“SE+PERC”單晶硅太陽電池制絨工藝中微觀絨面的研究

陳素素，閆會珍，劉 苗，張軍杰，李文濤

(晶澳太陽能有限公司，邢臺 055550)

0 引言

為實現碳達峰、碳中和目標，光伏發電作為一種重要的可再生清潔能源利用方式，在我國的應用將越來越廣泛。作為光伏發電的核心部件，近年來太陽電池的發展迅速，其中，單晶硅太陽電池憑借光電轉換效率高、性能好等優勢一直占據著絕大多數的市場份額[1]。

單晶硅片表面的織構化程度可直接影響其對太陽光的反射率，從而影響單晶硅太陽電池的光電轉換效率。硅片表面的織構化是利用低濃度的NaOH溶液腐蝕硅片正面和背面，從而在硅片正面和背面形成金字塔結構。該結構不但能增加太陽電池正面的光吸收率，還能將一次反射出去的太陽光再次反射回太陽電池內部，實現二次吸收[2]，進而增大太陽電池的光生電流，提升太陽電池的光電轉換效率。而硅片背面的織構化可以為后續的背鈍化工序做準備。

近年來，隨著制絨添加劑的普及，硅片表面的微觀絨面及制絨工藝的時間均得到了較大改善，微觀絨面上的金字塔尺寸由7 μm降至3 μm左右。對于硅片表面的織構化而言，小而均勻的金字塔結構可比大金字塔結構擁有更多的吸光面積，從而可提升太陽電池的光吸收率。

為提升單晶硅太陽電池的光電轉換效率，本文以采用選擇性發射極(SE)及鈍化發射極和背接觸(PERC)技術的單晶硅太陽電池(即“SE+PERC”單晶硅太陽電池)為例，在不增加任何成本的前提下，通過對該太陽電池制絨工藝中的工序內容進行優化，從而得到小而均勻的金字塔結構，并對由不同金字塔尺寸制備的“SE+PERC”單晶硅太陽電池的性能進行了測試。

1 實驗設計

1.1 實驗儀器

硅片制絨后的微觀結構由復納科學儀器(上海)有限公司生產的ProX能譜一體機進行掃描；硅片制絨后的反射率由系科光電科技(上海)有限公司生產的REF300反射儀進行測試；硅片制絨前、后的減重數據由高精度電子天平進行測量；成品太陽電池的光電轉換效率由德國HALM公司生產的高精度I-V測量系統測量。

1.2 實驗樣品處理及實驗過程設計

實驗硅片采用晶澳太陽能有限公司生產的從同一根硅棒上切割的尺寸為158 mm×158 mm的單晶硅片，硅片的電阻率范圍為0.4～1.1 Ω·cm，硅片厚度為165～175 μm。

單晶硅片的制絨工藝流程如圖1所示。本實驗通過改變制絨工藝流程中的某個工序的內容，得到了9種不同的單晶硅片樣品；然后針對某個樣品改變的工序進行相應的測試；最后將這9種硅片樣品在相同制備條件下，按照“SE+PERC”太陽電池的制備流程制成“SE+PERC”太陽電池，并對制備的太陽電池的性能進行測試。

圖1 單晶硅片的制絨工藝流程Fig. 1 Texturing process of mono-silicon wafers

9種單晶硅片樣品均僅改變制絨工藝中某一道工序的內容，其他工序不變。9種樣品改變的工序內容分別為：

1)樣品1：粗拋時低減重；

2)樣品2：粗拋時高減重；

3)樣品3：采用低濃度的制絨添加劑；

4)樣品4：采用高濃度的制絨添加劑；

5)樣品5：采用高濃度的NaOH溶液；

6)樣品6：采用低濃度的NaOH溶液；

7)樣品7：采用不同的制絨時間；

8)樣品8：制絨槽中排出的溶液量(下文簡稱為“定排”)小于補加進去的溶液量(下文簡稱為“補加”)；

9)樣品9：定排等于補加。

采用相應儀器對這9種制絨后的硅片樣品進行制絨前、后的減重數據測量，微觀絨面掃描及反射率測試，并收集數據進行分析研究。

2 實驗結果與分析

由于樣品1和樣品2采用的NaOH溶液的濃度和溫度均相同，因此樣品2粗拋時若要實現高減重需增加拋光時間。將樣品1的拋光時間設為30 s，樣品2的拋光時間設為180 s，二者的減重測試結果如圖2所示。由圖2可知，樣品1的減重為0.05 g，樣品2的減重為0.30 g。

