杜喜霞，姜 倩

(国家电投集团西安太阳能电力有限公司，西安 710100)

0 引言

太阳电池是光伏组件的核心部件，其质量的稳定性和可靠性将直接影响光伏组件的质量。制绒是太阳电池生产过程中的首道工序，制绒后硅片的质量是决定能否产出高质量电池的基础和关键。但在现有生产技术中，制绒后的硅片经常产生白斑现象[1]，这个问题困扰着各电池生产厂家。白斑占比高直接影响了电池生产的节拍，既降低了产线的合格率，又增加了生产成本，因此，避免产生白斑已成为电池生产质量管控的重点。本文主要针对单晶硅片在制绒后出现白斑及脏污的现象，通过对制绒后的异常硅片进行绒面测试、厚度测试和产线对比实验来排查异常现象产生的原因，结合显微红外测试和X 射线能谱分析(EDS)测试对产生异常的原因进行了深入分析，并提出了改善措施。

1 单晶硅片制绒原理

单晶硅片在一定浓度的碱溶液中被腐蚀时是各向异性的，不同晶向上的腐蚀速率不一样。利用这一原理，将特定晶向的单晶硅片放入碱溶液中腐蚀，即可在硅片表面产生出许多细小的“金字塔”状外观，这一过程称为单晶碱制绒。这一过程的化学反应方程式为：

通过制绒可以提高硅片的陷光作用，降低反射，增加对光的吸收。

2 异常现象描述

产线投入157.4 mm×157.4 mm 的单晶硅片(下文简称“157.4 mm 硅片”)，制绒后的硅片存在白斑异常，异常硅片的比例占总投入片数的0.39%；投入156.75 mm×156.75 mm 的单晶硅片(下文简称“M2 硅片”)，制绒后的硅片存在白斑及脏污异常，异常硅片的比例占总投入片数的0.36%。2 种单晶硅片的异常图片及异常数据如表1 所示。

从表1 的统计数据可以看出，157.4 mm 异常硅片的异常区域主要分为进刀面和两侧2 种；且异常区域主要为进刀面，异常占比为66.85%。

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M2 异常硅片的异常区域也分为进刀面和两侧2种；且异常区域主要为进刀面，异常占比为63.29%。

对比后可以发现，2 种单晶硅片的异常区域均主要表现在进刀面，但二者的异常现象略有差异[2]。从外观来看，157.4 mm 异常硅片的异常区域及M2 异常硅片两侧的异常区域的白斑呈小片的亮白和灰白状，而M2 异常硅片进刀面的异常区域的白斑呈大片的灰白状。

3 异常原因排查

针对上述2 种不同规格的单晶硅片制绒后出现的异常现象[3]，分别对异常硅片进行了绒面测试、厚度测试和产线对比实验，以排查异常现象产生的原因。

3.1 异常硅片绒面测试

从单晶硅片的绒面数据来看，几类异常硅片未形成“金字塔”状绒面，异常区域未发生腐蚀，或单晶各项异性腐蚀效果未体现。如果是未发生腐蚀，推测其表面存在不易被酸碱清洗腐蚀的物质；如果是发生了腐蚀但未形成“金字塔”状绒面，则推测是硅片晶向异常或制绒溶液异常[4]。2 种单晶硅片的异常硅片绒面测试结果如图1、图2 所示，结果证实，硅片外观存在异常。

图1 M2 异常硅片绒面测试结果Fig. 1 The test results of anomalous M2 texturing silicon wafer

图2 157.4 mm 异常硅片绒面测试结果Fig. 2 The test results of anomalous 157.4 mm texturing silicon wafer

3.2 异常硅片厚度测试

对2 种单晶硅片的异常硅片进行厚度测试。每片异常硅片测试4 个点，其中，测试点1 为异常区域中心点，测试点2 为异常区域边缘，测试点3 为硅片中心点，测试点4 为异常区域对称位置，示例图如图3 所示；然后分别测试不同异常硅片测试点的厚度，并与正常硅片(生产中未出现异常的M2 硅片)在对应位置的厚度进行对比，结果如表2 所示。

图3 异常硅片厚度测试的测试点分布图示例Fig. 3 The test point distribution example of thickness test of anomalous silicon wafer

表2 各测试点的厚度测试结果Table 2 The results of thickness test of different test point

从测试结果来看，M2 异常硅片、157.4 mm 异常硅片与正常硅片相应测试位置的厚度减薄平均相差约5 μm。而制绒工序对硅片的减薄，双面腐蚀厚度一般为8～10 μm，因此5 μm 是单面腐蚀厚度，这说明该异常区域未被腐蚀，推测该区域表面被不易被酸碱清洗腐蚀的物质所覆盖。

