金剛線切割多晶硅片表面減反射絨面的制備

劉友博，李利凱，汪 雷，楊德仁

(浙江大學材料科學與工程學院，硅材料國家重點實驗室，浙江 杭州 310027)

1 引 言

多晶硅作為重要的太陽能電池材料一直為人們所關注[1-2]，目前多晶硅太陽電池用硅片切片工藝主要有傳統(tǒng)的砂漿線切割和新興的金剛線切割兩種方式[3-4]。相比于砂漿線切割，金剛線切割具有切割速度快、利于硅片的薄片化、硅片表面損傷小、碎片率低以及對環(huán)境更友好等優(yōu)點[5-7]。因此，工業(yè)生產(chǎn)中，金剛線切割成為主流的切割方式。

但是，金剛線切割的多晶硅片使用常規(guī)酸法制絨無法獲得理想的減反射效果，這直接導致最終電池效率低于砂漿切割片[5]。究其原因，經(jīng)金剛線切割的多晶硅片表面光滑區(qū)域大，缺陷較少，而酸法腐蝕更傾向于在缺陷處優(yōu)先腐蝕，故而難以制備出均勻密集的減反射坑[8-9]。另一方面，金剛線切割后的線痕亦無法通過常規(guī)酸法制絨消除，這也為硅片后續(xù)處理及外觀造成不利影響[10]。以上問題極大地阻礙了金剛線切割工藝在多晶硅太陽電池領域的推廣及應用。

近幾年，國內(nèi)外研究人員提出了各種減反射絨面的制備方法。例如，反應離子刻蝕(RIE)法可以制備出理想的減反射絨面，但此方法使用的設備復雜昂貴，且容易引入機械損傷[11-13]。另外，金屬輔助催化腐蝕法(MCCE)具有生產(chǎn)效率高，不使用昂貴設備，絨面減反射效果好等優(yōu)點而受到廣泛關注，但目前此類方法大都需要消耗貴金屬銀，制絨成本較高，另外重金屬銀離子的排放也會導致環(huán)境污染等問題[14-16]。

本研究提出了一種兩步腐蝕法制備金剛線切割多晶硅片減反射絨面的技術。首先以濃硫酸作為添加劑去除了金剛線切割多晶硅片表面線痕，然后將酸腐蝕液霧化處理后腐蝕硅片，最終得到的微米納米復合的多孔結構，使硅片少子壽命提高的同時擁有優(yōu)良的減反射效果。

2 實 驗

2.1 實驗原料

實驗選用的硅片為P型金剛線切割多晶硅片，規(guī)格為156mm×156mm，厚度為(180±10)μm；去離子水(DI)、雙氧水(H2O2，30wt.%)、氨水(NH3·H2O，25～28wt.%)、濃 鹽 酸(HCl，37.5wt.%)、濃 硝 酸(HNO3，65wt.%)、濃硫酸(H2SO4，98wt.%)、氫氟酸(HF，40wt.%)，以上試劑皆為分析純。

2.2 實驗方法

2.2.1 硅片預處理 首先通過激光切片機將硅片切成30mm×30mm 的小片；然后依次使用RCAⅠ，其溶液配比為DI∶NH3·H2O∶H2O2=5∶1∶1(體積比)，RCAⅡ，其溶液配比為DI∶HCl∶H2O2=6∶1∶1(體積比)，70℃超聲清洗15min以去除硅片表面的金屬雜質與有機物，之后DI超聲清洗10min；最后使用N2吹干待用(記為un-etched)。

2.2.2 預腐蝕及去線痕 按照體積比HF∶HNO3∶DI∶H2SO4=1∶3.75∶2∶6.75 配制預腐蝕液；水浴加熱，預設溫度30℃，在聚四氟乙烯燒杯中腐蝕硅片60s；之后DI超聲清洗5min，重復2次；最后N2吹干待測(記為pre-etched)。

2.2.3 酸霧腐蝕 按照體積比HF∶HNO3∶DI=3∶1∶1配制腐蝕液，使用魚躍403T 型射流式醫(yī)用霧化器(最大霧化率不小于0.1m L/min)將腐蝕液霧化成粒徑為5μm 以下的小液滴；之后如圖1所示，將酸霧由上方通入被加熱套包裹的聚四氟乙烯管(內(nèi)徑為50mm，長為350mm)中，管另一端通入盛放有硅片的四氟乙烯燒杯中，在預設溫度(30℃)下腐蝕若干時間；然后，樣品經(jīng)DI超聲清洗5min，重復2次；最后N2吹干待測。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Schematic representation of etching setup

2.3 測試與表征

采用HITACHI U-4100 型紫外-可見-近紅外分光光度計(UV-Vis)測量樣品在300～1100nm 波長范圍內(nèi)的反射率；HITACHI S4800 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)表征樣品表面微觀形貌；Semilab WT-2000型少子壽命測試儀測試多晶硅片表面有效少子壽命。

3 結果與分析

3.1 預腐蝕去除線痕效果

圖2 預腐蝕前后樣品數(shù)碼照片和SEM 圖像(a)、(b)un-etched；(c)、(d)pre-etchedFig.2 Digital photographs and SEM images(a)、(b)un-etched；(c)、(d)pre-etched

