濕法刻蝕液配比對“SE+PERC”雙面單晶硅 太陽電池電性能影響的研究

張進臣，張建軍， 張 永，嚴金梅，朱少杰

(晶澳太陽能有限公司，邢臺 055550)

0 引言

光伏發(fā)電作為國家未來新能源發(fā)展的重要戰(zhàn)略之一，經(jīng)過前期的政策大力扶持，目前已基本實現(xiàn)了平價上網(wǎng)，光伏行業(yè)迎來了巨大的發(fā)展期和快速增長期。隨著太陽電池技術突飛猛進的發(fā)展，其光電轉(zhuǎn)換效率與產(chǎn)能也有了爆發(fā)式提高。目前，疊加了選擇性發(fā)射極(SE)技術的p型“SE+PERC”雙面單晶硅太陽電池已經(jīng)成為太陽電池產(chǎn)品的主流，其光電轉(zhuǎn)換效率逐步提高，一線太陽電池廠商生產(chǎn)的“SE+PERC”太陽電池的開路電壓已超過690 mV，光電轉(zhuǎn)換效率達到23.70%。同時，隨著大尺寸硅片的推廣，以及多主柵、半片等新技術的應用， 72版型“SE+PERC”雙面光伏組件的標稱功率已經(jīng)可以達到550 W。但針對太陽電池提效的技術開發(fā)仍未停止，如何進一步提升太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的同時降低光伏發(fā)電成本，一直是光伏行業(yè)追求的目標。

在太陽電池制備過程中，硅片背面的鈍化效果會影響太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率，而刻蝕工序后，硅片背面絨面的形貌越好，其界面態(tài)也就越好，說明背面鈍化效果越好?？涛g工序可采用干法刻蝕工藝和濕法刻蝕工藝。針對濕法刻蝕工藝，近年來，行業(yè)內(nèi)開發(fā)出堿拋光工藝，可得到平整度更好、反射率更高的背面絨面形貌，而傳統(tǒng)的采用酸拋工藝(使用氟化氫/硝酸體系刻蝕液)的設備即將面臨淘汰。但目前此類采用酸拋工藝的設備仍存在較大的市場占比，若能進一步優(yōu)化其酸拋工藝的效果，提升設備的性價比，仍可延續(xù)此類設備的使用壽命?；诖耍疚难芯苛藵穹涛g工藝采用氟化氫/硝酸/硫酸體系刻蝕液時，不同刻蝕液配比條件下硅片背面的絨面狀態(tài)及反射特性，以期通過優(yōu)化刻蝕液配比來達到硅片背面拋光后絨面形貌及反射率的最佳條件，實現(xiàn)提升“SE+PERC”雙面單晶硅太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的目的。

1 實驗

1.1 實驗準備

選用從同一根硅棒上切割的p型直拉單晶硅片1200片，電阻率為0.8～1.1 Ω·cm，尺寸為158.75 mm×158.75 mm，厚度為170 μm。將1200片單晶硅片均分為3組，每組400片。

本文的刻蝕工序采用濕法刻蝕工藝，其包括酸拋工藝和堿拋工藝。濕法刻蝕工藝采用捷佳偉創(chuàng)新能源裝備股份有限公司生產(chǎn)的濕法5道刻蝕機臺，采用系科光電科技(上海)有限公司生產(chǎn)的D8反射率測試儀進行反射率測試，采用奧林巴斯株式會社生產(chǎn)的電子顯微鏡對硅片背面絨面的微觀形貌、尺寸大小、表面積比進行測試，利用上海偉信新能源科技有限公司生產(chǎn)的量子效率(QE)分析儀進行QE測試，采用德國HALM公司生產(chǎn)的高精度I-V測量系統(tǒng)進行成品太陽電池的電性能測試。

1.2 實驗設計

在刻蝕工序，將上述3組單晶硅片分別采用3個實驗條件。其中，實驗條件1為采用傳統(tǒng)的酸拋工藝，實驗條件2為采用優(yōu)化后的酸拋工藝，實驗條件3為采用堿拋工藝。

本實驗借鑒多晶硅片濕法刻蝕工藝中刻蝕液的各組成液體的體積配比經(jīng)驗及相關研究的結(jié)論，針對刻蝕槽中刻蝕液成分在化學反應中所起作用的不同，圍繞調(diào)整硫酸的體積占比來展開研究，通過研究不同刻蝕液配比條件下硅片背面的絨面及反射率狀態(tài)，尋找到最佳的硫酸體積占比，以此作為優(yōu)化后的酸拋工藝。

