單晶制絨工藝酸堿清洗液配比及濃度對清洗效果的影響

李雪方 武佳娜 郭麗 梁芳楠

【摘 要】 本文從單晶制絨酸堿清洗出發(fā)，結(jié)合擴(kuò)散制結(jié)工藝，分析闡述制絨清洗效果對電池片性能與外觀質(zhì)量的影響。結(jié)果表明：堿清洗中KOH與H2O2在合適的配比下，絨面潔凈度更高，絨面均勻性良好，電性能更優(yōu); 酸清洗液濃度應(yīng)盡可能大，以保證硅片表面的二氧化硅層去除，同時(shí)保證HCL對金屬離子的清洗效果;制絨清洗效果不良情況下，經(jīng)過擴(kuò)散制結(jié)后，PN結(jié)被破壞，外觀呈現(xiàn)燒焦色斑不良，EL下呈現(xiàn)黑斑、黑點(diǎn)不良，導(dǎo)致電性能下降。

【關(guān)鍵詞】 單晶PERC;酸堿清洗;PN結(jié);電性能

【中圖分類號】 TM914.4 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）04-0097-02

高效、低成本一直是光伏制造商追求的主要目標(biāo)，單晶PERC已成為光伏行業(yè)的主流技術(shù)。清洗制絨是電池片制作的第一道工序。原料硅片經(jīng)過多種加工工序后，表面殘留有機(jī)械損傷層和各種有機(jī)化合物。如果原料硅片的表面質(zhì)量達(dá)不到要求，那么剩余的工藝再精湛，也將無法獲得高質(zhì)量的成品電池片，硅片清洗的重要性即凸顯出來。硅片的清洗方法有RCA清洗法、超聲清洗法、機(jī)械刷片法等。隨著光伏行業(yè)的發(fā)展，以RCA清洗理論為基礎(chǔ)的各種化學(xué)清洗被開發(fā)并應(yīng)用于規(guī)模化生產(chǎn)中。在單晶硅片制絨工藝中，常用H2O2為強(qiáng)氧化劑，選用OH-共同對硅片表面的有機(jī)污染物進(jìn)行氧化—溶解—再氧化—再溶解的循環(huán)過程，最終達(dá)到污染物去除的目的，同時(shí)利用OH-對損傷層進(jìn)行去除。制絨后的酸清洗一般選用HF與HCl的混合液，中和硅片上殘留的堿液并去除金屬離子。硅片清洗旨在制作精良的絨面結(jié)構(gòu)，獲得優(yōu)質(zhì)的電性能。

本文從制絨清洗液的配比濃度出發(fā)，再結(jié)合擴(kuò)散工藝，闡述清洗對電池片電性能的影響。

1實(shí)驗(yàn)方法與方案

實(shí)驗(yàn)在PERC電池生產(chǎn)線上進(jìn)行，使用槽式制絨設(shè)備做金字塔絨面的制備，并在管式擴(kuò)散爐中做P摻雜沉積制備PN結(jié)。其他工藝均采用線上控制參數(shù)。

堿清洗實(shí)驗(yàn)方案：雙氧水作為強(qiáng)氧化劑，對硅片表面的有機(jī)物清洗起著主要作用，所以本實(shí)驗(yàn)僅調(diào)整H2O2在混合液中的濃度，并通過添加H2O2的體積量來達(dá)到此目的。實(shí)驗(yàn)制得不同配比下的電池片進(jìn)行電性能分析對比。實(shí)驗(yàn)僅調(diào)整堿洗槽，其他槽體保持不變。

酸清洗實(shí)驗(yàn)方案：通過調(diào)整HF與HCl在混合液中的比例，制得分組電池片，分析酸清洗對電池片電性能的影響。實(shí)驗(yàn)在同一制絨機(jī)臺進(jìn)行，其他槽體不做更改，僅手動更改酸洗槽的配方，每次換液正常后取用1000片的生產(chǎn)數(shù)據(jù)作對比。

