朱少杰，王貴梅，王玉濤，王德昌，張志敏

(晶澳太陽(yáng)能有限公司 ，邢臺(tái) 055550)

0 引言

降本增效是晶體硅太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)化制備過(guò)程中的主要趨勢(shì)。為了提升電池的光電轉(zhuǎn)換效率，p型單晶硅片普遍采用選擇性發(fā)射極－鈍化發(fā)射極及背接觸(SE-PERC)的技術(shù)路線；而硅片薄片化是晶體硅太陽(yáng)電池降低成本的一種必然趨勢(shì)，為了不影響電池的光電轉(zhuǎn)換效率，目前電池產(chǎn)業(yè)化時(shí)的硅片厚度一般大于等于180 μm，硅片厚度減薄會(huì)對(duì)工藝配方、工裝器具等提出新的要求。目前，光伏行業(yè)針對(duì)硅片厚度減薄對(duì)電池光電轉(zhuǎn)換效率方面的影響的研究較為成熟[1]，但硅片薄片化對(duì)電池制備過(guò)程的影響也不容忽視?；诖耍疚尼槍?duì)硅片厚度減薄對(duì)SE-PERC單晶硅太陽(yáng)電池制備過(guò)程的影響進(jìn)行了研究，以期通過(guò)有針對(duì)性的優(yōu)化來(lái)保證采用薄硅片的SE-PERC單晶硅太陽(yáng)電池制備過(guò)程的穩(wěn)定性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，濕法刻蝕減重?cái)?shù)據(jù)由福迪威西特傳感工業(yè)控制有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為FL3445的電子天平進(jìn)行測(cè)量，硅片背面拋光的微觀結(jié)構(gòu)采用奧林巴斯生產(chǎn)的型號(hào)為OLS5000-SAF的顯微鏡進(jìn)行測(cè)試，采用管式PECVD工藝的SiNx薄膜的膜厚由系科光電科技(上海)有限公司生產(chǎn)的光譜橢圓偏振儀COSE進(jìn)行測(cè)試。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用p型單晶硅片的SE-PERC單晶硅太陽(yáng)電池的制備流程如圖1所示?；谠摴に嚵鞒?，使用相同硅料源，相同拉晶工藝，長(zhǎng)、寬均為158.75±0.25 mm，但厚度分別為165 μm和180 μm的硅片，每種厚度的硅片投入5000片，然后收集不同厚度的硅片在采用濕法刻蝕工藝后的減重?cái)?shù)據(jù)和采用管式PECVD工藝后SiNx薄膜的膜厚數(shù)據(jù)。

圖1 SE-PERC單晶硅太陽(yáng)電池的制備流程Fig.1 Preparation process of SE-PERC monocrystalline silicon solar cell

2 結(jié)果與討論

本文分別針對(duì)硅片厚度減薄對(duì)SE-PERC單晶硅太陽(yáng)電池(以下簡(jiǎn)稱“太陽(yáng)電池”)制備過(guò)程中濕法刻蝕工藝后硅片的減重、硅片背面拋光效果，以及管式PECVD工藝后SiNx薄膜的膜厚的影響進(jìn)行分析。

2.1 濕法刻蝕工藝后硅片的減重

濕法刻蝕工藝是指利用HF-HNO3溶液對(duì)硅片背面和邊緣進(jìn)行刻蝕，以去除硅片背面和邊緣的擴(kuò)散層[2]。在此過(guò)程中，為了使硅片正面不被刻蝕，通常會(huì)將水膜覆蓋在硅片正面。

通過(guò)對(duì)濕法刻蝕工藝后硅片的情況進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，在濕法刻蝕配方保持一致的前提下，不同厚度的硅片從濕法刻蝕環(huán)節(jié)開(kāi)始表現(xiàn)出了明顯的差異性。隨著硅片厚度減薄，硅片的減重呈下降趨勢(shì)，這可能與硅片厚度減薄后其重量變小有關(guān)。當(dāng)相同重量的水膜覆蓋在硅片正面時(shí)，由于刻蝕槽內(nèi)的滾輪運(yùn)動(dòng)時(shí)不是絕對(duì)的水平，較薄的硅片因重量較輕，導(dǎo)致其在運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性較差，水膜掉落在刻蝕槽內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)提高，藥液濃度被稀釋，減少了刻蝕量，使?jié)穹涛g工藝后的硅片減重較低。濕法刻蝕工藝后不同厚度硅片的減重及其制備的太陽(yáng)電池的電性能情況如表1所示。其中，厚度為165 μm的硅片制備的太陽(yáng)電池的各參數(shù)值是以厚度為180 μm的硅片制備的太陽(yáng)電池的各性能參數(shù)值為基準(zhǔn)得到的。