在刻蝕槽內(nèi)刻蝕液中除硫酸外的其他溶液(氟化氫、硝酸)的配比、反應溫度及硅片傳輸速度均保持不變的前提下，調(diào)整硫酸(濃度為97%)在刻蝕液中的體積占比，從0%逐漸上調(diào)至20%，測試硫酸體積占比對硅片背面微觀形貌、減重及反射率的影響。由于硅片背面反射率越高，太陽電池對光譜中波長大于1000 μm的長波段光的吸收越強，同時，硅片背面反射率高的絨面，其形貌的平坦度也會越高，更利于之后工序中氧化鋁膜的沉積，有助于提升氧化鋁膜的鈍化性能，因此，將硅片背面反射率最高時的硫酸體積占比作為優(yōu)化后的酸拋工藝，并將采用此種工藝的硅片與采用傳統(tǒng)酸拋工藝及堿拋工藝的硅片進行對比。

除刻蝕工序不同外，所有硅片均按照圖1所示的流程制備成“SE+PERC”雙面單晶硅太陽電池。然后利用高精度I-V測量系統(tǒng)對3種成品太陽電池進行電性能測試，并對其進行QE測試，以分析不同太陽電池對長波段光的反射、吸收效果。

圖1 “SE+PERC”雙面單晶硅太陽電池制備流程Fig. 1 Preparation process of “SE+PERC” bifacial mono-Si solar cells

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 不同刻蝕液配比時硅片背面絨面形貌對比

當刻蝕液中硫酸體積占比分別為0%、4%、8%、12%、16%、20%時，對硅片背面進行刻蝕，得到不同刻蝕液配比下的硅片背面絨面形貌，并利用電子顯微鏡在放大6000倍的情況下對硅片背面絨面形貌進行觀察，具體如圖2所示。

圖2 不同刻蝕液配比下的硅片背面絨面形貌Fig. 2 Textured morphology of rear surface of silicon wafers obtained with different etching solution proportions

從圖2中可以看出：隨著硫酸體積占比的提升，硅片背面絨面的不規(guī)則凹陷逐漸變小、變淺、更均勻密集。這種腐蝕深坑會使硅片存在較大的表面缺陷，會嚴重影響硅片鍍膜后的鈍化效果[1]。

不同刻蝕液配比下得到的硅片背面的絨面尺寸、表面積比(即絨面單位表面積/單位理想平面面積)及反射率情況，具體如圖3所示。

圖3 不同刻蝕液配比下的硅片背面的絨面尺寸、 表面積比及反射率情況Fig. 3 Textured size，surface area ratio and reflectivity of rear surface of silicon wafer obtained with different etching solution proportions

從圖3中可以看出：隨著硫酸體積占比的提高，硅片背面的絨面尺寸不斷降低，并在硫酸體積占比為16%～20%時，絨面尺寸變化不大，基本趨于穩(wěn)定；隨著硫酸體積占比的提高，表面積比隨之減小，并在硫酸體積占比為16%時達到最小值，雖在20%時略有上升，但增幅較小，基本趨于穩(wěn)定；隨著硫酸體積占比的提高，反射率也呈逐步上升趨勢，并在硫酸體積占比為16%～20%時趨于穩(wěn)定，保持在43%左右。在刻蝕液中硫酸作為添加劑起著雙重作用，其一方面容易降低反應活性物質(zhì)的濃度，從而降低反應活性物質(zhì)擴散到硅片背面的速率，即限制了氫氟酸對硅片的縱向腐蝕速率，減少了絨面的黑色腐蝕深坑；另一方面，因硫酸可以抑制硝酸的電離，從而對腐蝕有較高的阻礙能力，使硅片背面絨面的腐蝕更為均勻[2]。綜上所述可知：隨著硫酸體積占比增加，硅片背面絨面的腐蝕凹坑的深度及絨面尺寸逐漸降低，硅片背面的界面變得更加平坦、致密、光滑。

2.2 最佳條件對比

綜合“SE+PERC”雙面單晶硅太陽電池制備成本及硅片背面絨面狀態(tài)，硫酸體積占比為16%時屬于刻蝕液配比的最佳條件。在刻蝕液配比最佳條件下對硅片背面進行刻蝕(即采用優(yōu)化后的酸拋工藝)，并與采用傳統(tǒng)酸拋工藝和堿拋工藝后的硅片背面絨面形貌進行對比。利用電子顯微鏡放大6000倍后對采用不同濕法刻蝕工藝時得到的硅片背面絨面形貌進行觀察，結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出：相較于采用傳統(tǒng)酸拋工藝的硅片，采用優(yōu)化后酸拋工藝的硅片的背面腐蝕凹坑明顯變小。

