郭望東，趙 環(huán)，張繩亮，晏海剛，王少穎，李守衛(wèi)

(義烏晶澳太陽能科技有限公司，金華 322000)

0 引言

單晶硅太陽電池具有光電轉(zhuǎn)換效率高、技術(shù)成熟、可靠性高等優(yōu)點，且規(guī)?；a(chǎn)成本優(yōu)勢明顯。制絨是生產(chǎn)單晶硅太陽電池的第一道工序，制絨后單晶硅片表面的金字塔結(jié)構(gòu)直接影響太陽電池的電性能。目前，成熟的單晶硅片制絨工藝均會使用制絨添加劑。制絨添加劑可以改善制絨液與硅片表面的親水性，加速硅片表面氣泡脫離，去除硅片表面油污，控制硅片在堿溶液中的腐蝕速率；利用分子中的有機基團作為硅片表面的成核點，提高金字塔織構(gòu)的成核密度，改善金字塔絨面形貌，增強反應的各向異性。制絨添加劑的成分主要包括表面活性劑、消泡劑、乙酸鈉、山梨酸鉀、去離子水等。不同廠家生產(chǎn)的添加劑配方略有差異，但其目的均是為了在硅片表面制成金字塔大小均勻的絨面，提高絨面質(zhì)量，獲得最佳的太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率[1]。

1 單晶硅片制絨原理

未經(jīng)處理的硅片表面的光反射率大于35%，為減少對太陽光的反射損失，提高硅片的光吸收效率，必須進行表面織構(gòu)化處理，即在硅片迎光表面形成織構(gòu)，利用NaOH對太陽電池表面進行腐蝕處理。單晶硅片在一定濃度的堿溶液中被腐蝕時是各向異性的，(100)晶向面比(111)晶向面的腐蝕速率快數(shù)十倍以上。因此，(100)晶向硅片經(jīng)過表面腐蝕后，硅片表面可以形成很多個(111)晶向的四面方錐體，稱為金字塔形織構(gòu)，它們密布于硅片的表面，形成“絨面”。由于絨面具有陷光作用，可使硅片表面的反射率降低到10%左右，從而提高單晶硅太陽電池的短路電流及其轉(zhuǎn)換效率[2]。本文對比3款制絨添加劑A、B、C對金字塔絨面尺寸、均勻性、出絨率、比表面積及反射率的差異，分析單晶硅片表面金字塔絨面對太陽電池電性能的影響。

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗儀器

利用掃描電子顯微鏡(SEM)獲取金字塔形貌；利用超景深顯微鏡捕捉金字塔尖亮度，根據(jù)金字塔與周圍6個金字塔的平均距離測量得出金字塔絨面尺寸；絨面和塔基高度通過測試塔尖與塔底距離差計算得出；出絨率通過捕捉測試區(qū)域的金字塔塔尖個數(shù)測量得出；比表面積為測量區(qū)域的外表面積與測量區(qū)域的平面面積的比值；利用系科光電科技(上海)有限公司生產(chǎn)的反射率測試儀測量絨面反射率，反射率測試波長范圍為300～1100 nm，測試單片硅片9個等距點位的反射率，然后取平均值；利用美國4D公司生產(chǎn)的四探針方阻測試儀測試方塊電阻；利用HALM檢測機測試太陽電池的電性能。

2.2 實驗設(shè)計

實驗硅片為p型摻鎵單晶硅片，尺寸為182 mm×182 mm，厚度為160 μm，電阻率在0.4～1.1 Ω·m。使用RENA槽式制絨設(shè)備進行金字塔絨面制備，硅片依次放入以下槽內(nèi)：預清洗槽→水洗槽→前臭氧清洗槽→制絨槽→水洗槽→后臭氧清洗槽→酸洗槽→水洗槽→慢提拉槽→烘干槽。其中，制絨槽內(nèi)的堿溶液為NaOH(體積分數(shù)為30%)、添加劑和熱水(80 ℃)的混合液，工藝時間為 420 s。

將3000片實驗硅片均分為a、b、c 3組，每組1000片，分別在3臺由相同廠家生產(chǎn)的制絨設(shè)備上制絨，并分別添加A、B、C 3款添加劑，以得到大小、高度不同的絨面；除制絨槽內(nèi)添加劑和堿溶液配方不同外，其他參數(shù)均設(shè)置一致。不同添加劑時對應的工藝配方如表1所示。

