多晶硅片濕法切邊背拋光對轉換效率的影響研究

武佳娜， 李雪方， 焦朋府

(山西潞安太陽能科技有限責任公司，山西 長治 046000)

1 濕法切邊工藝

電池片生產的傳統工藝流程是，硅片檢測及清洗制絨—擴散制結—濕法切邊—鍍減反射膜—絲網印刷及燒結—檢測分選[1]。濕法切邊工藝既是一步單獨的工序又是背面鈍化印刷Al漿料的準備工序，與電池片全線工藝流程結合緊密。電池片的生產流程中，擴散制結采用管式擴散爐制備p-n結，硅片排列背靠背技術，不可避免地在電池片的正面擴散上了一層含有磷源的n型層，同時，硅片的側面和背面四周也被擴散上了n型層。由于硅片側面的多余n型層會使制成的電池片正負兩極短路，造成漏電[2]，如圖1。

圖1 濕法切邊防止邊緣漏電

濕法切邊的工藝原理是利用HF和HNO3的混合酸溶液與硅片進行化學反應，去除硅片側面邊緣的p-n結，以達到正面與背面絕緣的目的。在富HNO3的環境下，與硅反應的方程式為式(1)～式(3)：

HNO3+Si=SiO2+NOx+H2O

(1)

SiO2+HF=SiF4+H2O

(2)

SiF4+HF=H2[SiF6]

(3)

切除邊緣p-n結的同時進行背面拋光處理，增強背面的反射率，太陽光經過背面的反射可以重新被吸收，這樣就增加了光生載流子的數量，短路電流的密度也會提升[3-4]。同時，背面p-n結的去除不僅降低了背面復合幾率，且背面拋光后的硅片表面更加平滑，與背場AL漿料及電極的接觸更加緊密，減少接觸電阻[5]。

具體生產流程如表1。

表1 濕法切邊工藝流程表

本實驗采用的是正面覆蓋“水膜”法，如第20頁圖2可以避免由于排風、液面波動或其他波動引起泛液，導致硅片正面的p-n結被刻蝕掉，不僅減少正面的受光面積，且影響正面外觀效果。

圖2 去側結、背結及拋光工藝

2 實驗部分

2.1 實驗設備及硅片原料

本實驗使用的是CT inline鏈式濕法切邊設備。離線檢測設備有：測試刻蝕深度使用的是電子秤，測試反射率使用的是WT-2000PV，測試方阻使用四探針方阻測試儀。

硅片原料選用200片經產線生產使用的多晶硅片。具體參數為：邊長156 mm×156 mm，厚度為(200±20)μm，TTV為0 μm～30 μm，電阻率為0 Ω·cm～3 Ω·cm，少子壽命1 μs。

化學藥劑：HF的質量分數為49%，HNO3的質量分數為68%。

其他工藝參數均按生產線生產參數執行。

2.2 實驗過程

2.2.1 實驗一

實驗分為5組，每組40片，A組為調試測試片，B、C、D、E 4組按不同刻蝕深度進行分組。通過調整設備運行速度，確定刻蝕深度分別為(2.2±0.2)μm，(2.6±0.1)μm，(2.9±0.1)μm，(3.2±0.1)μm。實驗前進行稱重、測量背面邊緣平均方阻。實驗后再次稱重計算刻蝕深度，測量背面邊緣方阻及背面反射率，得到表2數據。

表2 刻蝕后平均工藝參數

制絨后未經擴散制結工藝處理的原硅片的方阻為0 Ω，擴散后電池片正面方阻為100 Ω左右，背面邊緣150 Ω～180 Ω左右外觀如圖3。擴散工藝后制得p-n結厚度約為300 nm。由此可見，濕法切邊刻蝕后，電池背面方阻已經為0 Ω；而且刻蝕深度在2.3 μm以上，邊緣電阻測試儀測得邊緣電阻為500 Ω以上，邊緣p-n結完全去除。綜合以上說明該刻蝕深度為2.0 μm以上電池片側面p-n結已經被刻蝕掉，達到去除邊緣p-n結的效果，但拋光效果不佳。而刻蝕深度2.3 μm以上的硅片，背面拋光效果更好。圖4為拋光效果。

通過圖5對比明顯看到，切邊刻蝕后的硅片背表面變得光亮，反射率明顯高于刻蝕前，即達到拋光效果。通過金相顯微鏡和截面SEM觀察拋光后電池片背表面，可以看到硅表面密布均勻的蜂窩坑，非常平整，見圖6[6]和第21頁圖7。

圖3 濕法切邊前(去結、拋光前)電池片背面

圖4 刻蝕深度為2.9 μm電池片背面效果

圖5 背面刻蝕前、后對比圖

圖6 拋光后電池片背表面顯微形貌

圖7 刻蝕前、后背表面截面的SEM圖

雖然背面拋光后，反射率增加，可以提高電池的轉換效率，但是提高刻蝕深度使得生產能耗增加，并且使得反應速率過快難以控制，加之刻蝕過深會導致電池片厚度減小過多增加碎片率，以至于降低產能，所以沒有必要盲目提高。確定刻蝕深度為2.6 μm～3.0 μm為較適合生產線生產的濕法切邊刻蝕深度。

2.2.2 實驗二

按照生產線工藝對該實驗硅片進行后續工藝，即，PE，絲網印刷背電極、電場、正電極、燒結之后，外觀如圖8使用檢測分選機對電池片的電性能進行測量、統計，并于當日對同批次生產線的電池片電性能進行比較。

圖8 經拋光工藝處理后制成的成品電池片正面與背面

得到的電性能參數見表3。

表3 實驗二電性能參數

通過圖9數據分析發現，不同的刻蝕深度及背面反射率對最后制成的電池片電性能參數有巨大的影響。其中，B組電池片的電性能參數與當日同一批次生產線上生產的電池片數據接近，說明刻蝕深度為2.2 μm時，混酸溶液不足以刻蝕掉足夠深的背面p-n結，即，制成電池片沒達到拋光效果；D組電池片則表現出了良好的電性能參數，電池片的開路電壓、短路電流以及填充因子都有了較大的提高，這與理論分析的預期結果是相符合的，最終得到的電池片轉換效率相比產線有0.05%以上的明顯提升；E組電池片的短路電流較低，而其他參數正常。分析其原因在于，過多的刻蝕深度使得電池片四周的刻蝕過深，光生載流子數量隨之減少引起整個電池片的短路電流降低。這樣的分析同樣可以解釋為什么E組電池片短路電流低于B組電池片。

圖9 分組的刻蝕深度與效率分布圖

3 結論

通過實驗數據分析了采用HF、HNO3的混酸溶液，富HNO3環境下，濕法切邊及背面拋光工藝的刻蝕深度和背面反射率對電池片轉換效率的影響，研究了背面反射率與轉換效率之間的關系以及刻蝕深度的最佳范圍。結合生產線生產實際情況，適宜刻蝕深度為2.5 μm～3.0 μm，過低的刻蝕深度不足以刻蝕掉背面的結；而刻蝕深度超過3.2 μm，由于過刻，損失掉一些正面結，使得正面受光面積減少，電池片的短路電流降低。該工藝參數范圍很好地符合了切邊、去背結拋光電池理論，并且得到了高于產線工藝0.05%以上的電池轉換效率的提升。