张建军，许志卫，张志敏，张 永，孙晓凯，谢伟伟，徐苏凡

(1. 晶澳太阳能有限公司，邢台 055550；2. 睿纳能源科技有限公司，上海 200030)

0 引言

在制备太阳电池时，要去除硅片表面的有机物和金属杂质，消除硅片表面的机械损伤层；同时为了提高太阳电池对太阳光的吸收效果，需要在硅片表面形成凹凸性的织构，因此对硅片表面进行清洗制绒处理是非常必要的。

多晶硅片由大小不一的多个晶粒组成，表面晶向随机分布，碱性腐蚀液是各向异性腐蚀，不能用于多晶硅片清洗制绒，而各向同性的酸性腐蚀液更适用。但酸腐蚀技术的缺陷是腐蚀反应过程中腐蚀速率快且放热量太大，需要低温条件进行，同时对冷却、排风等硬件要求更高，所以链式制绒设备更适用于多晶硅片制绒。

多晶硅链式制绒设备的工艺原理为：硅片在滚轮上传输，在制绒槽内，用于吸收太阳光线的硅片正面朝下，与制绒槽下面的滚轮接触；而硅片背面朝上，与制绒槽上面的滚轮接触。制绒槽内的酸液成分为氢氟酸、硝酸及专用于金刚线切割硅片的制绒添加剂，其中，金刚线切割硅片的制绒添加剂主要是为了降低制绒液体的表面张力，从而有利于气泡、发生反应的含硅络合物等形成的“掩膜”脱离硅片表面。这对硅片正面的作用效果更为显著，促使硅片纵向和横向之间的反应速度差异缩小，有利于形成小而深的绒面，得到更低的反射率[1]。

多晶硅片的酸腐蚀过程主要分为2步。第1步为硅的氧化过程，是利用通电流的方式，或利用一些氧化剂(如HNO3等强酸)实现多晶硅的氧化，其反应式为：

第2步为SiO2的溶解过程，通常利用HF与SiO2反应生成可溶性的H2SiF6，促使SiO2层的溶解，从而实现HNO3对多晶硅片的腐蚀[2]。该过程的反应式为：

本文在多晶硅链式制绒设备上研究一种新的多晶硅片单面制绒工艺，通过对制绒设备进行改造，使制绒槽内的硅片由浸没式腐蚀制绒改为漂浮式腐蚀制绒，同时利用喷淋方式去除硅片背面的损伤层，有效避免了硅片背面的过度腐蚀。选择相同条件下的原料片，分别采用新的单面制绒工艺与产线常规双面制绒工艺进行制绒实验；对比分析2种制绒工艺对多晶硅片制绒减重、反射率，以及电池电性能的影响。

1 多晶硅片单面制绒工艺的介绍

本文提出的新的多晶硅片单面制绒工艺在睿纳能源科技有限公司(RENA)生产的多晶硅链式制绒机上进行。新的单面制绒工艺只在制绒槽内进行硬件改造及工艺参数调整，其余槽体不做调整。因此，新的单面制绒工艺和常规双面制绒工艺的工艺流程图是相同的，如图1所示。

图1 RENA多晶硅链式制绒机的工艺流程示意图Fig. 1 Process flow of RENA polysilicon chain texturing machine

在产线的常规双面制绒工艺条件下，硅片在制绒槽内整个浸没在HF/HNO3溶液中进行制绒，硅片下面是PVDF材质的传输滚轮，上面是带O形胶圈的圆盘滚轮(即O-ring滚轴)。圆盘滚轮是活动的，其不会压碎硅片，而是会随着硅片的传送一起转动；传输滚轮表面做了特殊设计，利用毛细作用吸附硅片，使硅片在流动的溶液中移动时既不会分道走偏方向，也不会造成碎片，同时还不会因卡住硅片而造成碎片。虽然制备出了所需要的绒面，但此时硅片背面是过度腐蚀的，不仅提高了酸液损耗，同时也不利于硅片薄片化的推广。

本文提出的新的单面制绒工艺中，制绒槽内硅片不再完全浸没到整个溶液中，通过对制绒槽的挡板、滚轮等进行改造，硅片变为漂浮在溶液上完成制绒步骤。

硅片漂浮式腐蚀制绒的原理为：通过滚轮的支撑和腐蚀液体的表面张力，使硅片漂浮在腐蚀液的液面上，硅片正面不接触腐蚀液，只有硅片背面和边缘与腐蚀液接触，并发生腐蚀反应。

硅片的漂浮主要依靠液体的表面张力，表面张力是存在于液体表面具有收缩趋势的力，其作用是均匀分布的，方向与液面相切。在这种表面张力的作用下，液面面积将收缩至最小值。液体表面张力的大小由表面张力系数来表征，不同液体有不同的表面张力系数，其与液体的成分、温度和相邻物质的性质等因素有关。

制绒槽内由浸没式双面制绒工艺改造为漂浮式单面制绒工艺的设备改造示意图如图2所示，设备改造后多晶硅片在制绒槽内的实际情况如图3所示。

图2 设备改造示意图Fig. 2 Schematic diagram of equipment transformation

图3 设备改造后硅片在制绒槽内前、后部分的示意图Fig. 3 Schematic diagram of front and rear parts of silicon wafers in texturing trough after equipment transformation

