多晶制絨工藝與設(shè)備的研究

于皓潔，林立，姚雁林

(北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司，北京 100015)

隨著光伏市場(chǎng)的快速發(fā)展，鑄造多晶硅成為最主要的太陽(yáng)能電池原材料。制絨工藝是晶體硅太陽(yáng)能電池片生產(chǎn)的第一道工序，也是極為重要的一道工序。制絨環(huán)節(jié)是在硅片損傷層的基礎(chǔ)上制備織構(gòu)表面，以便減少光的反射率，提高開(kāi)路電壓（Voc）和短路電流（Isc），最終提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。詳見(jiàn)圖1～圖4及表1。由圖1～圖4及表1可以得出：

圖1 切割完之后硅片

圖2 堿腐蝕之后的硅片

圖3 無(wú)掩膜RIE之后的硅片

圖4 掩膜RIE之后的硅片

表1 不同制絨方法的比較

切割后的硅片，雖有比較低的反射率，但表面損傷層和裂痕嚴(yán)重，金屬離子等污染也比較嚴(yán)重，所以做成的電池片開(kāi)路電壓很低；堿腐蝕后的硅片，由于多晶硅片表面晶向不一致，所以反射率比較高，做成的電池片短路電流損失嚴(yán)重；酸腐蝕后的硅片，反射率較低，制作成的電池片電性能比較理想，但是酸制絨反應(yīng)劇烈，需要比較大的制冷設(shè)備控制反應(yīng);無(wú)掩膜RIE制絨后的硅片，由于等離子體的轟擊，造成硅片的損傷嚴(yán)重，開(kāi)路電壓比較低；掩膜RIE制絨后的硅片雖然電性能最優(yōu)，但是工業(yè)上大規(guī)模生產(chǎn)的掩膜以及RIE技術(shù)還沒(méi)開(kāi)發(fā)成熟，比較難以實(shí)現(xiàn)。綜上所述，對(duì)于多晶硅片來(lái)說(shuō)，酸腐蝕是比較理想的制絨手段。

多晶硅酸制絨的反應(yīng)機(jī)理：

硅片在酸溶液中的腐蝕一般分為兩個(gè)步驟，第一個(gè)步驟是硅片的氧化反應(yīng)，用HNO3將硅片表面氧化成SiO2，同時(shí)生成副產(chǎn)物HNO2。而HNO2也參與硅片的氧化反應(yīng)，并且主導(dǎo)整個(gè)氧化反應(yīng)的速率；第二個(gè)步驟是硅片氧化層的去除反應(yīng)，用HF溶液將硅片表面的氧化層去除。

制絨所需的生產(chǎn)設(shè)備目前分為槽式和鏈?zhǔn)絻煞N。鏈?zhǔn)街平q設(shè)備較槽式更易實(shí)現(xiàn)整線自動(dòng)化，但在產(chǎn)能、均值減薄量、反射率等指標(biāo)相當(dāng)?shù)那闆r下，槽式制絨設(shè)備在碎片率和價(jià)格方面的優(yōu)勢(shì)卻極為突出。北京七星華創(chuàng)股份有限公司針對(duì)該工藝的生產(chǎn)特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出槽式多晶硅片的制絨設(shè)備。

制絨反應(yīng)瞬間放出大量熱量，使得溶液溫度迅速升高，溫度對(duì)擴(kuò)散及溶解反應(yīng)的影響較小，但對(duì)氧化反應(yīng)的影響卻很大。溫度升高，反應(yīng)速度常數(shù)會(huì)增大，如果不加以控制，反應(yīng)溫度會(huì)在很短的時(shí)間升高致很大，使反應(yīng)處于失控狀態(tài)。由于工業(yè)化生產(chǎn)每批次需要處理大量的硅片，這就對(duì)設(shè)備制絨槽內(nèi)溶液的控溫提出了很高的要求。

在制絨槽的設(shè)計(jì)上可以采取用大流量的循環(huán)藥液迅速帶走多余的熱量，來(lái)實(shí)現(xiàn)控溫的目的。在溶液的大流量循環(huán)冷卻過(guò)程中，溢流量可根據(jù)進(jìn)液量的大小自行進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，以達(dá)到控制工藝溫度恒定的目的。見(jiàn)圖5。