圖2 樣品1和樣品2的減重測試結果Fig. 2 Results of weight loss test of sample 1 and sample 2

為分析粗拋時減重高低對金字塔尺寸的影響，對樣品1和樣品2的金字塔尺寸進行測試，測試結果如圖3所示。其中，圖中的槽次指制絨槽的使用次數，制絨槽中的腐蝕液一共可使用400次，本文選取制絨槽的前4次(1槽次～4槽次)和后面的100槽次～400槽次使用時的情況為例進行分析，以便于研究不同槽次時制絨槽中腐蝕液對金字塔尺寸的影響。

圖3 粗拋時不同減重下的樣品1和樣品2的金字塔尺寸Fig. 3 Pyramid size of sample 1 and sample 2 with different weight loss during rough polishing

雖然樣品1的減重小于樣品2的減重，但從圖3中可以看出，樣品1的金字塔尺寸大于樣品2的金字塔尺寸，這說明粗拋時減重越小，金字塔尺寸越大，粗拋時減重的大小與金字塔尺寸的大小成反比關系。這是因為對于低減重的單晶硅片而言，其表面切割形成的損傷層容易去除不干凈，導致表面存在“臺階”，而單晶硅片表面粗糙度差的位置在制絨過程中容易出現附著成核的情況，形成的金字塔尺寸也會較大。文獻[3]認為，制絨過程中的化學反應一般是先從晶體硅表面的缺陷和雜質處開始，而已去除損傷層的單晶硅片表面的缺陷和雜質較少。因此，隨著反應過程的進行，減重小的單晶硅片表面容易形成金字塔尺寸較大的大絨面，而減重大的單晶硅片表面則會形成金字塔尺寸較小的小絨面。

在制絨工藝中，制絨添加劑的濃度越低，意味著NaOH溶液的濃度越高。因此，樣品3～樣品6均可以認為是在制絨工藝中僅改變了制絨添加劑的濃度，而其他工序保持不變。不同制絨添加劑濃度和不同NaOH溶液濃度時的金字塔尺寸如圖4、圖5所示。

圖4 不同制絨添加劑濃度時的金字塔尺寸Fig. 4 Pyramids size of different texturing additives concentration

圖5 不同NaOH溶液濃度時的金字塔尺寸Fig. 5 Pyramids size of different NaOH solution concentration

從圖4、圖5可以看出，樣品3和樣品5的金字塔尺寸較大，這是因為制絨添加劑濃度越低，羥基(—OH)到達硅片表面的阻礙越小，越能促進腐蝕的進行，導致金字塔在硅片表面成核后快速成長，形成金字塔尺寸較大的大絨面。而樣品4和樣品6的金字塔尺寸相對較小，這是因為高濃度的制絨添加劑會阻礙—OH向腐蝕界面傳輸，金字塔在硅片表面成核后，—OH的腐蝕速度緩慢，易形成金字塔尺寸較小的小絨面。但通過增加制絨添加劑濃度來實現金字塔尺寸較小的小絨面，效果也是有限的，當制絨添加劑濃度高到一定程度后， 單晶硅片的各向異性減弱，粗拋作用增強，制絨工藝結束后會形成基本無金字塔結構的絨面[4]。

對樣品7在不同制絨時間下的微觀形貌和反射率進行測試，得到其在不同制絨時間下的金字塔尺寸和反射率，分別如圖6、圖7所示。

圖6 不同制絨時間下樣品7的金字塔尺寸Fig. 6 Pyramids size of sample 7 under different texture time

圖7 不同制絨時間下樣品7的反射率Fig. 7 Wafer reflectivity of sample 7 under different texture time

由圖6可知，隨著制絨時間的增加，在510 s以內時，金字塔尺寸也隨之增大；但超過510 s之后，金字塔尺寸開始逐漸減小；金字塔尺寸隨制絨時間的變化近似正態分布。這是因為制絨時間過長會存在過腐蝕現象，導致金字塔的尺寸反而減小。