如图2、图3所示，硅片背面靠旋转的O-ring滚轴压片，保证了硅片行程不跑偏；同时，新工艺增加了可以控制喷淋量、喷淋速度的酸喷淋模块，该模块位于制绒槽后半部分，通过手动阀门调控流量的大小；背喷淋所用的HF/HNO3酸液与槽内溶液成分相同，通过循环泵从制绒槽副槽抽出。

2 性能对比实验设计

2.1 实验样品

实验采用p型156 mm×156 mm的金刚线切割多晶硅片，这主要是考虑到金刚线切割工艺形成的硅片表面损伤层更小，表面缺陷更少[3]，硅片背面在制绒时可以做更低的减薄量，与本文研究的单面制绒工艺方向更加匹配。硅片的电阻率为0.5～3.0 Ω•cm。

2.2 实验流程

分别选取相同条件下的多晶硅片各800片，严格均分后分别按表1中新的单面制绒工艺、常规双面制绒工艺进行制绒处理，后续工序均 按常规多晶硅太阳电池生产流程(扩散→湿刻→镀膜→印刷→检测)，采用相同的设备机台及工艺配方制备，然后确认最终太阳电池的电性能参数。

表1 2种制绒工艺的配方Table 1 Formula of two kinds of texturing process

3 实验结果与分析

3.1 硅片制绒后减重及反射率分析

表2为多晶硅片分别采用2种制绒工艺后，硅片正、背面的实验结果。从实验结果来看，多晶硅片采用单面制绒工艺后硅片正面减重0.0964 g，腐蚀深度为1.7 μm，反射率为26.50%，与采用常规双面制绒工艺的结果差异不大；多晶硅片采用单面制绒工艺后硅片背面减重0.0602 g，比采用常规双面制绒工艺时下降了54%，腐蚀深度降至1.062 μm。这一结果产生的原因在于单面制绒工艺对设备进行了改造，在整个制绒槽运行期间，硅片背面在槽内前半段为漂浮的脱液状态，而在后半段是处于酸液喷淋状态，通过控制喷淋流量的大小或位置，可以有效地控制硅片背面的腐蚀量。

3.2 SEM微观结构分析

对采用常规双面制绒工艺和单面制绒工艺下的多晶硅片正面的微观结构进行对比分析，其正面微观形貌如图4所示。

图4 常规双面制绒工艺和单面制绒工艺下多晶硅片正面的微观形貌Fig. 4 Micromorphology of front side of polysilicon wafer under conventional bifacial texturing process and single side texturing process

从图4可以看出，2种制绒工艺均采用硝酸、氢氟酸及水的混合液作为腐蚀液，反应为各向同性腐蚀，会形成沟槽状腐蚀表面。2种制绒工艺下多晶硅片正面微观形貌腐蚀坑的密度、分布均匀性差异不大，这从表2的硅片正面绒面反射率的数值可以体现。

同样对采用2种制绒工艺下多晶硅片背面的微观结构进行对比分析，其背面微观形貌如图5所示。

表2 硅片正、背面的实验结果Table 2 Experimental results for front side and rear side of silicon wafers

图5 常规双面制绒工艺和单面制绒工艺下多晶硅片背面的微观形貌Fig. 5 Micromorphology of rear side of polysilicon wafer under conventional bifacial texturing process and single side texture process

从图5可以看出，2种制绒工艺的背面腐蚀方式有很大差异，常规双面制绒工艺的背面腐蚀减薄量不能控制，而单面制绒工艺是采用喷淋方式去除硅片背面损伤层达到腐蚀减薄的目的，背面腐蚀减薄量是可以通过调节硬件参数调控的，且单面制绒工艺下多晶硅片背面的减重窗口范围比常规双面制绒工艺的更大，更容易调制出产线需要的工艺产品。对比2种制绒工艺下多晶硅片背面的微观形貌可以看出，采用单面制绒工艺后多晶硅片背面的微观绒面结构更小、平整度更高，比采用常规双面制绒工艺的硅片背面绒面形貌更利于后续工序的背抛光，可以提高湿法刻蚀中背抛光时HF/HNO3混合腐蚀的均匀性。

3.3 电性能测试数据

对采用常规双面制绒工艺和单面制绒工艺最终制备的太阳电池的电性能进行测试，数据如表3所示。

从表3的电性能数据可以看出，相较于采用常规双面制绒工艺制备的多晶硅太阳电池，采用单面制绒工艺制备的多晶硅太阳电池的Voc、Isc均有优势，且电池的转换效率提高了0.03%，达到了预期效果。

上述实验数据说明，对于金刚线切割的多晶硅片，其背面腐蚀深度达到1.062 μm就能很好的去除损伤层，而现有的常规双面制绒工艺制备的硅片背面是过度腐蚀的。

4 结论

本文介绍了一种新的多晶硅片单面制绒工艺，通过对多晶硅链式制绒设备的制绒槽进行改造，使制绒槽内硅片由浸没式改为漂浮式腐蚀制绒，同时利用喷淋方式去除了硅片背面损伤层，颠覆了传统的双面制绒理念，改善了硅片背面过度腐蚀现象，降低了硅片的腐蚀量和化学药品的耗费量，同时提升了电池的转换效率；并且从理论上来看，制绒槽内的液体寿命得到了延长。