11为本发明中集成背漆字符丝印机示意图。

图12为本发明中精密玻璃切割机工作原理示意简图。

图13为本发明中电性能测试机示意图。

图6中1-激光边缘保护线。

图8中2-反射镜，3-激光发生器，4-X，Y平台，5-玻璃基片，6-司服电机，7-驱动器，8-计算机。

图10中9-吸附槽，10-真空管道。

图11中11-电池集成片，12-丝网模，13-真空吸盘。

图12中14-控制器，15-切割头，16-导轨架，17-显微摄像头，18-显示器。

图13中19-电性能测试头，20-待测电池片盒，21-送片器。

见图1-5，生产线设备的组成、原理与作用分别是：

1.集成透明电极制造单元

ITO磁控溅射镀膜机采用通用全自动立式磁控溅射镀膜机，其作用是应用磁控溅射镀膜技术，在10^-3至10^-5乇的真空度下，利用恒流控制(由90％氧化铟及10％氧化锡混合而成的)ITO(氧化铟锡)陶瓷靶源，在上述超薄玻璃基片上溅射一层ITO透明导电薄膜。

氧化锡沉积炉采用公知已有的大面积二氧化锡CVD沉积炉，应用化学汽相沉积技术，在常压600℃环境中，水解四氯化锡汽体在超薄玻璃基片的ITO膜上沉积二氧化锡薄膜。

化学反应式为：

这样即可在上述超薄玻璃基片上形成ITO与SnO₂复合透明导电膜。

清洗干燥机采用通用大面积超声清洗干燥机，应用超声清洗和静电除尘技术洗净复合通明导电膜表面。

集成透明电极激光刻划机采用改进的大面积透明电极激光刻划机，由电脑控制的X、Y伺服平台(9)、大功率YAG激光器(8)、电脑(13)、大功率驱动器(12)等组成，如图8所示。应用激光技术和计算机自动控制技术，采用计算机软件设计内联结构的透明电极集成图形控制程序，使用波长1.06μ、功率4w的红外激光束，将复合透明导电膜刻划为内联结构的超薄弱光型透明电极集成图形。并保证每个单体电极之间电气绝缘。

同时，在每个激光头下面装置一真空吸尘头，可将激光烧蚀的蒸汽及粉尘吸出，这样即可消除环境污染，又可解决粉尘落于激光沟道上造成电极间短路的可能。

通过上面单元各设备的运作即可制得内联结构的超薄玻璃基片透明电极集成片。

2.集成非晶硅膜制造单元设备构成如下：

本发明设计的非晶硅沉积预热炉，由10kw加热器及一1m³的烘箱组成，一次可将六个装好刻好内联结构的集成透明电极的超薄玻璃基片的沉积夹具加热至180-250℃。

非晶硅薄膜沉积炉为通用大面积非晶硅薄膜沉积炉，由六个真空沉积室、六个装置沉积基片的沉积夹具、真空管道、真空机组、压缩空气、进排气系统、废气处理系统、计算机控制系统、计算机控制程序及一组大攻率RF射频发生器组成。

其中，沉积夹具采用特殊的吸附结构设计，以适用于超薄基片的易碎特性。如附图9所示，在沉积夹具的中心电极板和负极板装置超薄玻璃基片面上，铣出五个宽度2mm，深度1.5mm的梳状吸附沟槽(14)，如图10所示，每个梳状槽抽气口与真空管道(15)无漏接通，正、负极板真空管道绝缘连接在一起，接口可与沉积炉真空管道快速接口相接。同时，放电间距选择在1.5-3.5mm，适于沉积弱光型非晶硅。一个沉积夹具可装20片305mm×178mm基片。

装好待沉积基片的沉积夹具置于真空沉积室中，通入硅烷、磷烷、硼烷等气体，应用等离子体沉积技术，采用特殊的计算机程序控制沉积工艺，在180-200℃温度的高真空环境中，用13.56MHz辉光放电分解硅烷、磷烷及硼烷气体在内联结构的透明电极上沉积P-I-N非晶硅薄膜。一炉可沉积120片305mm×178mm基片。

集成非晶硅薄膜激光刻划机采用改进的大面积非晶硅薄膜激光刻划机，应用激光技术和计算机自动控制技术，采用软件设计的内联结构的集成非晶硅薄膜图形电脑控制程序，使用功率0.4w的绿色激光束，将非晶硅薄膜刻划为内联结构的集成非晶硅薄膜图形。

3.集成铝背电极制造单元设备构成如下：

铝蒸镀机采用通用大型大面积真空蒸铝机，应用真空蒸发技术，在6×10^-6Torr真空下，在非晶硅膜表面上蒸镀一层0.4μ厚铝背导电膜。一次可蒸镀90片305mm×178mm基片。