表1 不同添加劑對應工藝配方Table 1 Corresponding process formula for different additives

制備太陽電池的工藝流程為：制絨→擴散→選擇性發(fā)射極(SE)激光→鏈氧→去PSG→堿拋→退火→背膜二合一→正膜→絲網(wǎng)印刷燒結(jié)→檢測。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 制絨后的減重、發(fā)射率數(shù)據(jù)及硅片表面形貌

測試硅片分別采用3款制絨添加劑后的數(shù)據(jù)，具體如表2所示。

表2 采用不同添加劑后的制絨效果Table 2 Texturing effect after using different additives

測試分別采用3款添加劑制絨后硅片表面織構(gòu)形貌，具體如圖1所示。

圖1 選取性發(fā)射極制絨后的硅片表面織構(gòu)形貌圖Fig.1 Surface texture morphologies of silicon wafer after texturing with different additives

金字塔形貌方面，采用添加劑A后制絨形成的金字塔大小不均勻，高度差異較大，金字塔數(shù)量最多，金字塔棱角圓滑，四面方錐體結(jié)構(gòu)不規(guī)則，屬于小型金字塔類型；采用添加劑B后制絨形成的金字塔尺寸變大，大小相對較均勻，高度差異較小，金字塔頂端可見部分毛刺，棱角突出，結(jié)構(gòu)規(guī)則，屬于中型金字塔類型；采用添加劑C后制絨形成的金字塔尺寸最大，高度差異較小，棱角分明，結(jié)構(gòu)規(guī)則，屬于大型金字塔類型。

反射率方面，采用添加劑B后制得的絨面反射率最低，說明其金字塔大小較均勻，結(jié)構(gòu)完整，對光的反射、吸收效果最佳；然而由于采用添加劑A后制絨形成的金字塔大小不一、小金字塔堆疊嚴重、棱角圓滑，采用添加劑C后制絨形成的金字塔過大、斜面傾角小、部分光未能得到二次反射、吸收，導致采用這兩種添加劑后制絨形成的絨面反射率均較高[3]，可以得出3款添加劑對制絨時腐蝕反應的抑制作用強弱排序為A＞B＞C。

3.2 輕擴和重擴后的方塊電阻

在同爐管內(nèi)對分別采用3款添加劑的3組硅片進行擴散，并保證擴散工藝參數(shù)的一致性，SE激光在同機臺進行。測試擴散工藝后的輕擴方塊電阻和SE激光后的重擴方塊電阻，具體數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 輕擴和重擴后的方塊電阻Fig.2 Square resistance after light and heavy diffusion

從圖2可以看出：采用添加劑A的輕擴和重擴后的方塊電阻均最低，采用添加劑C的輕擴和重擴后的方塊電阻均最高；輕擴和重擴后的方塊電阻整體降幅持平。這主要是因為采用添加劑C制絨后得到的大尺寸金字塔增加了絨面面積，其比表面積為1.45，在擴散爐內(nèi)同等濃度的磷摻雜環(huán)境下，單位面積的摻雜總量減少，方塊電阻增加。

3.3 堿拋減重、反射率測試和硅片背面形貌

堿拋在同廠家生產(chǎn)的機臺上進行，參數(shù)均設(shè)置一致，分別采用3款添加劑后的堿拋效果數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 采用不同添加劑后的堿拋效果數(shù)據(jù)Table 3 Alkali polishing effect data after using different additives

從表3中數(shù)據(jù)可知：分別采用3款添加劑后的減重差異不大；采用添加劑A后硅片的背面反射率最高，背面塔基最大，塔基高度最低；采用添加劑B后硅片的背面反射率比采用添加劑A后的偏低，背面塔基偏??；采用添加劑C后硅片的背面反射率最低，背面塔基最小，塔基高度最高。

采用不同添加劑時，堿拋后硅片背面的形貌圖如圖3所示。

圖3 采用不同添加劑時，堿拋后的硅片背面形貌圖Fig.3 Morphologies of backside of silicon wafer after alkali polishing with different additives

