多晶硅片單面制絨工藝的研究

張建軍，許志衛(wèi)，張志敏，張 永，孫曉凱，謝偉偉，徐蘇凡

(1. 晶澳太陽能有限公司，邢臺 055550；2. 睿納能源科技有限公司，上海 200030)

0 引言

在制備太陽電池時，要去除硅片表面的有機(jī)物和金屬雜質(zhì)，消除硅片表面的機(jī)械損傷層；同時為了提高太陽電池對太陽光的吸收效果，需要在硅片表面形成凹凸性的織構(gòu)，因此對硅片表面進(jìn)行清洗制絨處理是非常必要的。

多晶硅片由大小不一的多個晶粒組成，表面晶向隨機(jī)分布，堿性腐蝕液是各向異性腐蝕，不能用于多晶硅片清洗制絨，而各向同性的酸性腐蝕液更適用。但酸腐蝕技術(shù)的缺陷是腐蝕反應(yīng)過程中腐蝕速率快且放熱量太大，需要低溫條件進(jìn)行，同時對冷卻、排風(fēng)等硬件要求更高，所以鏈?zhǔn)街平q設(shè)備更適用于多晶硅片制絨。

多晶硅鏈?zhǔn)街平q設(shè)備的工藝原理為：硅片在滾輪上傳輸，在制絨槽內(nèi)，用于吸收太陽光線的硅片正面朝下，與制絨槽下面的滾輪接觸；而硅片背面朝上，與制絨槽上面的滾輪接觸。制絨槽內(nèi)的酸液成分為氫氟酸、硝酸及專用于金剛線切割硅片的制絨添加劑，其中，金剛線切割硅片的制絨添加劑主要是為了降低制絨液體的表面張力，從而有利于氣泡、發(fā)生反應(yīng)的含硅絡(luò)合物等形成的“掩膜”脫離硅片表面。這對硅片正面的作用效果更為顯著，促使硅片縱向和橫向之間的反應(yīng)速度差異縮小，有利于形成小而深的絨面，得到更低的反射率[1]。

多晶硅片的酸腐蝕過程主要分為2步。第1步為硅的氧化過程，是利用通電流的方式，或利用一些氧化劑(如HNO3等強(qiáng)酸)實(shí)現(xiàn)多晶硅的氧化，其反應(yīng)式為：

第2步為SiO2的溶解過程，通常利用HF與SiO2反應(yīng)生成可溶性的H2SiF6，促使SiO2層的溶解，從而實(shí)現(xiàn)HNO3對多晶硅片的腐蝕[2]。該過程的反應(yīng)式為：

本文在多晶硅鏈?zhǔn)街平q設(shè)備上研究一種新的多晶硅片單面制絨工藝，通過對制絨設(shè)備進(jìn)行改造，使制絨槽內(nèi)的硅片由浸沒式腐蝕制絨改為漂浮式腐蝕制絨，同時利用噴淋方式去除硅片背面的損傷層，有效避免了硅片背面的過度腐蝕。選擇相同條件下的原料片，分別采用新的單面制絨工藝與產(chǎn)線常規(guī)雙面制絨工藝進(jìn)行制絨實(shí)驗(yàn)；對比分析2種制絨工藝對多晶硅片制絨減重、反射率，以及電池電性能的影響。

1 多晶硅片單面制絨工藝的介紹

本文提出的新的多晶硅片單面制絨工藝在睿納能源科技有限公司(RENA)生產(chǎn)的多晶硅鏈?zhǔn)街平q機(jī)上進(jìn)行。新的單面制絨工藝只在制絨槽內(nèi)進(jìn)行硬件改造及工藝參數(shù)調(diào)整，其余槽體不做調(diào)整。因此，新的單面制絨工藝和常規(guī)雙面制絨工藝的工藝流程圖是相同的，如圖1所示。

圖1 RENA多晶硅鏈?zhǔn)街平q機(jī)的工藝流程示意圖Fig. 1 Process flow of RENA polysilicon chain texturing machine

