硅片厚度對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 055550)

0 引言

降本增效是晶體硅太陽電池產業化制備過程中的主要趨勢。為了提升電池的光電轉換效率，p型單晶硅片普遍采用選擇性發射極－鈍化發射極及背接觸(SE-PERC)的技術路線；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換效率，目前電池產業化時的硅片厚度一般大于等于180 μm，硅片厚度減薄會對工藝配方、工裝器具等提出新的要求。目前，光伏行業針對硅片厚度減薄對電池光電轉換效率方面的影響的研究較為成熟[1]，但硅片薄片化對電池制備過程的影響也不容忽視。基于此，本文針對硅片厚度減薄對SE-PERC單晶硅太陽電池制備過程的影響進行了研究，以期通過有針對性的優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定性。

1 實驗

1.1 實驗儀器

實驗過程中，濕法刻蝕減重數據由福迪威西特傳感工業控制有限公司生產的型號為FL3445的電子天平進行測量，硅片背面拋光的微觀結構采用奧林巴斯生產的型號為OLS5000-SAF的顯微鏡進行測試，采用管式PECVD工藝的SiNx薄膜的膜厚由系科光電科技(上海)有限公司生產的光譜橢圓偏振儀COSE進行測試。

1.2 實驗設計

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數據和采用管式PECVD工藝后SiNx薄膜的膜厚數據。

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 結果與討論

本文分別針對硅片厚度減薄對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溶液對硅片背面和邊緣進行刻蝕，以去除硅片背面和邊緣的擴散層[2]。在此過程中，為了使硅片正面不被刻蝕，通常會將水膜覆蓋在硅片正面。

通過對濕法刻蝕工藝后硅片的情況進行分析可以發現，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節開始表現出了明顯的差異性。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。當相同重量的水膜覆蓋在硅片正面時，由于刻蝕槽內的滾輪運動時不是絕對的水平，較薄的硅片因重量較輕，導致其在運行時的平穩性較差，水膜掉落在刻蝕槽內的風險提高，藥液濃度被稀釋，減少了刻蝕量，使濕法刻蝕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值是以厚度為180 μm的硅片制備的太陽電池的各性能參數值為基準得到的。

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，當硅片厚度減薄后，太陽光入射硅基體后，被激發的載流子擴散到空間電荷區的路徑變短，少子被復合的概率降低，從而能有效減小載流子的復合速率，對太陽電池的Voc提升有積極作用。但由于晶體硅對入射光的吸收系數較低，當硅片厚度減薄后，硅片對太陽光的吸收會變少，從而會造成Isc的減小；而且每當光線穿過硅片時，就會有部分光線從硅片的下表面透出去，這是因為完全吸收入射光所需的路徑往往大于硅片的實際厚度[3]，而Isc的降低又容易導致Voc的下降。因此，綜合上述因素后認為，硅片厚度減薄后太陽電池的Voc和Isc均會出現下降。由于薄硅片在濕法刻蝕工藝時的減重不足，可能會導致其背面擴散層去除不完全，從而使其背面復合率較高，這可能也是太陽電池的Voc降低的另一個影響因素。

在采用薄硅片制備太陽電池的量產過程中，利用不同濕法刻蝕機臺分別進行驗證發現，若要使厚度為165 μm和180 μm的硅片采用HFHNO3溶液進行刻蝕時達到相同的減重水平，在補液頻率為50片/次時，不同硅片厚度、不同濕法刻蝕機臺情況下HF和HNO3的自動補液量變化趨勢分別如圖2、圖3所示。

圖2 不同硅片厚度、不同濕法刻蝕機臺情況下HF的自動補液量變化趨勢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的自動補液量分別平均增加了約27%和約3%。而且通過多次實驗驗證發現，為達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溶液的稀釋，又不影響其對硅片正面的保護作用。

圖3 不同硅片厚度、不同濕法刻蝕機臺情況下HNO3的自動補液量變化趨勢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，原因都可以歸結為硅片厚度減薄后其重量變輕了，導致水膜掉落在刻蝕槽內，稀釋了溶液濃度，降低了刻蝕反應速度，最終導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、優異的長波響應[4]，因此，本文采用管式PECVD工藝。產線上通常以SiNx薄膜的膜厚來表征鍍膜效果[5]。相同工藝參數設置下，不同硅片厚度時管式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時其正面的SiNx薄膜的膜厚比硅片厚度為180 μm時低3～4 nm。這可能是因為硅片厚度減薄后，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，導致其與石墨舟片的接觸面變小，而在管式PECVD設備中，由于硅片是通過與中空的石墨舟片接觸來作為SiNx薄膜沉積時的電極[6]，因此輝光等離子體在設備反應腔內的分布特性和硅片表面狀態有關。而與厚度為180 μm的硅片相比，厚度為165 μm的硅片鍍膜時的電場間距變大，電極的接觸面積變小，電場強度削弱，等離子沉積速率受到制約，從而導致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工藝參數不變情況下，需要增加鍍膜時間，以保證沉積的SiNx薄膜的膜厚。一般工程經驗是10～15 s對應1 nm的SiNx薄膜膜厚，因此硅片厚度由180 μm切換為165 μm后，在其他參數不變的情況下，需要增加約0.5～1.0 min的鍍膜時間。但增加鍍膜時間不利于產業化的產能，因此為了保證相同的SiNx薄膜厚度，又不增加鍍膜時間，可通過增加鍍膜功率、提升脈沖開關比、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

在切換薄硅片之前對濕法刻蝕工藝和管式PECVD工藝進行預先優化調節，可以保證產線的順利切換。

3 結論

本文針對硅片厚度減薄對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薄膜膜厚的影響進行了分析，得到以下結論：

1) 為了達到相同的濕法刻蝕減重水平，硅片厚度為165 μm時HF和HNO3的自動補液量比180 μm時分別平均增加了約27%和約3%；并且硅片厚度為165 μm時需要減少水膜約5%的水量，這樣既可以減少水對溶液的稀釋，又不影響其對硅片正面的保護作用。

2)硅片厚度由180 μm切換為165 μm后，若要保證鍍膜厚度，在其他參數不變的情況下，需要增加約0.5～1.0 min的鍍膜時間；若不增加鍍膜時間，則可通過增加鍍膜功率、提升脈沖開關比，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濕法刻蝕工藝和管式PECVD工藝進行預先優化調節，可以保證產線的順利切換。