3.3 产线对比实验

为了判断单晶硅片制绒后表面的残留物质究竟是从制绒环节引入，还是从硅片生产环节引入，进行了4 组对比实验。实验1 选取A 厂家157.4 mm 硅片，实验2 选取B 厂家硅片，实验3 选取A 厂家M2+ 硅片，实验4 选取A厂家中心厚度实验M2 硅片，分别投入产线后，实验结果如表3 所示。

表3 产线实验结果统计表Table 3 The statistical data in production line

从表3 的实验结果可以看出，实验1 中A厂家157.4 mm 硅片出现了绒面异常，异常比例为2.75%；而实验2～实验4 的硅片在制绒后均无异常。这说明异常硅片并非是由制绒引起的，异常问题在于单晶硅片本身的生产制造环节。

3.4 小结

根据制绒后异常硅片的绒面测试、厚度对比测试及产线对比实验结果可以判定，单晶硅片制绒后出现白斑异常的原因不在于制绒环节，而在于单晶硅片生产制造环节。

4 异常原因分析

根据异常原因的排查结果，进一步对产生异常的原因进行分析，对异常硅片进行显微红外测试，并对有机硅、磷酸盐、硅酸盐、碳酸钙的来源进行分析。

4.1 显微红外测试

考虑到单晶硅片表面残留成分仅为微量，选用检出限低的显微红外设备，分别对157.4 mm异常硅片、M2 异常硅片、正常硅片的进刀面与两侧位置进行显微红外测试，测试数据如图4～图7 所示。

图4 157.4 mm 异常硅片的显微红外测试结果Fig. 4 The micro-infrared test result of anomalous 157.4 mm texturing silicon wafer

图5 M2 异常硅片的显微红外测试结果Fig.5 The micro-infrared test result of anomalous M2 texturing silicon wafer

图6 M2 异常硅片的进刀面测试数据Fig.6 The micro-infrared test result of anomalous M2 texturing silicon wafer on slice side

图7 正常硅片的显微红外测试结果Fig. 7 The micro-infrared test result of normal silicon wafer

对图4～图7 的测试结果进行分析，可得出：

1)157.4 mm 异常硅片的进刀面：对波峰进行数据库对比分析，显微红外测试结果显示，杂质可能是无机磷酸盐类物质，主要匹配到磷酸盐、焦磷酸盐、硅酸盐等。

2)157.4 mm 异常硅片的两侧位置：对波峰进行数据库对比分析，显微红外测试结果显示，杂质可能是无机硅酸盐类物质。

3)M2 异常硅片的进刀面：根据显微红外测试结果，对波峰进行数据库对比分析，结果显示，杂质可能为有机硅和碳酸钙。

4)M2 异常硅片的两侧位置：对波峰进行数据库对比分析，显微红外测试结果显示，杂质可能是无机盐类，匹配到磷酸二氢盐、硅酸盐。

5)正常硅片：无明显波峰，因此分析认为无有机物质。

测试结果显示，M2 异常硅片进刀面的杂质为有机硅和碳酸钙，其他异常区域的杂质为磷酸盐、硅酸盐，对比正常硅片的测试结果后认为，有机硅、磷酸盐、硅酸盐是异常物质。因此可以认为，M2 异常硅片的进刀面呈现大片的灰白状物质是有机硅类物质附着所导致，其他异常区域中小片的亮白、灰白状物质主要是磷酸盐、硅酸盐残留。

4.2 有机硅和磷酸盐、硅酸盐、碳酸钙的来源分析

硅片生产环节涉及的有机化学品主要有粘棒胶、脱胶剂、切割液和清洗剂，依据显微红外测试和EDS 测试结果对这些有机化学品逐一进行分析。

1)粘棒胶：是一种环氧树脂，小分子结构经固化形成高聚物，起到粘合的作用。因为切割时每一刀都会切在胶上，胶极有可能粘在金刚线上，然后在下一刀切割时会从硅片进刀位置带入。生产中反馈的2 种异常硅片进刀面的异常比例分别为66.85%、63.29%(见表1)，这是引入异常的源头之一。显微红外测试和EDS 测试数据显示，此处杂质中含有碳酸钙，而生产环节中胶棒树脂板中含有钙，这说明有胶的残留。

