多晶硅片單面制絨工藝的研究

張建軍，許志衛，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物和金屬雜質，消除硅片表面的機械損傷層；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，因此對硅片表面進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。但酸腐蝕技術的缺陷是腐蝕反應過程中腐蝕速率快且放熱量太大，需要低溫條件進行，同時對冷卻、排風等硬件要求更高，所以鏈式制絨設備更適用于多晶硅片制絨。

多晶硅鏈式制絨設備的工藝原理為：硅片在滾輪上傳輸，在制絨槽內，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、發生反應的含硅絡合物等形成的“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等強酸)實現多晶硅的氧化，其反應式為：

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

本文在多晶硅鏈式制絨設備上研究一種新的多晶硅片單面制絨工藝，通過對制絨設備進行改造，使制絨槽內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線常規雙面制絨工藝進行制絨實驗；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)生產的多晶硅鏈式制絨機上進行。新的單面制絨工藝只在制絨槽內進行硬件改造及工藝參數調整，其余槽體不做調整。因此，新的單面制絨工藝和常規雙面制絨工藝的工藝流程圖是相同的，如圖1所示。

圖1 RENA多晶硅鏈式制絨機的工藝流程示意圖Fig. 1 Process flow of RENA polysilicon chain texturing machine

在產線的常規雙面制絨工藝條件下，硅片在制絨槽內整個浸沒在HF/HNO3溶液中進行制絨，硅片下面是PVDF材質的傳輸滾輪，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動；傳輸滾輪表面做了特殊設計，利用毛細作用吸附硅片，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、滾輪等進行改造，硅片變為漂浮在溶液上完成制絨步驟。

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，并發生腐蝕反應。

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來表征，不同液體有不同的表面張力系數，其與液體的成分、溫度和相鄰物質的性質等因素有關。

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

圖2 設備改造示意圖Fig. 2 Schematic diagram of equipment transformation

圖3 設備改造后硅片在制絨槽內前、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，通過手動閥門調控流量的大小；背噴淋所用的HF/HNO3酸液與槽內溶液成分相同，通過循環泵從制絨槽副槽抽出。

2 性能對比實驗設計

2.1 實驗樣品

實驗采用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 實驗流程

分別選取相同條件下的多晶硅片各800片，嚴格均分后分別按表1中新的單面制絨工藝、常規雙面制絨工藝進行制絨處理，后續工序均 按常規多晶硅太陽電池生產流程(擴散→濕刻→鍍膜→印刷→檢測)，采用相同的設備機臺及工藝配方制備，然后確認最終太陽電池的電性能參數。

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

3 實驗結果與分析

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、背面的實驗結果。從實驗結果來看，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%，與采用常規雙面制絨工藝的結果差異不大；多晶硅片采用單面制絨工藝后硅片背面減重0.0602 g，比采用常規雙面制絨工藝時下降了54%，腐蝕深度降至1.062 μm。這一結果產生的原因在于單面制絨工藝對設備進行了改造，在整個制絨槽運行期間，硅片背面在槽內前半段為漂浮的脫液狀態，而在后半段是處于酸液噴淋狀態，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微觀結構分析

對采用常規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構進行對比分析，其正面微觀形貌如圖4所示。

圖4 常規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值可以體現。

同樣對采用2種制絨工藝下多晶硅片背面的微觀結構進行對比分析，其背面微觀形貌如圖5所示。

表2 硅片正、背面的實驗結果Table 2 Experimental results for front side and rear side of silicon wafers

圖5 常規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到腐蝕減薄的目的，背面腐蝕減薄量是可以通過調節硬件參數調控的，且單面制絨工藝下多晶硅片背面的減重窗口范圍比常規雙面制絨工藝的更大，更容易調制出產線需要的工藝產品。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構更小、平整度更高，比采用常規雙面制絨工藝的硅片背面絨面形貌更利于后續工序的背拋光，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 電性能測試數據

對采用常規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行測試，數據如表3所示。

從表3的電性能數據可以看出，相較于采用常規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均有優勢，且電池的轉換效率提高了0.03%，達到了預期效果。

上述實驗數據說明，對于金剛線切割的多晶硅片，其背面腐蝕深度達到1.062 μm就能很好的去除損傷層，而現有的常規雙面制絨工藝制備的硅片背面是過度腐蝕的。

4 結論

本文介紹了一種新的多晶硅片單面制絨工藝，通過對多晶硅鏈式制絨設備的制絨槽進行改造，使制絨槽內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，顛覆了傳統的雙面制絨理念，改善了硅片背面過度腐蝕現象，降低了硅片的腐蝕量和化學藥品的耗費量，同時提升了電池的轉換效率；并且從理論上來看，制絨槽內的液體壽命得到了延長。