在產(chǎn)線的常規(guī)雙面制絨工藝條件下，硅片在制絨槽內(nèi)整個浸沒在HF/HNO3溶液中進(jìn)行制絨，硅片下面是PVDF材質(zhì)的傳輸滾輪，上面是帶O形膠圈的圓盤滾輪(即O-ring滾軸)。圓盤滾輪是活動的，其不會壓碎硅片，而是會隨著硅片的傳送一起轉(zhuǎn)動；傳輸滾輪表面做了特殊設(shè)計(jì)，利用毛細(xì)作用吸附硅片，使硅片在流動的溶液中移動時既不會分道走偏方向，也不會造成碎片，同時還不會因卡住硅片而造成碎片。雖然制備出了所需要的絨面，但此時硅片背面是過度腐蝕的，不僅提高了酸液損耗，同時也不利于硅片薄片化的推廣。

本文提出的新的單面制絨工藝中，制絨槽內(nèi)硅片不再完全浸沒到整個溶液中，通過對制絨槽的擋板、滾輪等進(jìn)行改造，硅片變?yōu)槠≡谌芤荷贤瓿芍平q步驟。

硅片漂浮式腐蝕制絨的原理為：通過滾輪的支撐和腐蝕液體的表面張力，使硅片漂浮在腐蝕液的液面上，硅片正面不接觸腐蝕液，只有硅片背面和邊緣與腐蝕液接觸，并發(fā)生腐蝕反應(yīng)。

硅片的漂浮主要依靠液體的表面張力，表面張力是存在于液體表面具有收縮趨勢的力，其作用是均勻分布的，方向與液面相切。在這種表面張力的作用下，液面面積將收縮至最小值。液體表面張力的大小由表面張力系數(shù)來表征，不同液體有不同的表面張力系數(shù)，其與液體的成分、溫度和相鄰物質(zhì)的性質(zhì)等因素有關(guān)。

制絨槽內(nèi)由浸沒式雙面制絨工藝改造為漂浮式單面制絨工藝的設(shè)備改造示意圖如圖2所示，設(shè)備改造后多晶硅片在制絨槽內(nèi)的實(shí)際情況如圖3所示。

圖2 設(shè)備改造示意圖Fig. 2 Schematic diagram of equipment transformation

圖3 設(shè)備改造后硅片在制絨槽內(nèi)前、后部分的示意圖Fig. 3 Schematic diagram of front and rear parts of silicon wafers in texturing trough after equipment transformation

如圖2、圖3所示，硅片背面靠旋轉(zhuǎn)的O-ring滾軸壓片，保證了硅片行程不跑偏；同時，新工藝增加了可以控制噴淋量、噴淋速度的酸噴淋模塊，該模塊位于制絨槽后半部分，通過手動閥門調(diào)控流量的大??；背噴淋所用的HF/HNO3酸液與槽內(nèi)溶液成分相同，通過循環(huán)泵從制絨槽副槽抽出。

2 性能對比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)采用p型156 mm×156 mm的金剛線切割多晶硅片，這主要是考慮到金剛線切割工藝形成的硅片表面損傷層更小，表面缺陷更少[3]，硅片背面在制絨時可以做更低的減薄量，與本文研究的單面制絨工藝方向更加匹配。硅片的電阻率為0.5～3.0 Ω?cm。

2.2 實(shí)驗(yàn)流程

分別選取相同條件下的多晶硅片各800片，嚴(yán)格均分后分別按表1中新的單面制絨工藝、常規(guī)雙面制絨工藝進(jìn)行制絨處理，后續(xù)工序均 按常規(guī)多晶硅太陽電池生產(chǎn)流程(擴(kuò)散→濕刻→鍍膜→印刷→檢測)，采用相同的設(shè)備機(jī)臺及工藝配方制備，然后確認(rèn)最終太陽電池的電性能參數(shù)。

表1 2種制絨工藝的配方Table 1 Formula of two kinds of texturing process

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 硅片制絨后減重及反射率分析

表2為多晶硅片分別采用2種制絨工藝后，硅片正、背面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，多晶硅片采用單面制絨工藝后硅片正面減重0.0964 g，腐蝕深度為1.7 μm，反射率為26.50%，與采用常規(guī)雙面制絨工藝的結(jié)果差異不大；多晶硅片采用單面制絨工藝后硅片背面減重0.0602 g，比采用常規(guī)雙面制絨工藝時下降了54%，腐蝕深度降至1.062 μm。這一結(jié)果產(chǎn)生的原因在于單面制絨工藝對設(shè)備進(jìn)行了改造，在整個制絨槽運(yùn)行期間，硅片背面在槽內(nèi)前半段為漂浮的脫液狀態(tài)，而在后半段是處于酸液噴淋狀態(tài)，通過控制噴淋流量的大小或位置，可以有效地控制硅片背面的腐蝕量。