集成铝背电极激光刻划机结构与集成非晶硅薄膜激光刻划机相同，使用0.4w的绿激光束将铝背膜刻划为铝背电极集成图形即集成光电池的背电极。

集成背漆字符、集成可焊电极丝印机由丝网印刷机、丝网模具组成。见示意图11。应用丝网印刷技术将保护漆、字符电池片背电极上及可焊电极料丝印于两个电极引出点上。

4.切片测试单元设备构成如下：

本发明设计的切片机为专用精密玻璃切割机，由电气控制柜编程器(19)、显微摄像定位系统(22)、基准边定位系统、光尺监测系统、运动刀架(21)、工作转盘(9)、气动系统、真空负压系统及机架组成见图11。应用编程、气压控制切割头，利用显微摄像定位高精度切割，将光电池集成片切割为单体光电池产品。其切割精度达±0.02mm。

电性能测试机为自制电性能测试机由测试头(24)、送片器(26)、光源测试箱、计算机测试控制系统(19)组成。应用计算机技术及I-V测试原理，对非晶硅太阳电池产品在规定光强下测试电性能参数。

运用上述4套设备单元组成的生产线，即可按前述的生产工艺过程，生产制造出内联式结构的超薄弱光型非晶硅太阳电池系列产品。

以下例举本发明最佳实施

实施例1：

生产SC-1230型计算器用非晶硅光电池片产品。

使用本发明生产线设备按上述生产工艺流程即可生产此SC-1230内联式计算器用非晶硅光电池片产品。

其生产过程如下：

首先，编制并输入集成透明电极、集成非晶硅膜、集成铝背电极激光切割控制程序，制备集成背漆字符丝网模具。

将1mm厚的平板玻璃切割为305mm×178mm，然后将其洗净放入磁控溅射镀膜机中，应用真空磁控溅射技术，在10^-3至10^-5的真空度下，利用恒流控制由90％氧化铟及10％氧化锡混合而成的ITO陶瓷靶源，在超薄玻璃基片上溅射一层ITO透明导电薄膜。然后，将ITO玻璃放入氧化锡沉积炉入口的传送带上，应用化学汽相沉积技术，使其经过600℃喷头水解四氯化锡在ITO膜上沉积一层二氧化锡薄膜，即得到复合透明导电膜玻璃。

将制得的复合通明导电膜超薄玻璃基片放入清洗干燥机中将其洗净后，放在集成透明电极激光刻划机上，使用计算机集成透明电极激光刻划程序及4w的红外激光束，将复合透明导电膜刻划为126片SC-1230型光电池通明电极集成图形，然后放入透明电极清洗干燥机中洗净。

将刻好洗净的集成透明电极超薄基片装入非晶硅沉积夹具中一个夹具可装20片305mm×178mm基片，装满六个夹具后，将六个夹具推进预热炉中预热2.5小时后，再推入非晶硅沉积炉中，应用计算机控制的非晶硅沉积程序及13.56MHz射频发生器，在180-200℃温度及高真空中，利用辉光放电分解磷烷、硼烷、和硅烷气体，在透明电极上面沉积总厚度0.4μ的P-I-N三层非晶硅薄膜；然后将沉积好非晶硅的六个夹具拉出沉积炉散热室温后，即可取下基片放入基片架中。每炉可一次沉积120片305mm×178mm基片。

将沉积好非晶硅薄膜的基片放入集成非晶硅膜激光刻划机中，用集成非晶硅膜刻划控制程序及0.4W的激光束将非晶硅层刻划为集成非晶硅膜集成图形。

之后，将90片刻好集成非晶硅膜图形的基片放入真空镀膜机中，在6×10^-6Tort真空下，蒸镀0.4μ厚铝膜；取出后，放入集成铝背电极激光刻划机中，用集成铝背电极刻划控制程序及0.4W的激光束将铝背膜刻划为铝背电极集成图形；然后将其放入背漆字符丝印机中，在铝电极上丝印保护漆集成图形及字符集成图形，烘干后再放入可焊电极丝印机中，将可焊电极料丝印于光电池两个电极引出点，再放入烧结炉中在160-200℃下烧结为可焊电极。

将上面生产出的SC-1230型光电池集成片放在精密玻璃切割机上，按SC-1230产品规格将电池集成片切割为单体电池产品，即得到SC-1230型内联超薄弱光型非晶硅光电池片；然后用测试机对SC-1230型光电池片进行电性能测试，合格品即可包装入库。

实施例2：

生产SC-1025计算器用非晶硅光电池片产品。使用本发明生产线设备，工艺流程与过程即同上述例一，可生产此SC-1025内联式计算器用非晶硅光电池片产品。一片305×178mm²超薄基片可集成生产232片SC-1025光电池片。

