石墨舟卡點處硅片及單晶硅太陽電池品質異常的研究

張福慶，王貴梅，孫曉凱，趙鵬飛，曹占傲

(晶澳太陽能有限公司，邢臺 055550)

0 引言

在太陽電池制備過程中，利用等離子增強化學氣相沉積(PECVD)工藝對硅片進行背面鍍膜已得到廣泛應用。PECVD[1-2]設備以石墨舟[3]為硅片載體，二合一PECVD設備是將傳統的氧化鋁沉積設備與氮化硅沉積設備合二為一，相較于傳統的背面鍍膜設備，其擁有更小的空間及占地面積、更低的生產人力成本、更優的鈍化效果及太陽電池光電轉換效率。

目前，在業內的太陽電池生產線中，利用二合一管式PECVD設備進行硅片背面鍍膜時，石墨舟卡點[4]處的硅片和太陽電池均存在較為明顯的品質問題，主要表現為：1)硅片邊緣有瑕疵，增加了絲印崩網率和太陽電池的碎片率；2)太陽電池電致發光(EL)發黑，嚴重影響太陽電池的良品率。因此，石墨舟卡點處硅片和太陽電池品質異常問題亟待解決。

本文以利用二合一管式PECVD設備進行硅片背面鍍膜時出現的石墨舟卡點處硅片瑕疵及單晶硅太陽電池EL發黑的異常現象為研究對象，分析了此種PECVD設備鍍膜時，射頻電流、石墨舟卡點形狀及石墨舟清洗液配方對石墨舟卡點處硅片和單晶硅太陽電池品質異常的影響，并提出了解決方案。

1 實驗

1.1 實驗材料及表征

本文所用硅片是在同一根單晶硅硅棒上采用太陽能級摻鎵p型金剛線切割得到，硅片尺寸為158 mm×158 mm，厚度為165～175 μm，電阻率范圍為 0.4～1.1 Ω·cm。

采用深圳市捷佳偉創新能源裝備股份有限公司生產的二合一管式PECVD設備進行硅片背面鍍膜，采用上海弘楓實業有限公司生產的石墨舟作為硅片載體，采用無錫卓勝智能設備有限公司生產的EL機測試EL，采用美國PV Measurements公司生產的QEX10測試儀分析量子效率(QE)，采用德國HALM公司生產的高精度I-V測量系統測試太陽電池的電性能，采用美國Sinton公司生產的WT1200少子壽命測試儀測試太陽電池的少子壽命。

1.2 實驗背景

1.2.1 石墨舟卡點處硅片和單晶硅太陽電池品質異常現象

在二合一管式PECVD設備鍍膜過程中，涉及多種特氣如三甲基鋁(Al(CH3)3)、笑氣(NO2)、硅烷(SiO4)、氨氣(NH3)等，在同根爐管內需依次進行氧化鋁、氮化硅等膜層的沉積，反應參量多、過程復雜，石墨舟卡點處出現瑕疵的硅片的占比較高。

硅片鍍膜后，在石墨舟卡點處其外觀瑕疵主要表現為邊緣異常突起或存在擊穿缺口，如圖1所示。

圖1 硅片鍍膜后邊緣存在擊穿缺口Fig. 1 There is a breakdown gap on the edge of silicon wafer after coating

鍍膜后的硅片在石墨舟卡點處出現缺口會造成瑕疵片，更容易導致整片硅片破碎；瑕疵片下傳至絲網印刷工序后，由于印刷過程對硅片表面狀態的要求極高，因卡點處硅片燒焦而出現的缺口或突起會在其印刷過程中造成網版硌裂，導致網版崩網報廢。

EL發黑問題表現為EL測試下，在石墨舟卡點處單晶硅太陽電池存在鍍膜缺陷，導致測試過程中光子釋放少，該位置會因發光弱或不發光而顯現團塊狀發黑，具體如圖2所示。

圖2 卡點處單晶硅太陽電池的EL發黑Fig. 2 EL of mono-Si solar cell at the stuck point is black

1.2.2 異常原因分析

二合一管式PECVD設備鍍膜時是以石墨舟為硅片載體，在管式爐內通過輝光放電，使各特氣氣相電離后進行一系列化學反應及等離子體反應，在硅片表面沉積生成氧化鋁膜和氮化硅膜。

氧化鋁膜[5]的沉積反應過程為：

氮化硅膜的沉積反應過程為：

在PECVD設備鍍膜過程中，設備射頻功率大小、硅片與石墨舟卡點處的接觸面積大小，以及石墨舟潔凈度等，都會影響石墨舟卡點處硅片和太陽電池的品質。導致石墨舟卡點處硅片和太陽電池品質異常的原因主要有2個：1)經過卡點位置的電流過大，導致接觸位置的溫度過高；2)因為硅片與石墨舟之間存在接觸不良的情況，導致卡點位置局部高溫。上述2個原因最終導致單晶硅太陽電池卡點位置出現硅基體熔融等異常。

選取石墨舟卡點處EL發黑的單晶硅太陽電池2片，分別標識為EL發黑1和EL發黑2，并與EL正常的單晶硅太陽電池BL進行QE比較分析，結果如圖3所示。

圖3 石墨舟卡點處EL發黑和EL正常的太陽電池的QEFig. 3 QE of solar cells with EL normal and EL blacken at the stuck position of graphite boat