2結(jié)果分析

2.1堿清洗的影響

堿洗實(shí)驗(yàn)所得電性能參數(shù)如表1。

堿性腐蝕液中的H2O2配液量翻倍、增加10L后，電池片轉(zhuǎn)換效率分別下降約0.13%、0.08%，主要體現(xiàn)在開壓與填充的下降。經(jīng)測試，實(shí)驗(yàn)與生產(chǎn)片制絨后的反射率相差不大，可見雙氧水主要貢獻(xiàn)于硅片表面的清潔程度。合適配比下，H2O2在腐蝕液中可增加Si-O-Si鍵，使制絨微粗糙度降低。而H2O2過量時(shí)，可能造成堿液對硅片的腐蝕作用，金字塔成型不佳，表面微粗糙度高，少子壽命下降，開壓降低;較高的微粗糙度在絲網(wǎng)印刷時(shí)形成的串聯(lián)電阻較大，導(dǎo)致FF下降。

2.2酸清洗的影響

酸清洗實(shí)驗(yàn)所得電學(xué)性能參數(shù)如表2。

從電性能統(tǒng)計(jì)表中可以看出，在HF∶HCl配比為36L∶46L時(shí)，其電性能參數(shù)最優(yōu)，而配比為18L∶25L時(shí)，電性能比較差。在電性能方面，主要體現(xiàn)在FF、Rsh、Isc、Voc的差別。制絨酸洗槽中HF的主要作用是去除硅片表面形成的氧化層，使硅片更易脫水，HCl去除硅片表面的金屬雜質(zhì)離子。而在B組中，酸濃度偏低，HF在混合液中主要是和SiO2反應(yīng)，而該組HF含量占比較其他兩組更低，硅片制絨后疏水性差，可能導(dǎo)致表面有酸漬殘留，酸漬中含有金屬雜質(zhì)，可在晶硅中產(chǎn)生復(fù)合作用，導(dǎo)致少數(shù)載流子的擴(kuò)散長度減小，降低電池轉(zhuǎn)換效率。在擴(kuò)散工藝中，酸漬殘留區(qū)域經(jīng)高溫反應(yīng)，表面的PN結(jié)被破壞，EL呈現(xiàn)即為黑斑黑點(diǎn)。

對比三組實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)換效率散點(diǎn)圖（見圖1），制絨酸洗槽采用HF∶HCl=36L∶46L的配方下的電池片的轉(zhuǎn)換效率更集中，低效片相對較少，電池片電性能更穩(wěn)定。

2.3 擴(kuò)散工藝影響

硅片制絨清洗效果不佳，即存在酸堿殘留時(shí)，制絨后肉眼看不見，但經(jīng)過后續(xù)擴(kuò)散工藝后，外觀即出現(xiàn)燒焦斑點(diǎn)，EL上為黑斑黑點(diǎn)。如圖2所示。

擴(kuò)散反應(yīng)爐一般溫度在600℃以上。若硅片在進(jìn)入反應(yīng)爐中，表面殘留有化學(xué)品，而化學(xué)品的主要成分為水，水與三氯氧磷在氧氣的氛圍中會形成HPO3，其有腐蝕作用，在高溫的作用下被燒焦，并附著于硅片表面，即呈現(xiàn)擴(kuò)散后的燒焦?fàn)顟B(tài)。

擴(kuò)散工藝是利用三氯氧磷作為磷源，改變硅片表面的P濃度，進(jìn)而使P型硅片靠近表面的薄層變?yōu)镹型，并高溫推進(jìn)，獲得所需PN結(jié)。在本文中，因制絨清洗效果的影響，硅片表面殘留物位置處在擴(kuò)散爐中呈燒焦?fàn)顟B(tài)，且主要為偏磷酸，該處磷無法推進(jìn)或者推進(jìn)困難，方阻高，Rsh小，而Rsh是PN結(jié)形成的不完全部分所導(dǎo)致的漏電流，其越小漏電流越大，電池轉(zhuǎn)換效率越低。

3結(jié)論

堿清洗步驟中應(yīng)合理調(diào)配KOH與H2O2的比例，KOH∶H2O2=4.34L∶17L時(shí)，制得的絨面潔凈度高，金字塔均勻，電性能更優(yōu)。

酸液濃度在優(yōu)選范圍內(nèi)應(yīng)盡可能大，HF∶HCl=36L∶46L配比下，保證了足夠的HF能將硅片表面的二氧化硅膜層去掉，使硅片的疏水性更佳，同時(shí)保證HCl對金屬雜質(zhì)離子的清洗效果。

制絨清洗效果不佳時(shí)，在擴(kuò)散后硅片表面會出現(xiàn)燒焦外觀不良，EL呈現(xiàn)黑斑黑點(diǎn)，電性能主要體現(xiàn)在漏電流大。

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