硅片厚度對(duì)SE-PERC單晶硅太陽電池制備過程的影響分析

朱少杰，王貴梅，王玉濤，王德昌，張志敏

(晶澳太陽能有限公司 ，邢臺(tái) 055550)

0 引言

降本增效是晶體硅太陽電池產(chǎn)業(yè)化制備過程中的主要趨勢。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電池降低成本的一種必然趨勢，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單晶硅太陽電池制備過程的影響進(jìn)行了研究，以期通過有針對(duì)性的優(yōu)化來保證采用薄硅片的SE-PERC單晶硅太陽電池制備過程的穩(wěn)定性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)過程中，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單晶硅太陽電池的制備流程如圖1所示。基于該工藝流程，使用相同硅料源，相同拉晶工藝，長、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單晶硅太陽電池(以下簡稱“太陽電池”)制備過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，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的硅片制備的太陽電池的各參數(shù)值是以厚度為180 μm的硅片制備的太陽電池的各性能參數(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)太陽光的吸收會(huì)變少，從而會(huì)造成Isc的減??；而且每當(dāng)光線穿過硅片時(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電池的量產(chǎn)過程中，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，由于硅片是通過與中空的石墨舟片接觸來作為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)的電場間距變大，電極的接觸面積變小，電場強(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，可通過增加鍍膜功率、提升脈沖開關(guān)比、提升整體流量等方式來增加管式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單晶硅太陽電池制備過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，則可通過增加鍍膜功率、提升脈沖開關(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。