表1 濕法刻蝕工藝后不同厚度硅片的減重及其制備的太陽(yáng)電池的電性能情況Table 1 Weight loss of silicon wafers with different thicknesses after wet etching process and electrical performance of solar cells prepared from this kind of silicon wafers

理論上，當(dāng)硅片厚度減薄后，太陽(yáng)光入射硅基體后，被激發(fā)的載流子擴(kuò)散到空間電荷區(qū)的路徑變短，少子被復(fù)合的概率降低，從而能有效減小載流子的復(fù)合速率，對(duì)太陽(yáng)電池的Voc提升有積極作用。但由于晶體硅對(duì)入射光的吸收系數(shù)較低，當(dāng)硅片厚度減薄后，硅片對(duì)太陽(yáng)光的吸收會(huì)變少，從而會(huì)造成Isc的減小；而且每當(dāng)光線穿過(guò)硅片時(shí)，就會(huì)有部分光線從硅片的下表面透出去，這是因?yàn)橥耆杖肷涔馑璧穆窂酵笥诠杵膶?shí)際厚度[3]，而Isc的降低又容易導(dǎo)致Voc的下降。因此，綜合上述因素后認(rèn)為，硅片厚度減薄后太陽(yáng)電池的Voc和Isc均會(huì)出現(xiàn)下降。由于薄硅片在濕法刻蝕工藝時(shí)的減重不足，可能會(huì)導(dǎo)致其背面擴(kuò)散層去除不完全，從而使其背面復(fù)合率較高，這可能也是太陽(yáng)電池的Voc降低的另一個(gè)影響因素。

在采用薄硅片制備太陽(yáng)電池的量產(chǎn)過(guò)程中，利用不同濕法刻蝕機(jī)臺(tái)分別進(jìn)行驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，若要使厚度為165 μm和180 μm的硅片采用HFHNO3溶液進(jìn)行刻蝕時(shí)達(dá)到相同的減重水平，在補(bǔ)液頻率為50片/次時(shí)，不同硅片厚度、不同濕法刻蝕機(jī)臺(tái)情況下HF和HNO3的自動(dòng)補(bǔ)液量變化趨勢(shì)分別如圖2、圖3所示。

圖2 不同硅片厚度、不同濕法刻蝕機(jī)臺(tái)情況下HF的自動(dòng)補(bǔ)液量變化趨勢(shì)Fig. 2 Variation trend of HF automatic refill volume under different silicon wafer thicknesses and different wet etching machines

由圖2、圖3可知，相較于厚度為180 μm的硅片，厚度為165 μm的硅片的HF和HNO3的自動(dòng)補(bǔ)液量分別平均增加了約27%和約3%。而且通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，為達(dá)到相同的濕法刻蝕減重水平，相較于厚度為180 μm的硅片，厚度為165 μm的硅片需要將水膜水量減少約5%，這樣既可以減少水對(duì)溶液的稀釋，又不影響其對(duì)硅片正面的保護(hù)作用。

圖3 不同硅片厚度、不同濕法刻蝕機(jī)臺(tái)情況下HNO3的自動(dòng)補(bǔ)液量變化趨勢(shì)Fig. 3 Variation trend of HNO3 automatic refill volume under different silicon wafer thicknesses and different wet etching machines

2.2 硅片背面拋光效果

厚度分別為165 μm和180 μm的硅片的背面拋光微觀圖如圖4所示。

圖4 不同厚度硅片的背面拋光微觀圖Fig. 4 Microscopic images of rear polishing of silicon wafers with different thicknesses

從圖4中可以看出，厚度為180 μm的硅片的背面亮度較高，且背面更為平整，說(shuō)明其背面拋光效果較好；而厚度為165 μm的硅片的背面還有未刻蝕完全的金字塔絨面。這可能與厚度為165 μm的硅片比厚度為180 μm的硅片的濕法刻蝕減重小的原因類似，原因都可以歸結(jié)為硅片厚度減薄后其重量變輕了，導(dǎo)致水膜掉落在刻蝕槽內(nèi)，稀釋了溶液濃度，降低了刻蝕反應(yīng)速度，最終導(dǎo)致硅片背面的拋光效果較差。

