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行業(yè)新聞
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硅基太陽電池生產(chǎn)工藝概述 ——硅片處理與制絨工藝

光伏行業(yè)正在面臨著新一輪的技術(shù)改革,電池片和組件的制作過程中會用到許許多多工藝,「愛疆科技」本期為大家?guī)?strong>清洗制絨的介紹。

太陽電池中一個主要的光學(xué)損失是表面光反射。拋光硅片的表面光反射損失達(dá)34%,為制備高效率太陽電池,反射必須減小到~10%或以下。在晶體太陽電池中,常在硅片表面制作絨面,絨面的表面光反射減少,意味著更多的光進(jìn)入太陽電池,因而產(chǎn)生更多的光生載流子。同時,有效的絨面結(jié)構(gòu)使得入射光在表面進(jìn)行多次反射和折射,改變了入射光在硅中的前進(jìn)方向,延長了光程,產(chǎn)生陷光作用,從而也增加光生載流子的產(chǎn)生。

硅片絨面的陷光示意圖圖片

硅片絨面的陷光示意圖圖片

 

金字塔3D圖

金字塔3D圖

 

目前制絨工藝主要有:

一、硅片損傷層刻蝕

采用切片工藝將硅錠切成硅片,將在硅片表面造成切割損傷并殘留雜質(zhì),硅片損傷層和殘留的雜質(zhì)將不利于電池性能的提升。下圖是單晶硅片表面形貌。因此,在進(jìn)行電池制造工藝之前很有必要對硅片表面進(jìn)處理和檢測,以保證消除損傷層和殘留的雜質(zhì)。實(shí)現(xiàn)刻蝕目的的常用工藝是堿液刻蝕,最常用的刻蝕液是NaOH、KOH或TMAH(四甲基氫氧化銨)溶液。因不同晶面的硅原子間具有不同的能量,堿液刻蝕過程呈現(xiàn)出各向異性,但是可以通過調(diào)整刻蝕條件改變各向異性程度。

完成損傷層刻蝕后必須將硅片清洗干凈并檢測,不能存在殘留物,這將影響后續(xù)制絨工藝的質(zhì)量。

金剛石線切割單晶硅片

金剛石線切割單晶硅片(切割痕跡明顯可見)


二、堿制絨

光伏產(chǎn)業(yè)中約95%的太陽電池由單晶硅硅片和多晶硅硅片制造。硅晶體是金剛石晶格結(jié)構(gòu),生產(chǎn)中常用的是{100}單晶硅硅片,因其比較容易堿制絨。堿制絨是指用堿溶液刻蝕硅,在其表面形成降低光反射的結(jié)構(gòu),造成各向異性刻蝕,硅片表面制備出金字塔結(jié)構(gòu),如下圖所示。制絨和損傷層刻蝕的最大不同是刻蝕度,為增強(qiáng)堿液刻蝕的各向異性特征,制絨工藝刻蝕速度必須要低,如2μm/min或者更低。

硅金剛石晶格結(jié)構(gòu)

硅金剛石晶格結(jié)構(gòu)

硅片表面隨機(jī)分布的金字塔結(jié)構(gòu)

硅片表面隨機(jī)分布的金字塔結(jié)構(gòu)


影響堿制絨工藝質(zhì)量的因素主要有以下幾點(diǎn):

a. 制絨前硅表面質(zhì)量:制絨工藝硅表面殘留物或缺陷比較敏感,在進(jìn)行制絨工藝前需要進(jìn)行檢測,以保證硅片表面絕dui清潔。

b. 刻蝕時間:刻蝕過程存在金字塔的形成與腐蝕,刻蝕時間過長則金字塔形狀將被破壞。

c. 刻蝕液濃度和反應(yīng)浴溫度:如上所示,為實(shí)現(xiàn)各向異性刻蝕需要通過控制刻蝕液濃度和溫度。

d. IPA的濃度:IPA能夠從反應(yīng)液中不斷蒸發(fā),影響刻蝕進(jìn)程。


三、酸制絨

 

酸制絨是對多晶硅硅片表面進(jìn)行粗糙化處理,以降低光的反射作用。多晶硅由不同晶向的晶粒組成,不適合使用堿溶液進(jìn)行各向異性刻蝕。這是因?yàn)椴煌姆较蚩涛g速度不同,導(dǎo)致硅厚度非均勻變化。另外,多晶硅硅片中存在大量晶界,在使用堿液刻蝕時晶界處的刻蝕將產(chǎn)生位錯,影響電池性能。

酸制絨后多晶硅硅片表面

酸制絨后多晶硅硅片表面

酸制絨過程是各向同性的,意味著所有晶面或方向的刻蝕速度相同。硅片表面經(jīng)過腐蝕減少光反射的功能依賴于硅片表面的缺陷,缺陷在刻蝕時將優(yōu)先刻蝕,而缺陷主要來自于切片工藝。酸制絨后硅片表面如上圖所示,該類絨面的陷光效果比單晶硅硅片金字塔結(jié)構(gòu)差。酸制絨過程一般用HNO3、HF的乙酸溶液或水溶液完成。酸制絨的硅刻蝕速度比堿制絨大,主要由化學(xué)濃度和反應(yīng)溫度控制。

 

四、檢測

在制絨過程中,需對待測物的表面進(jìn)行檢測,獲取2D/3D表面形貌、分析微觀輪廓幾何尺寸、粗糙度、平整度、曲率、面形精度等參數(shù)指標(biāo),提供依據(jù)ISO/ASME/EUR/GBT四大國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)共計300余種2D、3D參數(shù)作為評價標(biāo)準(zhǔn)。

制絨前后硅片的反射率對比

制絨前后硅片的反射率對比

上圖是剛切好的硅片、去損傷層后的硅片以及經(jīng)過堿性溶液腐蝕制絨后硅片的反射率對比。從圖中可見,制絨后硅片的反射率大幅下降,只有10%左右,表明通過堿性制絨形成金字塔結(jié)構(gòu),達(dá)到了良好的減反射陷光作用。

硅片

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