2)脱胶剂：脱胶剂是通过乳化、渗透降低粘接力，从而起到脱胶效果，作用过程是破坏共聚物的组织结构，发生的是物理性能的变化。脱胶剂是一种有机酸，后道工序中易被碱去除，在杂质中存在的风险低。

3)切割液：主要作用是冷却、润滑、清洗、消泡，主要组成是消泡剂和冷却剂，这2 种物质不互溶，可通过增加溶剂来改善消泡剂和冷却剂的互溶性。在放置过程中，切割液容易出现分层，消泡剂会漂浮在上层，其中含有较难清洗的硅油，使用分层后的切割液容易将上层的硅油附着在硅片表面，且在后续工序中难以清洗；同时在运输过程中，切割液会受温度影响，温度过低会导致其因分散性不好而形成絮状物，附着在硅片表面，这样也难以清洗。

测试结果显示，杂质中含有有机硅，但在硅片生产过程涉及的化学品中，只有切割液的消泡剂含有此类物质。通过观察砂浆罐发现，确实有油污漂浮，观察废水池也可以发现有絮状物漂浮，咨询切割液厂家后得知，上述两处出现的油污和漂浮物属于异常现象，该油污和絮状漂浮物也正是M2 异常硅片进刀面的异常区域的污染来源。

4)清洗剂：主要成分是活性剂、螯合剂、碱、添加剂等，主要作用是去除油脂、颗粒粉尘、金属离子等。磷有较好的清洗作用，会作为添加剂的成分。测试结果显示，杂质中含有磷酸盐、磷酸二氢盐、焦磷酸盐、硅酸盐，而粘棒胶、切割液、脱胶剂中均不含磷元素，因此认为磷酸盐的残留主要来源于清洗环节中的清洗剂。另外，硅酸盐的产生主要在清洗环节，硅片表面有信号检出，说明清洗液有残留。

生产数据显示，进刀面的异常占比高，测试显示有粘棒胶残留，因此观察清洗环节，发现进刀面在清洗花篮的最下面，下方的进刀面容易夹液、挂液，从而易造成清洗残留。

综上所述，砂浆罐中的油污漂浮、废水池中絮状物漂浮是M2 异常硅片进刀面的异常区域的污染来源。测试出的有机硅信号是切割液中消泡剂里的硅油产生的。进刀面的异常占比高，一方面是因为胶的残留，另一方面是因为进刀面在清洗花篮的最下面，容易夹液、挂液，从而易造成清洗残留。测试结果中显示有磷酸盐、磷酸二氢盐、焦磷酸盐、硅酸盐信号，这主要是清洗液残留；碳酸钙主要是粘棒胶残留。

图8 砂浆罐设备Fig. 8 The image of mortar tank equipment

图9 废水池Fig. 9 The image of waste water pool

5 建议与改善措施

1)在硅片生产过程中，需要检查切割液是否有分层，以及其是否存在因分散不好而呈絮状的异常现象。在确认目前使用的切割液合格后，检查砂浆罐是否按要求进行清洗，并彻底清洗砂浆罐，以降低对硅片的污染。

2)进刀面的异常占比高，建议优化进刀面清洗方法，防止花篮出槽时夹液、挂液的现象。

3)测试结果中发现磷酸盐、磷酸二氢盐、焦磷酸盐、硅酸盐残留，因此，一方面，需要在进料检验时抽测监控清洗剂的成分，确认产品质量与出厂报告的一致性；另一方面，需要把控清洗剂与切片工艺的匹配性，解决清洗剂残留问题。

6 结论

本文针对单晶硅片在制绒后出现白斑及脏污的现象进行了实验分析，得出以下结论：

1)异常出现在进刀面的占比高，一方面是因为进刀面在清洗花篮的最下面，硅片在出槽时易夹液、挂液，易造成清洗残留；另一方面，粘棒胶通过金刚线带入硅片表面，但后续工序中难以清洗干净，从而导致残留。

2)M2 异常硅片进刀面的大片灰白状物质是有机硅类物质附着、粘胶导致，有机硅的信号是切割液中消泡剂里的硅油产生的。砂浆罐中的油污漂浮、废水池中絮状物漂浮是M2 异常硅片进刀面中异常区域的污染来源。

3)M2 异常硅片和157.4 mm 异常硅片其他异常区域的小片亮白、灰白状物质主要是磷酸盐、硅酸盐残留。考虑粘棒胶、切割液、脱胶剂中没有磷元素，认为磷酸盐的残留主要来源于清洗剂。硅酸盐的产生主要在清洗环节，异常来源也是清洗剂有残留。