多晶硅片清洗制绒均匀性的研究

杨飞飞，张 欣，王森涛，贾彦科

（山西潞安太阳能科技有限责任公司，山西 长治046000）

0 引 言

多晶硅电池因其成本低，占据了很大的光伏市场。在太阳能电池的生产工艺中，硅片表面绒面可以有效地降低太阳电池的表面反射率。酸腐蚀绒面技术是成本最低、应用广泛的多晶硅电池片制绒技术。但是在实际应用中，酸腐蚀制绒存在刻蚀不均匀问题，制绒不均匀会造成氮化硅减反射膜的严重色差。本文对制绒引起的色差进行了详细的研究。

1 酸制绒机理

HF－HNO3腐蚀系统是由 HF，HNO3和 H2O（或CH3COOH）按一定比例混合而成，本实验使用去离子水H2O作为缓冲剂。一般认为多晶Si片的酸腐蚀过程由两步进行，Si的氧化还原过程和中间物SiO2的溶解过程［1］。整个反应过程如下：

反应发生时，硅片表面的阳极反应为：

阴极反应为：

总反应为：

式中，h表示空穴；e表示电子［2］。通常n为（2～4），和腐蚀电流的倍增因子有关。

酸制绒中影响因素比较多，包括酸混合液的配比、缓冲剂、温度和时间，都会对硅片表面微观结构产生影响，而且会导致不同的腐蚀速率。

2 实验方案及实验结果

实验所用硅片为赛维LDK多晶P型硅片，面积为156×156 mm2，电阻率为1～3Ω·cm，厚度为200μm，使用Centrotherm制绒设备，HF酸原液的质量分数为49%，HNO3的质量分数为68%。硅片经不同配比HF与HNO3溶液腐蚀后，依次经碱洗、酸洗、水洗、烘干工序，再用金相显微镜、反射率及少子寿命测试仪分析，观察硅片表面形貌、少子寿命大小、反射率情况，然后按正常电池工艺生产，PECVD（等离子体增强化学气相沉积）镀膜后观察电池片表面色差情况，根据色差情况确定最优的制绒工艺配方。

实验使用三组晶花分布一致的硅片，排除微晶硅片对实验结果的影响。每组数量20片，制绒前测试每组硅片的平均反射率及少子寿命，记录其大小如表1。

表1 原始硅片反射率及少子寿命

三组硅片分别使用不同配比的制绒配方，A组HF：HNO3＝1：4，B组 HF：HNO3＝1：3.5，C组 HF：HNO3＝1：3。同时测试制绒后三组的反射率、少子寿命，并且利用金相显微镜观察不同配比的硅片容貌。表2为实验所测数据。

表2 制绒后硅片反射率及少子寿命

将三组制绒后硅片按后续工艺生产，经PECVD后利用椭偏仪测试膜厚结果，表3为三组膜厚测试结果。

表3 镀膜后硅片膜厚及少子寿命

3 分析与讨论

3.1 硅片参数分析

由上述三组的硅片反射率、少子寿命的大小可以看出，硅片经制绒前无论反射光谱或少子寿命都区别不大，排除了硅片本身缺陷带来的影响，保证了结果的可靠性。

3.2 制绒后硅片参数分析

将三组硅片制绒后按不同配比与少子寿命、反射率做图分析，如图1、图2所示。同时利用金相显微镜观察三组制绒后硅片的表面形貌，如图3、图4所示。

图1 少子寿命趋势图

图2 反射率趋势图

图3 不同溶液配比金相微观图对比

图4 不同溶液配比、不同晶向下金相微观图对比

图1显示HF与HNO3配比越大，少子寿命相对越低，其主要原因可能为，HF的浓度大腐蚀速率快，腐蚀坑多且边缘较尖锐，容易引入新的制绒损伤；当降低HF浓度时，腐蚀相对较慢，腐蚀坑较少且坑浅一些，边缘较光滑，而且表面存在未刻蚀掉的SiO2层，钝化了表面缺陷，减少了复合浓度中心。这可由三组表面微观结构图3看出。

图2显示HF与HNO3配比越大，表面越暗，反射率越低，由图3中可以看出，随着HF酸浓度的加大，表面腐蚀坑随之变小变多，分布均匀，很大程度上减少了表面的反射率。

图4显示不同晶向对刻蚀后硅片表面形貌的影响，由图中对比可看出，增大HF配比浓度后，不同晶向的表面形貌差异性也减小，可见如果仅仅从整体硅片的刻蚀均匀性来考虑，高HF浓度配比有利于腐蚀向着各向同性的方向进行。

经上述分析所述，针对制绒工艺段可增加比率参数，定义为少子寿命与反射率之比：

式中，η表示比率；τ是少子寿命；k是反射系数（反射率）。并经计算三组的比率值分别为A组0.241，B组0.256，C组0.242。

3.3 PEVCD镀膜后硅片参数分析

由表3数据可以看出，反射率为19%分组硅片中心区域膜厚为87 nm，颜色为浅蓝；反射率为18%的中心区域的膜厚为85 nm，颜色为蓝色，反射率为17%的中心区域膜厚83 nm，颜色变暗红。可见，反射率越低，镀膜后电池片平均膜厚越低，由图3制绒金相显微镜图分析其原因为，反射率低对应刻蚀坑多，导致有效表面积增大，相应镀膜面积增多，故膜厚较薄，颜色较深。中心区域反射率越低整片颜色越均匀，色差情况越小。同时在实验中发现，当平均反射率在18%，单片边缘反射率低于17%的比例大于8%时，镀膜后色差会出现暗红色，故实际工艺时应避免此类情况。

3.4 结果测试

将三组硅片送至丝网印刷制成电池片，测试其效率，各参数见表4。

由表4中数据分析，三组效率中效率最高者对应比率参数η最大。基于此以及电池片的等级划分，A级为浅颜色，故实际生产中为减少镀膜后色差反射率应选取18%～19%，且比率参数η最大的工艺配方。

表4 丝网印刷后电学性能参数

4 结 论

通过量化手段控制初期制绒工艺配方参数，使反射率控制在合理的范围内，可以保证氮化硅膜厚达到要求的标准，满足生产需求。

［1］肖文明，檀柏梅，刘玉岭，牛新环，边 征.多晶SI太阳电池表面酸腐蚀制绒的研究［J］.显微、测量、微细加工技术与设备，2009，46（10）：627－631.

［2］孙晓峰.多晶硅绒面的制备及在太阳能电池中的应用［D］.郑州：郑州大学，2004.