实施例3：

生产SC-1435型计算器用非晶硅光电池片产品。

使用本发明生产线设备按实施例1中所述生产工艺流过程即可生产此SC-1435内联式计算器用非晶硅光电池片产品。一片305×178mm²超薄基片可集成生产96片SC-1435光电池片。

Claims (5)

1.一种生产内联式超薄弱光型非晶硅光电池生产线，由超薄玻璃基片、复合透明电极、PIN非晶硅膜、铝背电极、封装保护层为结构和以电池各极层集成化设计、集成透明电极制备、集成非晶硅膜沉积、集成铝背电极制备、背电极测试等工艺而设计的，应用磁控溅射、化学汽相沉积、激光、电子计算机、自动控制、等离子体沉积、真空蒸镀、丝网印刷等技术，其特征在于，上述在线生产设备概括为集成透明电极制造单元、集成非晶硅膜制造单元、集成铝背电极制造单元、切片测试单元，上述单元内设备分别为：

a.在面积305mm×178mm，厚度0.5-1.1mm的超薄玻璃基片上制备已集成复合膜透明电极，用磁控溅射、化学汽相沉积、激光在所述玻璃基片上形成集成透明电极，集成透明电极制造单元，包括使用ITO磁控溅射镀膜机、化学汽相沉积氧化锡沉积炉、清洗干燥机、集成透明电极激光刻划机；

b.将上述已集成复合膜透明电极玻璃基片，应用等离子体沉积技术形成光电池主体结构的集成非晶硅膜制造单元，包括非晶硅沉积预热炉、计算机程序控制沉积工艺非晶硅薄膜沉积炉及由电脑控制的非晶硅激光刻划机；

c.上述集成非晶硅膜基片的集成铝背电极制造单元包括铝蒸镀机、集成铝背电极激光机、集成背漆字符丝印机、集成可焊电极丝印机及丝网模具所组成；

d.上述制造而成的光电池切片测试单元，包括电池片切片机、电池片测试机。

2.根据权利要求l一种生产内联式超薄弱光型非晶硅光电池生产线，其特征在于，所述集成透明电极制造单元是一全自动立式磁控溅射镀膜机在上述玻璃基片上溅射IT0导电膜，用一大面积二氧化锡CVD沉积炉沉积二氧化硅薄膜，且由电脑控制X-Y伺服平台、大功率YAG激光器、电脑、大功率驱动器所组的集成透明电极激光刻划机，刻划透明电极集成图形；

集成非晶硅膜制造单元在超薄基片透明电极膜上沉积PIN三层厚度4000A的集成非晶硅薄膜，形成光电池的主体由加热器及烘箱组成的非晶硅沉积预热炉和大面积非晶硅沉积炉由六室真空沉积、六个装置沉积基片的沉积夹具、真空系统、计算机控制系统及控制软件、大功率RF射频发生器及各种管道组成非晶硅薄膜沉积炉；

集成铝背电极制造单元，用大面积真空蒸铝机将所述非晶硅膜表面上蒸镀一层铝膜，由激光光刻机集成铝背电极成图形；

切片测试单元将已印好保护漆、字符及电极引出点后的集成光电池大面积基片切割为单体光电池小芯片，电池切片机，该机由电气控制柜、编程器、显微摄像定位系统、基准边定位系统、光尺检测系统、运动刀架、工作转盘、气动系统、真空负压系统及机架所组成，电性能测试机由测试头、送片器、光源测试箱、计算机测试控制系统组成。

3.根据权要求1或2所述的一种生产内联式超薄弱光型非晶硅光电池生产线，其特征在于上述集成非晶硅膜制造单元的非晶硅沉积预热炉是由一装有10KW加热器体积1立方米的烘箱内装六个沉积夹具，沉积夹具有吸附构件，在沉积夹具的中心电极板和负极板装置超薄玻璃基片面上，铣出五个宽度2mm、深度1.5mm的梳状吸附沟槽，每个梳状槽抽气口与真空管道密封连通，正、负极板真空管道绝缘连接在一起，接口可与沉积炉真空管道快速接口相接。

4.根据权要求1所述的一种生产内联式超薄弱光型非晶硅光电池生产线，其特征在于为防止将光电池集成片切割为单体电池时发生边缘短路现象，在透明电极集成图形中特设计了激光切割边缘保护线。

5.一种内联式超薄弱光型非晶硅光电池，其特征是：在电极集成图形是305mm×178mm玻璃基片的透明导电膜上，纵向由一组m条激光切割直线，排列n1组纵向激光切割线，每组相隔一定距离，横向由一排2条横向激光切割直线，横向排列n2排横向激光切割直线，由m个矩形方块构成单体电池透明电极，排列n1×n2个单体电池透明电极组成的内联结构的透明电极集成图形。

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