由圖7可知，隨著制絨時間的增加，樣品7的反射率也隨之上升。

為了通過改善制絨時腐蝕液的新陳代謝量來改善腐蝕液的反應活性，對定排和補加進行調整。在定排小于補加(即樣品8)和定排等于補加(即樣品9)的情況下，可分別得到制絨后的樣品的金字塔尺寸，具體如圖8所示。

圖8 在定排和補加不同狀態下得到的樣品的金字塔尺寸Fig. 8 Pyramids size of samples obtained in different alignment and supplementary states

從圖8可以看出，樣品8的金字塔尺寸大于樣品9的，這是因為在定排小于補加的情況下，制絨槽內溶液的腐蝕產物硅酸鈉累積較多，溶液的粘稠度增加，若僅依靠制絨槽內的溢流來排放多余的廢液，溶液的循環流動性會變差。因此，單晶硅片表面的腐蝕均勻性差，并且隨著制絨槽使用次數的累積，硅片表面的金字塔尺寸會越來越大。此外，當腐蝕溶液中硅酸鈉的含量過高時，溶液的粘稠度增加，Si與—OH的反應被遏制，NaOH溶液的腐蝕難以在單晶硅片表面形成理想的減反射絨面[5]。

而在定排等于補加的情況下，制絨槽內的溶液量少，雖然溶液的液位較低，但可滿足浸沒需求，無溶液溢流現象，且溶液的循環較快，更新量較多，使溶液內反應產物的累積量大幅減少，單晶硅片表面的腐蝕最勻速；同時，加快了單晶硅片表面反應產物的脫離，NaOH溶液的自補量下降，溶液的活性變大，使單晶硅片表面的成核點較多，形成了金字塔尺寸較小的小絨面，并且隨著制絨槽使用次數的增加，絨面的穩定性更好。因此，樣品9的絨面最穩定，也是實際生產中追求的最佳狀態。

綜合上述幾個實驗結果可以發現，制絨工藝在定排等于補加的基礎上，加大粗拋時的減重，降低NaOH溶液濃度或提高制絨添加劑濃度，均可在硅片表面形成小而均勻的金字塔結構的絨面，如圖9所示。

圖9 小而均勻的金字塔結構的絨面Fig. 9 Small and uniform pyramid-structured suede

在定排等于補加的基礎上，通過調整粗拋時減重、制絨時間、NaOH溶液濃度及制絨添加劑濃度，制作得到不同金字塔尺寸的單晶硅片樣品，再將所有單晶硅片樣品制備成“SE+PERC”單晶硅太陽電池，然后通過測試得到不同金字塔尺寸時的“SE+PERC”單晶硅太陽電池的電性能數據，具體如表1所示。

表1 不同金字塔尺寸時的“SE+PERC”單晶硅太陽電池的電性能數據Table 1 Electrical performance data of “SE+PERC”mono-silicon solar cells with different pyramid sizes

由表1可知，在定排等于補加的基礎上，隨著金字塔尺寸的增大，“SE+PERC”單晶硅太陽電池的Isc呈下降趨勢，Rs與IRev2均呈增大趨勢，這是因為擴散過程中金字塔頂部的摻雜較重、谷底的摻雜較弱，這種情況在金字塔尺寸較大的大絨面中較容易出現，而在金字塔尺寸較小的小絨面中很少出現。因此，金字塔尺寸較小時更有利于減小金屬電極的接觸電阻及太陽電池的IRev2

[2]，從而提升其Eta。

3 結論

本文通過對制絨工藝中的工序內容進行調整，測試了調整后單晶硅片制絨面的金字塔尺寸，并對基于不同金字塔尺寸制備的“SE+PERC”單晶硅太陽電池的電性能進行了測試，得到以下結論：

1)粗拋時高減重更有利于形成金字塔尺寸較小的小絨面，同時更有利于去除硅片表面因切割形成的損傷層；

2)適當提高制絨添加劑的濃度或降低NaOH溶液的濃度，均有助于減緩腐蝕反應速度，形成金字塔尺寸較小的小絨面；

3)制絨時間與金字塔尺寸之間的關系呈近似正態分布；

4)在制絨槽排出的溶液量等于補加進去溶液量的情況下，溶液的新陳代謝較快，腐蝕反應較為均勻，絨面的金字塔尺寸較小且結構較為穩定；

5)在制絨槽排出的溶液量等于補加進去溶液量的情況下，由小金字塔尺寸硅片制備的“SE+PERC”單晶硅太陽電池的光電轉換效率更高。