2.3 管式PECVD工藝后SiNx薄膜的膜厚

管式PECVD工藝主要是在硅片表面沉積SiNx薄膜。由于管式PECVD工藝沉積的SiNx薄膜具有良好的致密性、優(yōu)異的長(zhǎng)波響應(yīng)[4]，因此，本文采用管式PECVD工藝。產(chǎn)線上通常以SiNx薄膜的膜厚來(lái)表征鍍膜效果[5]。相同工藝參數(shù)設(shè)置下，不同硅片厚度時(shí)管式PECVD工藝后硅片正面的SiNx薄膜的膜厚情況如圖5所示。

圖5 不同硅片厚度時(shí)管式PECVD工藝后硅片正面的SiNx薄膜的膜厚情況Fig. 5 Thickness of SiNx film on front side of silicon wafer after tubular PECVD process at different silicon wafer thicknesses

由圖5可知，管式PECVD工藝后，硅片厚度為165 μm時(shí)其正面的SiNx薄膜的膜厚比硅片厚度為180 μm時(shí)低3～4 nm。這可能是因?yàn)楣杵穸葴p薄后，在沉積溫度為400～500 ℃的氣氛中，厚度為165 μm的硅片的形變量高，翹曲度大，導(dǎo)致其與石墨舟片的接觸面變小，而在管式PECVD設(shè)備中，由于硅片是通過(guò)與中空的石墨舟片接觸來(lái)作為SiNx薄膜沉積時(shí)的電極[6]，因此輝光等離子體在設(shè)備反應(yīng)腔內(nèi)的分布特性和硅片表面狀態(tài)有關(guān)。而與厚度為180 μm的硅片相比，厚度為165 μm的硅片鍍膜時(shí)的電場(chǎng)間距變大，電極的接觸面積變小，電場(chǎng)強(qiáng)度削弱，等離子沉積速率受到制約，從而導(dǎo)致SiNx薄膜的膜厚降低。

由于硅片厚度減薄后，其正面沉積的SiNx薄膜的膜厚變薄，在管式PECVD工藝參數(shù)不變情況下，需要增加鍍膜時(shí)間，以保證沉積的SiNx薄膜的膜厚。一般工程經(jīng)驗(yàn)是10～15 s對(duì)應(yīng)1 nm的SiNx薄膜膜厚，因此硅片厚度由180 μm切換為165 μm后，在其他參數(shù)不變的情況下，需要增加約0.5～1.0 min的鍍膜時(shí)間。但增加鍍膜時(shí)間不利于產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)能，因此為了保證相同的SiNx薄膜厚度，又不增加鍍膜時(shí)間，可通過(guò)增加鍍膜功率、提升脈沖開(kāi)關(guān)比、提升整體流量等方式來(lái)增加管式PECVD工藝鍍膜的厚度。

2.4 小結(jié)

在切換薄硅片之前對(duì)濕法刻蝕工藝和管式PECVD工藝進(jìn)行預(yù)先優(yōu)化調(diào)節(jié)，可以保證產(chǎn)線的順利切換。

3 結(jié)論

本文針對(duì)硅片厚度減薄對(duì)SE-PERC單晶硅太陽(yáng)電池制備過(guò)程中濕法刻蝕工藝后的減重、硅片背面拋光效果、管式PECVD工藝后SiNx薄膜膜厚的影響進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

1) 為了達(dá)到相同的濕法刻蝕減重水平，硅片厚度為165 μm時(shí)HF和HNO3的自動(dòng)補(bǔ)液量比180 μm時(shí)分別平均增加了約27%和約3%；并且硅片厚度為165 μm時(shí)需要減少水膜約5%的水量，這樣既可以減少水對(duì)溶液的稀釋，又不影響其對(duì)硅片正面的保護(hù)作用。

2)硅片厚度由180 μm切換為165 μm后，若要保證鍍膜厚度，在其他參數(shù)不變的情況下，需要增加約0.5～1.0 min的鍍膜時(shí)間；若不增加鍍膜時(shí)間，則可通過(guò)增加鍍膜功率、提升脈沖開(kāi)關(guān)比，提升整體流量等方式增加鍍膜厚度。

3)在切換薄硅片之前對(duì)濕法刻蝕工藝和管式PECVD工藝進(jìn)行預(yù)先優(yōu)化調(diào)節(jié)，可以保證產(chǎn)線的順利切換。