由圖3可知：采用添加劑A時堿拋后硅片背面的塔基最大，整體拋光效果最佳，表面平整；采用添加劑B時堿拋后硅片的背面拋光度略差，線痕區(qū)域較突出；采用添加劑C時堿拋后硅片背面的塔基最小，背面凹凸不平，線痕明顯。這主要是由制絨后金字塔形貌不同導致的，采用添加劑A時得到的金字塔最小，高度最低，比表面積最?。徊捎锰砑觿〤時得到的金字塔最大，高度最高，比表面積最大；在堿拋槽內(nèi)，相同反應時間、反應溫度和溶液濃度的情況下，硅片腐蝕量基本相同，導致采用添加劑A時的金字塔幾乎完全被腐蝕，表面平整。而采用添加劑C時的金字塔少部分被完全腐蝕，大部分只腐蝕了金字塔的上半部分，從而出現(xiàn)背面塔基凹凸不平的現(xiàn)象。

3.4 堿拋后SE激光線區(qū)域的表面形貌

堿拋后，測試得到的SE激光線區(qū)域金字塔形貌如圖4所示。

圖4 采用不同添加劑時，堿拋后SE激光線區(qū)域內(nèi)的形貌圖Fig.4 Morphologies in SE laser line area after alkali polishing with different additives

采用添加劑A和C時，SE激光線區(qū)域內(nèi)的金字塔完整，說明堿拋時對其的保護效果較佳；采用添加劑B時，SE激光線區(qū)域內(nèi)的金字塔塔尖處出現(xiàn)凹坑，已被堿腐蝕，說明堿拋時對其的保護效果較差。分析主要原因是采用添加劑B時得到的金字塔更尖銳，塔尖處有毛刺導致的，金字塔塔尖過尖，在堿拋時對金字塔的保護效果更差，毛刺處容易被堿腐蝕，產(chǎn)生凹坑，此區(qū)域的p-n結(jié)被破壞，導致出現(xiàn)漏電流。

3.5 電性能

按照上文所述工序完成太陽電池的制備，并對采用不同添加劑時得到的3類太陽電池進行光電轉(zhuǎn)換效率Eta、短路電流Isc、開路電壓Voc、填充因子FF，串聯(lián)電阻Rs、并聯(lián)電阻Rsh、漏電流Irev2等的電性能數(shù)據(jù)測試，測試結(jié)果取平均值，具體如表4所示。

根據(jù)表4可知：隨著絨面高度和比表面積的增大，光電轉(zhuǎn)換效率呈上升趨勢，高金字塔、大比表面積的絨面可以有效提升短路電流和開路電壓，因此光電轉(zhuǎn)換效率最高；反之，光電轉(zhuǎn)換效率有降低趨勢；在采用添加劑B條件下，并聯(lián)電阻最低，漏電流是采用添加劑A時的近2倍，這主要是因為尖銳的絨面在SE激光工序后p-n結(jié)被破壞，導致漏電流升高。

表4 采用不同添加劑時得到的太陽電池電性能數(shù)據(jù)Table 4 Solar cells electrical performance data with different additives

綜上所述，單晶硅片表面金字塔絨面平均大小在1.5 μm以上，平均高度在1.4 μm以上，比表面積在1.4以上的單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高，出絨率及反射率對光電轉(zhuǎn)換效率影響不大。

4 結(jié)論

本文針對采用不同制絨添加劑時硅片表面金字塔絨面對太陽電池電性能的影響進行了研究，研究結(jié)果表明：金字塔大小均勻的絨面可有效提升太陽電池的短路電流；比表面積高可增加輕擴方塊電阻，減少硅片表面復合，增加短路電流，從而提升單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率；但隨著絨面高度增加，金字塔塔尖變尖銳，SE激光重摻時容易對塔尖造成消融，堿拋時對正面的保護作用減弱，易對重摻區(qū)p-n結(jié)產(chǎn)生破壞，導致并聯(lián)電阻降低，出現(xiàn)漏電流。根據(jù)經(jīng)驗，可通過調(diào)整制絨添加劑中表面活性劑的成分，抑制(111)晶向面反應，促進(100)晶向面反應，使金字塔尖端輕微腐蝕，金字塔側(cè)面減少腐蝕，增加金字塔底部尺寸，使金字塔塔尖變圓潤。