多晶硅片濕法切邊背拋光對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響研究

武佳娜， 李雪方， 焦朋府

(山西潞安太陽(yáng)能科技有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046000)

1 濕法切邊工藝

電池片生產(chǎn)的傳統(tǒng)工藝流程是，硅片檢測(cè)及清洗制絨—擴(kuò)散制結(jié)—濕法切邊—鍍減反射膜—絲網(wǎng)印刷及燒結(jié)—檢測(cè)分選[1]。濕法切邊工藝既是一步單獨(dú)的工序又是背面鈍化印刷Al漿料的準(zhǔn)備工序，與電池片全線(xiàn)工藝流程結(jié)合緊密。電池片的生產(chǎn)流程中，擴(kuò)散制結(jié)采用管式擴(kuò)散爐制備p-n結(jié)，硅片排列背靠背技術(shù)，不可避免地在電池片的正面擴(kuò)散上了一層含有磷源的n型層，同時(shí)，硅片的側(cè)面和背面四周也被擴(kuò)散上了n型層。由于硅片側(cè)面的多余n型層會(huì)使制成的電池片正負(fù)兩極短路，造成漏電[2]，如圖1。

圖1 濕法切邊防止邊緣漏電

濕法切邊的工藝原理是利用HF和HNO3的混合酸溶液與硅片進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，去除硅片側(cè)面邊緣的p-n結(jié)，以達(dá)到正面與背面絕緣的目的。在富HNO3的環(huán)境下，與硅反應(yīng)的方程式為式(1)～式(3)：

HNO3+Si=SiO2+NOx+H2O

(1)

SiO2+HF=SiF4+H2O

(2)

SiF4+HF=H2[SiF6]

(3)

切除邊緣p-n結(jié)的同時(shí)進(jìn)行背面拋光處理，增強(qiáng)背面的反射率，太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)背面的反射可以重新被吸收，這樣就增加了光生載流子的數(shù)量，短路電流的密度也會(huì)提升[3-4]。同時(shí)，背面p-n結(jié)的去除不僅降低了背面復(fù)合幾率，且背面拋光后的硅片表面更加平滑，與背場(chǎng)AL漿料及電極的接觸更加緊密，減少接觸電阻[5]。

具體生產(chǎn)流程如表1。

表1 濕法切邊工藝流程表

本實(shí)驗(yàn)采用的是正面覆蓋“水膜”法，如第20頁(yè)圖2可以避免由于排風(fēng)、液面波動(dòng)或其他波動(dòng)引起泛液，導(dǎo)致硅片正面的p-n結(jié)被刻蝕掉，不僅減少正面的受光面積，且影響正面外觀效果。

圖2 去側(cè)結(jié)、背結(jié)及拋光工藝

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及硅片原料

本實(shí)驗(yàn)使用的是CT inline鏈?zhǔn)綕穹ㄇ羞呍O(shè)備。離線(xiàn)檢測(cè)設(shè)備有：測(cè)試刻蝕深度使用的是電子秤，測(cè)試反射率使用的是WT-2000PV，測(cè)試方阻使用四探針?lè)阶铚y(cè)試儀。

硅片原料選用200片經(jīng)產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)使用的多晶硅片。具體參數(shù)為：邊長(zhǎng)156 mm×156 mm，厚度為(200±20)μm，TTV為0 μm～30 μm，電阻率為0 Ω·cm～3 Ω·cm，少子壽命1 μs。

化學(xué)藥劑：HF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為49%，HNO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68%。

其他工藝參數(shù)均按生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)參數(shù)執(zhí)行。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.2.1 實(shí)驗(yàn)一

實(shí)驗(yàn)分為5組，每組40片，A組為調(diào)試測(cè)試片，B、C、D、E 4組按不同刻蝕深度進(jìn)行分組。通過(guò)調(diào)整設(shè)備運(yùn)行速度，確定刻蝕深度分別為(2.2±0.2)μm，(2.6±0.1)μm，(2.9±0.1)μm，(3.2±0.1)μm。實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行稱(chēng)重、測(cè)量背面邊緣平均方阻。實(shí)驗(yàn)后再次稱(chēng)重計(jì)算刻蝕深度，測(cè)量背面邊緣方阻及背面反射率，得到表2數(shù)據(jù)。

表2 刻蝕后平均工藝參數(shù)