圖2為硅片經(jīng)預腐蝕前后的數(shù)碼照片和SEM 照片。如圖2(a)、(b)所示，未腐蝕時，硅片表面線痕明顯，可以肉眼直接觀察到；經(jīng)SEM 觀察發(fā)現(xiàn)，沿著線痕有一些破碎區(qū)，其余為光滑區(qū)域。經(jīng)預腐蝕后，如圖2(c)、(d)所示，肉眼已無法觀察到硅片上的線痕；在SEM 照片中，線痕也已消失，硅片表面隨機分布著直徑約1～2μm 左右的圓形淺坑。綜上可知，預腐蝕工藝去除了硅片表面線痕并在硅片表面留下微米級的淺坑。

3.2 酸霧腐蝕對樣品表面形貌的影響

圖3為預腐蝕后的樣品經(jīng)酸霧腐蝕不同時長后的表面SEM 圖像。從圖可見，經(jīng)過預腐蝕后的樣品表面分布著內(nèi)部光滑的微米級淺坑。經(jīng)酸霧腐蝕10min后，樣品表面淺坑上出現(xiàn)納米級小突起，光滑的表面開始變得粗糙；經(jīng)酸霧腐蝕15min后，樣品表面微米級淺坑內(nèi)部已經(jīng)完全被腐蝕，密布著孔徑在100nm 左右的納米多孔結構；腐蝕時間達到20min時，樣品表面納米級的小孔相互連接，多孔結構遭到損傷，而微米級的預腐蝕淺坑的邊緣也變得模糊，樣品被過度腐蝕。

圖3 經(jīng)不同時間酸霧腐蝕后的樣品表面SEM 照片(a)0min；(b)10min；(c)15min；(d)20minFig.3 SEM images of the sample surface for different time(a)0min；(b)10min；(c)15min；(d)20min

3.3 硅片表面反射率表征

圖4為預腐蝕前后和再經(jīng)不同時間酸霧腐蝕后的樣品在300～1100nm 波長范圍內(nèi)表面反射率變化圖。從圖可知，經(jīng)預腐蝕后，硅片表面反射率在短波段(300～450nm)有一定上升，在長波段(450～1100nm)稍有下降，總體變化不大，因此預腐蝕工藝在硅片表面留下的微米級淺坑并不能帶來有效的減反射效果。之后樣品經(jīng)酸霧腐蝕后，反射率迅速下降，經(jīng)積分計算，酸霧腐蝕5、10、15和20min后，樣品平均反射率分別降至33.2%、15.5%、8.6%及11.6%。顯然，樣品經(jīng)酸霧腐蝕后獲得了優(yōu)良的減反射效果，300～1100nm的平均反射率隨著腐蝕時間的增加先降后升，在15min時，得到極小值8.6%。

樣品表面反射率的變化是由樣品表面形貌的演化所直接導致的，未經(jīng)酸霧腐蝕時，樣品表面所密布的微米級淺坑深度較淺，無法有效陷光，因此樣品會有較高的反射率；酸霧腐蝕時，酸霧小液滴經(jīng)加熱后到達并隨機附著在硅片表面，隨著小液滴中的氫氟酸和硝酸混合液與硅發(fā)生腐蝕反應，樣品表面逐漸被腐蝕出納米級多孔結構，這些多孔結構形成介于空氣和硅片之間的漸變折射率，起到增透膜的作用，進而產(chǎn)生良好的減反射效果；但隨著酸霧腐蝕時間的延長，更多的酸霧液滴到達樣品表面并參與反應致使硅片被過度腐蝕，一方面納米級多孔結構所構成的增透膜遭到破壞，另一方面因微米級淺坑邊緣也被腐蝕而導致幾何陷光效果亦減弱，從而使樣品的減反射效果變差，反射率回升。

圖4 樣品表面反射率變化圖Fig.4 Reflectance spectra of etched samples

3.4 硅片少子壽命變化

有效少子壽命也是影響太陽電池效率的重要原因，表1為硅片各腐蝕階段前后的有效少子壽命變化。從表可見，經(jīng)預腐蝕前后，硅片的少子壽命變化較小，而經(jīng)酸霧腐蝕15min后，樣品少子壽命提升了0.6μs以上。一般而言，納米多孔結構的引入會導致硅片比表面積迅速提升而使少數(shù)載流子的復合效應增強，最終導致少子壽命的下降，但此處卻出現(xiàn)反常。推測可能有以下原因：一是酸霧腐蝕反應會優(yōu)先在缺陷處發(fā)生，從而可有效去除表面的缺陷，減少禁帶中的缺陷能級，降低少數(shù)載流子復合機率，進而提高少子壽命；二是形成的多孔結構為百納米級別，比表面積遠小于納米級別的表面，降低了少數(shù)載流子的表面復合，提高了少子壽命。

表1 硅片表面有效少子壽命變化Table 1 Effective minority carrier lifetime at different stages

4 結 論

本研究采用兩步法，首先以濃硫酸作為添加劑去除了金剛線切割多晶硅片的表面線痕，然后又將酸腐蝕液經(jīng)霧化處理后腐蝕硅片。最終得到的樣品表面無線痕且分布著微米納米復合的多孔結構，平均反射率低達8.6%，表現(xiàn)出較好的減反射效果，少子壽命相對于未腐蝕片提升0.6μs以上。此工藝操作簡單，成本低，且與現(xiàn)有的工業(yè)生產(chǎn)工藝相匹配，具有很好的產(chǎn)業(yè)化應用前景。