多晶制絨工藝與設備的研究

于皓潔，林立，姚雁林

(北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司，北京 100015)

隨著光伏市場的快速發(fā)展，鑄造多晶硅成為最主要的太陽能電池原材料。制絨工藝是晶體硅太陽能電池片生產的第一道工序，也是極為重要的一道工序。制絨環(huán)節(jié)是在硅片損傷層的基礎上制備織構表面，以便減少光的反射率，提高開路電壓（Voc）和短路電流（Isc），最終提高電池的光電轉換效率。詳見圖1～圖4及表1。由圖1～圖4及表1可以得出：

圖1 切割完之后硅片

圖2 堿腐蝕之后的硅片

圖3 無掩膜RIE之后的硅片

圖4 掩膜RIE之后的硅片

表1 不同制絨方法的比較

切割后的硅片，雖有比較低的反射率，但表面損傷層和裂痕嚴重，金屬離子等污染也比較嚴重，所以做成的電池片開路電壓很低；堿腐蝕后的硅片，由于多晶硅片表面晶向不一致，所以反射率比較高，做成的電池片短路電流損失嚴重；酸腐蝕后的硅片，反射率較低，制作成的電池片電性能比較理想，但是酸制絨反應劇烈，需要比較大的制冷設備控制反應;無掩膜RIE制絨后的硅片，由于等離子體的轟擊，造成硅片的損傷嚴重，開路電壓比較低；掩膜RIE制絨后的硅片雖然電性能最優(yōu)，但是工業(yè)上大規(guī)模生產的掩膜以及RIE技術還沒開發(fā)成熟，比較難以實現。綜上所述，對于多晶硅片來說，酸腐蝕是比較理想的制絨手段。

多晶硅酸制絨的反應機理：

硅片在酸溶液中的腐蝕一般分為兩個步驟，第一個步驟是硅片的氧化反應，用HNO3將硅片表面氧化成SiO2，同時生成副產物HNO2。而HNO2也參與硅片的氧化反應，并且主導整個氧化反應的速率；第二個步驟是硅片氧化層的去除反應，用HF溶液將硅片表面的氧化層去除。

制絨所需的生產設備目前分為槽式和鏈式兩種。鏈式制絨設備較槽式更易實現整線自動化，但在產能、均值減薄量、反射率等指標相當的情況下，槽式制絨設備在碎片率和價格方面的優(yōu)勢卻極為突出。北京七星華創(chuàng)股份有限公司針對該工藝的生產特點，開發(fā)出槽式多晶硅片的制絨設備。

制絨反應瞬間放出大量熱量，使得溶液溫度迅速升高，溫度對擴散及溶解反應的影響較小，但對氧化反應的影響卻很大。溫度升高，反應速度常數會增大，如果不加以控制，反應溫度會在很短的時間升高致很大，使反應處于失控狀態(tài)。由于工業(yè)化生產每批次需要處理大量的硅片，這就對設備制絨槽內溶液的控溫提出了很高的要求。

在制絨槽的設計上可以采取用大流量的循環(huán)藥液迅速帶走多余的熱量，來實現控溫的目的。在溶液的大流量循環(huán)冷卻過程中，溢流量可根據進液量的大小自行進行相應的調節(jié)，以達到控制工藝溫度恒定的目的。見圖5。

圖5 制絨槽

如圖5所示：進液磁力泵將冷卻槽內的溶液通過進液管路注入反應槽，溶液注滿后，溢流至外槽，外槽的溶液通過溢流管路回流至冷卻槽。以此達到用大流量的循環(huán)藥液帶走反應熱的目的。為保證反應液溫度的恒定，除在溫度控制上采用多點控溫外，在結構設計上采用進液流量可調來實現,原因為：（1）整個反應過程中釋放的反應熱是由高到低變化的；（2）與鏈式制絨設備的連續(xù)性不同，槽式制絨在硅片移載時間內，槽內液體無反應熱可吸收。為保證溶液溫度恒定，可通過調節(jié)進液磁力泵控制器和進液管路上的調節(jié)閥來調節(jié)進液流量。為保證進液量均勻，進液管路分為4個分支，分別由制絨槽的底部和側面進入制絨槽，總進液量由進液磁力泵控制器控制，各分支流量由各分支上的調節(jié)閥控制。因為進液是由磁力泵提供動力，如果僅采用自然溢流重力回流至冷卻槽則勢必對溢流管路的管徑、數量、安裝高度、位置空間都有很多要求。為解決這一問題，采用自然溢流和溢流管路外接動力源相結合的溢流方法。如圖5所示，高位溢流管路采用自然溢流，低位溢流管路外接磁力泵將外槽內的溶液泵入冷卻槽。具體工作過程為：根據反應槽內溶液溢流至外槽的溢流量即內槽進液量的大小，溢流磁力泵控制器根據高位傳感器和低位傳感器發(fā)來的信號，控制低位溢流管路，通過低位溢流管路和高位溢流管路相配合，使液面始終保持在高位傳感器和低位傳感器之間。若外槽的進液量較小，可只通過高位溢流管路進行排液。若外槽的進液量較大，使外槽的溶液液位超過了高位傳感器，溢流磁力泵控制器接收到高位傳感器的信號，則啟動溢流磁力泵，將溶液自低位溢流管路抽出，直至液位低于低位傳感器，溢流磁力泵控制器接收到低位傳感器的信號，關閉溢流磁力泵，低位溢流管路停止排液。低位溢流管路的溢流量大小可通過溢流磁力泵控制器來調節(jié)，當低位溢流管路通過溢流磁力泵將溶液輸送至冷卻槽時，高位溢流管路仍負責排出一部分溶輸送至冷卻槽。即在整個溢流過程中，高位溢流管路都將參與將溶液輸送至冷卻槽的工作，并根據溶液沒過溢流口的高低進行流量微調，低位溢流管路在溢流量發(fā)生較大變化時參與工作，并進行相應調節(jié)。當循環(huán)溶液不再使用，需要更換時，則通內槽排放管路和外槽排放管路將反應液排出。

由于反應會放出大量H2,會對片藍承載框架在槽內的定位造成影響，因此在槽底設置定位塊，以保證片藍承載框架在槽內的穩(wěn)定性，從而提高機械手抓取的成功率。

硅片制絨設備是根據制絨工藝設計的，設備各方面的工作性能，不僅要滿足特定工藝的需求，同時也要滿足工藝所涉及的調整范圍。在生產過程中，有時往往由于設備方面的一些配合改進，就能解決工藝方面難以解決的大問題。因此，只有將設備和工藝兩者有機的結合起來，才能生產出高品質的電池片。

[1]劉志剛,孫鐵囤,于化叢,周之斌,崔容強.酸腐蝕在多晶硅太陽能電池上的應用[A];第八屆全國光伏會議暨中日光伏論壇論文集[C].北京，中國學術期刊（光盤版）電子雜志社，2004.