3.2 SEM微觀結(jié)構(gòu)分析

對采用常規(guī)雙面制絨工藝和單面制絨工藝下的多晶硅片正面的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，其正面微觀形貌如圖4所示。

圖4 常規(guī)雙面制絨工藝和單面制絨工藝下多晶硅片正面的微觀形貌Fig. 4 Micromorphology of front side of polysilicon wafer under conventional bifacial texturing process and single side texturing process

從圖4可以看出，2種制絨工藝均采用硝酸、氫氟酸及水的混合液作為腐蝕液，反應(yīng)為各向同性腐蝕，會形成溝槽狀腐蝕表面。2種制絨工藝下多晶硅片正面微觀形貌腐蝕坑的密度、分布均勻性差異不大，這從表2的硅片正面絨面反射率的數(shù)值可以體現(xiàn)。

同樣對采用2種制絨工藝下多晶硅片背面的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，其背面微觀形貌如圖5所示。

表2 硅片正、背面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results for front side and rear side of silicon wafers

圖5 常規(guī)雙面制絨工藝和單面制絨工藝下多晶硅片背面的微觀形貌Fig. 5 Micromorphology of rear side of polysilicon wafer under conventional bifacial texturing process and single side texture process

從圖5可以看出，2種制絨工藝的背面腐蝕方式有很大差異，常規(guī)雙面制絨工藝的背面腐蝕減薄量不能控制，而單面制絨工藝是采用噴淋方式去除硅片背面損傷層達(dá)到腐蝕減薄的目的，背面腐蝕減薄量是可以通過調(diào)節(jié)硬件參數(shù)調(diào)控的，且單面制絨工藝下多晶硅片背面的減重窗口范圍比常規(guī)雙面制絨工藝的更大，更容易調(diào)制出產(chǎn)線需要的工藝產(chǎn)品。對比2種制絨工藝下多晶硅片背面的微觀形貌可以看出，采用單面制絨工藝后多晶硅片背面的微觀絨面結(jié)構(gòu)更小、平整度更高，比采用常規(guī)雙面制絨工藝的硅片背面絨面形貌更利于后續(xù)工序的背拋光，可以提高濕法刻蝕中背拋光時HF/HNO3混合腐蝕的均勻性。

3.3 電性能測試數(shù)據(jù)

對采用常規(guī)雙面制絨工藝和單面制絨工藝最終制備的太陽電池的電性能進(jìn)行測試，數(shù)據(jù)如表3所示。

從表3的電性能數(shù)據(jù)可以看出，相較于采用常規(guī)雙面制絨工藝制備的多晶硅太陽電池，采用單面制絨工藝制備的多晶硅太陽電池的Voc、Isc均有優(yōu)勢，且電池的轉(zhuǎn)換效率提高了0.03%，達(dá)到了預(yù)期效果。

上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明，對于金剛線切割的多晶硅片，其背面腐蝕深度達(dá)到1.062 μm就能很好的去除損傷層，而現(xiàn)有的常規(guī)雙面制絨工藝制備的硅片背面是過度腐蝕的。

4 結(jié)論

本文介紹了一種新的多晶硅片單面制絨工藝，通過對多晶硅鏈?zhǔn)街平q設(shè)備的制絨槽進(jìn)行改造，使制絨槽內(nèi)硅片由浸沒式改為漂浮式腐蝕制絨，同時利用噴淋方式去除了硅片背面損傷層，顛覆了傳統(tǒng)的雙面制絨理念，改善了硅片背面過度腐蝕現(xiàn)象，降低了硅片的腐蝕量和化學(xué)藥品的耗費(fèi)量，同時提升了電池的轉(zhuǎn)換效率；并且從理論上來看，制絨槽內(nèi)的液體壽命得到了延長。