圖5 制絨槽

如圖5所示：進(jìn)液磁力泵將冷卻槽內(nèi)的溶液通過(guò)進(jìn)液管路注入反應(yīng)槽，溶液注滿后，溢流至外槽，外槽的溶液通過(guò)溢流管路回流至冷卻槽。以此達(dá)到用大流量的循環(huán)藥液帶走反應(yīng)熱的目的。為保證反應(yīng)液溫度的恒定，除在溫度控制上采用多點(diǎn)控溫外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用進(jìn)液流量可調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn),原因?yàn)椋海?）整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中釋放的反應(yīng)熱是由高到低變化的；（2）與鏈?zhǔn)街平q設(shè)備的連續(xù)性不同，槽式制絨在硅片移載時(shí)間內(nèi)，槽內(nèi)液體無(wú)反應(yīng)熱可吸收。為保證溶液溫度恒定，可通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)液磁力泵控制器和進(jìn)液管路上的調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)液流量。為保證進(jìn)液量均勻，進(jìn)液管路分為4個(gè)分支，分別由制絨槽的底部和側(cè)面進(jìn)入制絨槽，總進(jìn)液量由進(jìn)液磁力泵控制器控制，各分支流量由各分支上的調(diào)節(jié)閥控制。因?yàn)檫M(jìn)液是由磁力泵提供動(dòng)力，如果僅采用自然溢流重力回流至冷卻槽則勢(shì)必對(duì)溢流管路的管徑、數(shù)量、安裝高度、位置空間都有很多要求。為解決這一問(wèn)題，采用自然溢流和溢流管路外接動(dòng)力源相結(jié)合的溢流方法。如圖5所示，高位溢流管路采用自然溢流，低位溢流管路外接磁力泵將外槽內(nèi)的溶液泵入冷卻槽。具體工作過(guò)程為：根據(jù)反應(yīng)槽內(nèi)溶液溢流至外槽的溢流量即內(nèi)槽進(jìn)液量的大小，溢流磁力泵控制器根據(jù)高位傳感器和低位傳感器發(fā)來(lái)的信號(hào)，控制低位溢流管路，通過(guò)低位溢流管路和高位溢流管路相配合，使液面始終保持在高位傳感器和低位傳感器之間。若外槽的進(jìn)液量較小，可只通過(guò)高位溢流管路進(jìn)行排液。若外槽的進(jìn)液量較大，使外槽的溶液液位超過(guò)了高位傳感器，溢流磁力泵控制器接收到高位傳感器的信號(hào)，則啟動(dòng)溢流磁力泵，將溶液自低位溢流管路抽出，直至液位低于低位傳感器，溢流磁力泵控制器接收到低位傳感器的信號(hào)，關(guān)閉溢流磁力泵，低位溢流管路停止排液。低位溢流管路的溢流量大小可通過(guò)溢流磁力泵控制器來(lái)調(diào)節(jié)，當(dāng)?shù)臀灰缌鞴苈吠ㄟ^(guò)溢流磁力泵將溶液輸送至冷卻槽時(shí)，高位溢流管路仍負(fù)責(zé)排出一部分溶輸送至冷卻槽。即在整個(gè)溢流過(guò)程中，高位溢流管路都將參與將溶液輸送至冷卻槽的工作，并根據(jù)溶液沒(méi)過(guò)溢流口的高低進(jìn)行流量微調(diào)，低位溢流管路在溢流量發(fā)生較大變化時(shí)參與工作，并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)。當(dāng)循環(huán)溶液不再使用，需要更換時(shí)，則通內(nèi)槽排放管路和外槽排放管路將反應(yīng)液排出。

由于反應(yīng)會(huì)放出大量H2,會(huì)對(duì)片藍(lán)承載框架在槽內(nèi)的定位造成影響，因此在槽底設(shè)置定位塊，以保證片藍(lán)承載框架在槽內(nèi)的穩(wěn)定性，從而提高機(jī)械手抓取的成功率。

硅片制絨設(shè)備是根據(jù)制絨工藝設(shè)計(jì)的，設(shè)備各方面的工作性能，不僅要滿足特定工藝的需求，同時(shí)也要滿足工藝所涉及的調(diào)整范圍。在生產(chǎn)過(guò)程中，有時(shí)往往由于設(shè)備方面的一些配合改進(jìn)，就能解決工藝方面難以解決的大問(wèn)題。因此，只有將設(shè)備和工藝兩者有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，才能生產(chǎn)出高品質(zhì)的電池片。

[1]劉志剛,孫鐵囤,于化叢,周之斌,崔容強(qiáng).酸腐蝕在多晶硅太陽(yáng)能電池上的應(yīng)用[A];第八屆全國(guó)光伏會(huì)議暨中日光伏論壇論文集[C].北京，中國(guó)學(xué)術(shù)期刊（光盤(pán)版）電子雜志社，2004.