多晶硅片清洗制絨均勻性的研究

楊飛飛，張 欣，王森濤，賈彥科

（山西潞安太陽能科技有限責任公司，山西 長治046000）

0 引 言

多晶硅電池因其成本低，占據(jù)了很大的光伏市場。在太陽能電池的生產(chǎn)工藝中，硅片表面絨面可以有效地降低太陽電池的表面反射率。酸腐蝕絨面技術(shù)是成本最低、應用廣泛的多晶硅電池片制絨技術(shù)。但是在實際應用中，酸腐蝕制絨存在刻蝕不均勻問題，制絨不均勻會造成氮化硅減反射膜的嚴重色差。本文對制絨引起的色差進行了詳細的研究。

1 酸制絨機理

HF－HNO3腐蝕系統(tǒng)是由 HF，HNO3和 H2O（或CH3COOH）按一定比例混合而成，本實驗使用去離子水H2O作為緩沖劑。一般認為多晶Si片的酸腐蝕過程由兩步進行，Si的氧化還原過程和中間物SiO2的溶解過程［1］。整個反應過程如下：

反應發(fā)生時，硅片表面的陽極反應為：

陰極反應為：

總反應為：

式中，h表示空穴；e表示電子［2］。通常n為（2～4），和腐蝕電流的倍增因子有關(guān)。

酸制絨中影響因素比較多，包括酸混合液的配比、緩沖劑、溫度和時間，都會對硅片表面微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，而且會導致不同的腐蝕速率。

2 實驗方案及實驗結(jié)果

實驗所用硅片為賽維LDK多晶P型硅片，面積為156×156 mm2，電阻率為1～3Ω·cm，厚度為200μm，使用Centrotherm制絨設(shè)備，HF酸原液的質(zhì)量分數(shù)為49%，HNO3的質(zhì)量分數(shù)為68%。硅片經(jīng)不同配比HF與HNO3溶液腐蝕后，依次經(jīng)堿洗、酸洗、水洗、烘干工序，再用金相顯微鏡、反射率及少子壽命測試儀分析，觀察硅片表面形貌、少子壽命大小、反射率情況，然后按正常電池工藝生產(chǎn)，PECVD（等離子體增強化學氣相沉積）鍍膜后觀察電池片表面色差情況，根據(jù)色差情況確定最優(yōu)的制絨工藝配方。

實驗使用三組晶花分布一致的硅片，排除微晶硅片對實驗結(jié)果的影響。每組數(shù)量20片，制絨前測試每組硅片的平均反射率及少子壽命，記錄其大小如表1。

表1 原始硅片反射率及少子壽命

三組硅片分別使用不同配比的制絨配方，A組HF：HNO3＝1：4，B組 HF：HNO3＝1：3.5，C組 HF：HNO3＝1：3。同時測試制絨后三組的反射率、少子壽命，并且利用金相顯微鏡觀察不同配比的硅片容貌。表2為實驗所測數(shù)據(jù)。

表2 制絨后硅片反射率及少子壽命

將三組制絨后硅片按后續(xù)工藝生產(chǎn)，經(jīng)PECVD后利用橢偏儀測試膜厚結(jié)果，表3為三組膜厚測試結(jié)果。

表3 鍍膜后硅片膜厚及少子壽命

3 分析與討論

3.1 硅片參數(shù)分析

由上述三組的硅片反射率、少子壽命的大小可以看出，硅片經(jīng)制絨前無論反射光譜或少子壽命都區(qū)別不大，排除了硅片本身缺陷帶來的影響，保證了結(jié)果的可靠性。

3.2 制絨后硅片參數(shù)分析

將三組硅片制絨后按不同配比與少子壽命、反射率做圖分析，如圖1、圖2所示。同時利用金相顯微鏡觀察三組制絨后硅片的表面形貌，如圖3、圖4所示。

圖1 少子壽命趨勢圖

圖2 反射率趨勢圖

圖3 不同溶液配比金相微觀圖對比

圖4 不同溶液配比、不同晶向下金相微觀圖對比

圖1顯示HF與HNO3配比越大，少子壽命相對越低，其主要原因可能為，HF的濃度大腐蝕速率快，腐蝕坑多且邊緣較尖銳，容易引入新的制絨損傷；當降低HF濃度時，腐蝕相對較慢，腐蝕坑較少且坑淺一些，邊緣較光滑，而且表面存在未刻蝕掉的SiO2層，鈍化了表面缺陷，減少了復合濃度中心。這可由三組表面微觀結(jié)構(gòu)圖3看出。

圖2顯示HF與HNO3配比越大，表面越暗，反射率越低，由圖3中可以看出，隨著HF酸濃度的加大，表面腐蝕坑隨之變小變多，分布均勻，很大程度上減少了表面的反射率。

圖4顯示不同晶向?qū)涛g后硅片表面形貌的影響，由圖中對比可看出，增大HF配比濃度后，不同晶向的表面形貌差異性也減小，可見如果僅僅從整體硅片的刻蝕均勻性來考慮，高HF濃度配比有利于腐蝕向著各向同性的方向進行。

經(jīng)上述分析所述，針對制絨工藝段可增加比率參數(shù)，定義為少子壽命與反射率之比：

式中，η表示比率；τ是少子壽命；k是反射系數(shù)（反射率）。并經(jīng)計算三組的比率值分別為A組0.241，B組0.256，C組0.242。

3.3 PEVCD鍍膜后硅片參數(shù)分析

由表3數(shù)據(jù)可以看出，反射率為19%分組硅片中心區(qū)域膜厚為87 nm，顏色為淺藍；反射率為18%的中心區(qū)域的膜厚為85 nm，顏色為藍色，反射率為17%的中心區(qū)域膜厚83 nm，顏色變暗紅。可見，反射率越低，鍍膜后電池片平均膜厚越低，由圖3制絨金相顯微鏡圖分析其原因為，反射率低對應刻蝕坑多，導致有效表面積增大，相應鍍膜面積增多，故膜厚較薄，顏色較深。中心區(qū)域反射率越低整片顏色越均勻，色差情況越小。同時在實驗中發(fā)現(xiàn)，當平均反射率在18%，單片邊緣反射率低于17%的比例大于8%時，鍍膜后色差會出現(xiàn)暗紅色，故實際工藝時應避免此類情況。

3.4 結(jié)果測試

將三組硅片送至絲網(wǎng)印刷制成電池片，測試其效率，各參數(shù)見表4。

由表4中數(shù)據(jù)分析，三組效率中效率最高者對應比率參數(shù)η最大。基于此以及電池片的等級劃分，A級為淺顏色，故實際生產(chǎn)中為減少鍍膜后色差反射率應選取18%～19%，且比率參數(shù)η最大的工藝配方。

表4 絲網(wǎng)印刷后電學性能參數(shù)

4 結(jié) 論

通過量化手段控制初期制絨工藝配方參數(shù)，使反射率控制在合理的范圍內(nèi)，可以保證氮化硅膜厚達到要求的標準，滿足生產(chǎn)需求。

［1］肖文明，檀柏梅，劉玉嶺，牛新環(huán)，邊 征.多晶SI太陽電池表面酸腐蝕制絨的研究［J］.顯微、測量、微細加工技術(shù)與設(shè)備，2009，46（10）：627－631.

［2］孫曉峰.多晶硅絨面的制備及在太陽能電池中的應用［D］.鄭州：鄭州大學，2004.