太陽能電池制造中化學濃度的預先控制介紹

馮小強，祝福生，關宏武，宋文超

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

在太陽能電池片制造過程中，硅在堿性溶液中的刻蝕是一個復雜的的過程，由于大量的硅要在溶液中進行刻蝕，刻蝕過程中會產生刻蝕副產品（硅酸鹽），硅酸鹽對刻蝕速率有較大的影響。刻蝕溶液中的硅酸鹽將使刻蝕速率顯著下降，同時溶液濃度的變化會對硅片的刻蝕結果產生影響，會產生不可預知的硅片特性，從而降低硅片質量。為了獲得穩定和可循環利用的工藝流程，實時準確地測量刻蝕液濃度十分必要。

Si+2KOH+H2O=K2SiO3+2H2↑

太陽能電池制造中通常包含KOH/IPA，HF/HNO3，HF/HCl 這幾種溶液，同時也含有添加劑——IPA，這些添加劑可以增強刻蝕的均勻性。硅片在KOH/IPA 混合液中通過刻蝕處理產生如圖1 所示的絨面。化學濃度控制的原理是用在線傳感器來實時監測化學濃度，通過開發的計算方法來控制化學濃度，簡單來說就是通過注入新鮮的化學液和水來補償消耗的化學液和水，使槽體里的化學濃度維持在一個穩定的狀態，這樣能夠很好地保證硅片的刻蝕速率。

圖1 在2%的KOH 在80 ℃和4% IPA

1 實驗

濕法化學實驗是在一個全自動的硅片刻蝕和清洗實驗站進行。每個批次200 片硅，所有的硅片均由同一供應商提供，且硅片選自100 個不同的硅錠?？涛g工藝實驗是在“化學濃度控制系統”這項專利技術下進行。將在線傳感器安裝在工藝槽的循環管路中，這樣就可以實時測量化學濃度，該傳感器測量光的吸收率然后通過光纖傳輸到分光光度計。

此時光的吸收率與溶液的濃度是相互關聯的，光的吸收率將被傳送到放大器，并轉化為4～20 mA 的輸出相應，這些信號通過模擬模塊與計算機相連，通過計算機控制補液系統來控制化學液的濃度。在研究過程中許多化學液都曾經被研究，例如HF，HNO3等，在此就不一一列舉，我們只以KOH 和IPA 為例說明。目標是產生一致的刻蝕速率，同時獲得與圖1 相似的制絨面。

2 實驗分析

該實驗的技術優勢是通過精確測量化學液的濃度以達到需求的工藝效果，即產生最好的制絨形貌。濃度穩定一致的溶液可幫助延長化學槽的使用時間，從而減少硬件消耗和整體制造費用，并延長設備的正常運行時間，提高利用率。

KOH 濃度的校正曲線如圖2 所示。同時對IPA 獲取類似的校正曲線。圖3 表示為了維持穩定的刻蝕速率所需的KOH 濃度。由圖3 可以看出，維持穩定的刻蝕速率所需的KOH 體積與所要刻蝕Si 的質量成線性關系。測試數據與化學計算高度吻合，從而為產品的應用提供了強有力的支持。此系統還可以對刻蝕副產品的濃度進行校正，如圖4 所示。

圖2 測量及預測濃度的KOH

圖3 KOH 蝕刻硅的消耗量在生產中與理論值一致

圖4 實時工藝中的溶解硅濃度

實驗結果表明清洗槽中溶解的Si 含量必須保持低于某一個極限值。該系統運用算法來控制清洗槽中Si 的濃度，所以刻蝕速率得以保證。此算法可以保證一定體積新化學液的注入和舊化學液的排出，從而保持化學液和刻蝕副產品的濃度不變。這樣，就可以達到晶圓Si 刻蝕速率和反射率保持一致性的工藝效果，如圖5 和圖6 所示。圖5 顯示盡管在不同的負荷條件下，大多數實驗中晶圓的反射率均低于10%。在所有的實驗中，絨面金字塔的尺寸在8～12 μm 之間。這對于晶圓制造中的膜沉積和完善工藝是十分重要的，它需要絨面的尺寸和形貌保持一致性。由圖7 可以看出在沒有ICE 控制下不穩定的刻蝕速率。

圖5 多種工藝下制絨硅片的發射率對比

圖6 刻蝕速率隨著ICE 控制而變化

圖7 刻蝕速率沒有隨著ICE 控制而變化

3 結 論

實驗結果表明，實時的化學濃度監測和控制對太陽能電池制造是非常重要和有益的。該技術節省人力資源，避免工藝操作人員一直手動改變化學液濃度。利用閉環濃度控制，在太陽能電池片生產過程中，工藝操作人員將不再需要多次重復和繁瑣的工作。同時該技術顯著降低了返工和晶圓錯過處理，因此，整個工藝制造過程變得更可靠，更加節約成本。

[1] 張曉紅，王銳廷. 太陽能電池制絨設備研究的幾點心得[J]. 電子工業專用設備，2007(6)：24-25.