圖4 采用不同濕法刻蝕工藝時得到的硅片背面絨面形貌Fig. 4 Textured morphology of rear surface of silicon wafers obtained by different wet etching processes

利用電子顯微鏡3D增強模式對絨面形貌進行觀察，結(jié)果如圖5所示。

圖5 電子顯微鏡3D增強模式下觀察到的硅片背面絨面形貌Fig. 5 Textured morphology of rear surface of silicon wafers observed under electron microscope in 3D enhanced mode

從圖5中可以看出：相較于采用傳統(tǒng)酸拋工藝的硅片，采用優(yōu)化后的酸拋工藝的硅片的背面腐蝕更小、更細膩，也更平滑致密，這會使硅片背面的雜質(zhì)殘留更少，鍍制的氧化鋁薄膜的鈍化效果更好，對長波的反射也會更好[3]。

分別采用傳統(tǒng)酸拋工藝、優(yōu)化后的酸拋工藝和堿拋工藝得到硅片背面的絨面尺寸、表面積比和反射率情況，具體如表1所示。

表1 不同濕法刻蝕工藝下得到的硅片背面絨面大小、 表面積比和反射率情況Table 1 Textured size, surface area ratio and reflectivity of rear surface of silicon wafer obtained by different wet etching processes

從表1中可以看出：相較于傳統(tǒng)酸拋工藝，優(yōu)化后的酸拋工藝得到的硅片背面的絨面尺寸均值縮小至1.21 mm，表面積比均值降至1.021，反射率均值提升了10%左右。

將分別采用傳統(tǒng)酸拋工藝、優(yōu)化后的酸拋工藝和堿拋工藝的硅片按照圖1所示的“SE+PERC”雙面單晶硅太陽電池制備流程制成成品太陽電池，并對其進行電性能和QE測試。測試結(jié)果分別如表2和圖6所示。

從表2中可以看出：采用優(yōu)化后的酸拋工藝制備的太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率比采用傳統(tǒng)酸拋工藝時制備的約高0.05%，這主要是得益于開路電壓和短路電流的優(yōu)勢；而采用優(yōu)化后的酸拋工藝制備的太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率比采用堿拋工藝制備的太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率約低0.03%。此次得到的實驗數(shù)據(jù)與預期符合：通過優(yōu)化酸拋工藝中的刻蝕液配比可達到與堿拋工藝類似的效果，使硅片背面反射率提升明顯，“SE+PERC”雙面單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率也隨之得到明顯提升。

表2 采用不同刻蝕工藝時得到的“SE+PERC”雙面單晶硅太陽電池電性能對比Table 2 Comparison of electrical properties of “SE+PERC” bifacial mono-Si solar cells obtained by different wet etching processes

從圖6中可以看出：與采用傳統(tǒng)酸拋工藝制備的“SE+PERC”雙面單晶硅太陽電池的QE曲線相比，采用優(yōu)化后的酸拋工藝制備的此類太陽電池的QE在660～1010 nm波段具有優(yōu)勢，這與優(yōu)化后的酸拋工藝的預期目標相一致，有助于提升硅片背面的鈍化效果及反射率。

圖6 采用不同濕法刻蝕工藝制備的“SE+PERC” 雙面單晶硅太陽電池的QE曲線對比Fig. 6 Comparison of QE curves of “SE+PERC”bifacial mono-Si solar cells prepared by different wet etching processes

3 結(jié)論

本文通過調(diào)整濕法刻蝕工藝中刻蝕液的硫酸體積占比，得到以下結(jié)論：1)當刻蝕液中硫酸的體積占比為16%時，在硅片背面可以得到腐蝕坑較淺、較小且致密均勻的絨面，大幅降低了硅片背面的缺陷態(tài)密度，實現(xiàn)了背面絨面類堿拋工藝的狀態(tài)，提升了“SE+PERC”雙面單晶硅太陽電池的長波響應；

2)相較于采用傳統(tǒng)酸拋工藝的硅片，采用優(yōu)化后的酸拋工藝的硅片的背面反射率可提升10%左右，制備得到的“SE+PERC”雙面單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率提升了約0.05%，但與采用堿拋工藝制備的“SE+PERC”雙面單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率相比仍有較小差距。