制絨后未經(jīng)擴(kuò)散制結(jié)工藝處理的原硅片的方阻為0 Ω，擴(kuò)散后電池片正面方阻為100 Ω左右，背面邊緣150 Ω～180 Ω左右外觀如圖3。擴(kuò)散工藝后制得p-n結(jié)厚度約為300 nm。由此可見(jiàn)，濕法切邊刻蝕后，電池背面方阻已經(jīng)為0 Ω；而且刻蝕深度在2.3 μm以上，邊緣電阻測(cè)試儀測(cè)得邊緣電阻為500 Ω以上，邊緣p-n結(jié)完全去除。綜合以上說(shuō)明該刻蝕深度為2.0 μm以上電池片側(cè)面p-n結(jié)已經(jīng)被刻蝕掉，達(dá)到去除邊緣p-n結(jié)的效果，但拋光效果不佳。而刻蝕深度2.3 μm以上的硅片，背面拋光效果更好。圖4為拋光效果。

通過(guò)圖5對(duì)比明顯看到，切邊刻蝕后的硅片背表面變得光亮，反射率明顯高于刻蝕前，即達(dá)到拋光效果。通過(guò)金相顯微鏡和截面SEM觀察拋光后電池片背表面，可以看到硅表面密布均勻的蜂窩坑，非常平整，見(jiàn)圖6[6]和第21頁(yè)圖7。

圖3 濕法切邊前(去結(jié)、拋光前)電池片背面

圖4 刻蝕深度為2.9 μm電池片背面效果

圖5 背面刻蝕前、后對(duì)比圖

圖6 拋光后電池片背表面顯微形貌

圖7 刻蝕前、后背表面截面的SEM圖

雖然背面拋光后，反射率增加，可以提高電池的轉(zhuǎn)換效率，但是提高刻蝕深度使得生產(chǎn)能耗增加，并且使得反應(yīng)速率過(guò)快難以控制，加之刻蝕過(guò)深會(huì)導(dǎo)致電池片厚度減小過(guò)多增加碎片率，以至于降低產(chǎn)能，所以沒(méi)有必要盲目提高。確定刻蝕深度為2.6 μm～3.0 μm為較適合生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)的濕法切邊刻蝕深度。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)二

按照生產(chǎn)線(xiàn)工藝對(duì)該實(shí)驗(yàn)硅片進(jìn)行后續(xù)工藝，即，PE，絲網(wǎng)印刷背電極、電場(chǎng)、正電極、燒結(jié)之后，外觀如圖8使用檢測(cè)分選機(jī)對(duì)電池片的電性能進(jìn)行測(cè)量、統(tǒng)計(jì)，并于當(dāng)日對(duì)同批次生產(chǎn)線(xiàn)的電池片電性能進(jìn)行比較。

圖8 經(jīng)拋光工藝處理后制成的成品電池片正面與背面

得到的電性能參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 實(shí)驗(yàn)二電性能參數(shù)

通過(guò)圖9數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，不同的刻蝕深度及背面反射率對(duì)最后制成的電池片電性能參數(shù)有巨大的影響。其中，B組電池片的電性能參數(shù)與當(dāng)日同一批次生產(chǎn)線(xiàn)上生產(chǎn)的電池片數(shù)據(jù)接近，說(shuō)明刻蝕深度為2.2 μm時(shí)，混酸溶液不足以刻蝕掉足夠深的背面p-n結(jié)，即，制成電池片沒(méi)達(dá)到拋光效果；D組電池片則表現(xiàn)出了良好的電性能參數(shù)，電池片的開(kāi)路電壓、短路電流以及填充因子都有了較大的提高，這與理論分析的預(yù)期結(jié)果是相符合的，最終得到的電池片轉(zhuǎn)換效率相比產(chǎn)線(xiàn)有0.05%以上的明顯提升；E組電池片的短路電流較低，而其他參數(shù)正常。分析其原因在于，過(guò)多的刻蝕深度使得電池片四周的刻蝕過(guò)深，光生載流子數(shù)量隨之減少引起整個(gè)電池片的短路電流降低。這樣的分析同樣可以解釋為什么E組電池片短路電流低于B組電池片。

圖9 分組的刻蝕深度與效率分布圖

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了采用HF、HNO3的混酸溶液，富HNO3環(huán)境下，濕法切邊及背面拋光工藝的刻蝕深度和背面反射率對(duì)電池片轉(zhuǎn)換效率的影響，研究了背面反射率與轉(zhuǎn)換效率之間的關(guān)系以及刻蝕深度的最佳范圍。結(jié)合生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)實(shí)際情況，適宜刻蝕深度為2.5 μm～3.0 μm，過(guò)低的刻蝕深度不足以刻蝕掉背面的結(jié)；而刻蝕深度超過(guò)3.2 μm，由于過(guò)刻，損失掉一些正面結(jié)，使得正面受光面積減少，電池片的短路電流降低。該工藝參數(shù)范圍很好地符合了切邊、去背結(jié)拋光電池理論，并且得到了高于產(chǎn)線(xiàn)工藝0.05%以上的電池轉(zhuǎn)換效率的提升。