從圖3中可以看出：EL發黑的2片單晶硅太陽電池在長波段(600～1100 nm) 時QE均偏低，在短波段(300～500 nm)時QE正常。

QE測試中，短波段一般表征太陽電池正面的減反射和復合狀態，長波段一般表征太陽電池背面的減反射和復合狀態。該理論結合圖3的測試結果可知，石墨舟卡點處EL發黑是由太陽電池背面異常造成的，即是由于背面氧化鋁、氮化硅膜鈍化效果差，復合增加導致的。在此結論基礎上，下文進行石墨舟卡點處硅片外觀瑕疵和太陽電池EL發黑的解決方案研究。

2 實驗設計及結果分析

單晶硅太陽電池的常規制備工序為：制絨→擴散→選擇性發射極(SE)激光摻雜→去磷硅玻璃(PSG)/拋光→退火氧化→PECVD鍍膜→激光開槽→絲網印刷→燒結→檢測。

為研究鍍膜過程造成的石墨舟卡點處硅片外觀瑕疵和太陽電池EL發黑與二合一管式PECVD設備鍍膜時的射頻電流、石墨舟卡點形狀及石墨舟清洗液配方之間的關系，依據上述單晶硅太陽電池制備過程，在退火氧化工序后、PECVD鍍膜工序前，選取同一批次的單晶硅片3888片，平均分成9組，編號為1#～9#，每組432片。為對比單一變量對石墨舟卡點處硅片和太陽電池品質的影響，這9組硅片分別采用表1所示的9種實驗條件，并按照上述制備流程完成后續的單晶硅太陽電池制備。

表1 9組硅片對應的實驗條件Table 1 Experimental conditions corresponding to nine groups of silicon wafers

2.1 射頻電流

為分析二合一管式PECVD設備鍍膜時射頻電流[6]對石墨舟卡點處硅片和單晶硅太陽電池品質的影響，選擇同一個石墨舟，根據1#～5#硅片對應的實驗條件，將二合一管式PECVD設備在氧化鋁鍍膜時的射頻電流分別調節為20、17、14、11和8 A，其他條件保持一致；然后依次進行硅片鍍膜，并統計鍍膜時石墨舟卡點處硅片的燒焦數量，最后制成成品太陽電池并進行EL測試，然后統計石墨舟卡點處EL發黑的太陽電池數量，結果如表2所示。

表2 不同射頻電流下石墨舟卡點處燒焦硅片和EL發黑太陽電池結果Table 2 Results of scorched silicon wafers and EL blackened solar cells at the stuck point of graphite boat under different RF currents

由表2可知：在使用二合一管式PECVD設備鍍制氧化鋁膜過程中，當石墨舟卡點形狀與石墨舟清洗液配方一定時，設備的射頻電流越大，石墨舟卡點處燒焦硅片的數量及EL發黑太陽電池的數量越多；當射頻電流降至8 A時，未出現石墨舟卡點處燒焦的硅片及EL發黑的太陽電池。所以在使用二合一管式PECVD設備鍍制氧化鋁膜過程中，宜采用較低的射頻電流。

2.2 石墨舟卡點形狀

為分析石墨舟卡點形狀對石墨舟卡點處硅片和單晶硅太陽電池品質的影響，選取同廠家、同批次的2個石墨舟，一個石墨舟裝載6#硅片，采用圓形卡點；另一個石墨舟裝載7#硅片，采用三角形卡點。相較于三角形卡點，圓形卡點與硅片的接觸面積較大。2種石墨舟卡點形狀下單晶硅太陽電池的外觀比較如圖4所示。

圖4 2種石墨舟卡點形狀下單晶硅太陽電池外觀比較Fig. 4 Appearance comparison of mono-Si solar cells with two kinds of graphite boats stuck shape

在對硅片進行PECVD鍍膜前，2個石墨舟分別按照6#和7#硅片的實驗條件進行清洗，然后烘干，并由同一臺二合一管式PECVD設備進行硅片鍍膜及硅片裝卸，鍍膜完成后統計2種石墨舟卡點形狀下卡點處燒焦硅片的數量；然后對制成的成品太陽電池進行EL測試，并統計石墨舟卡點處EL發黑的太陽電池數量，結果如表3所示。

從表3中可以看出：在使用二合一管式PECVD設備鍍膜過程中，當設備射頻電流與石墨舟清洗液配方一定時，石墨舟采用圓形卡點，可以避免卡點處硅片燒焦及太陽電池EL發黑；而石墨舟采用三角形卡點時出現異常的比例偏高。這是因為石墨舟采用三角形卡點時，其與硅片的接觸面積小，在小面積接觸情況下，硅片和石墨舟卡點之間的接觸電阻就會變大；若接觸電阻太大，就可能導致石墨舟卡點與硅片之間的電路壓降過大，而電路壓降越大時，接觸點釋放的熱量將越多；當接觸點處的溫度上升到一定極限時，接觸點就會被損壞，溫度越高，損壞速度就越快，甚至會產生擊穿效應，導致硅片破碎。因此在使用二合一管式PECVD設備鍍膜時，石墨舟卡點應采用接觸面積較大的圓形卡點。

表3 不同石墨舟卡點形狀下卡點處燒焦硅片和EL發黑太陽電池結果Table 3 Results of scorched silicon wafers and EL blackened solar cells at the stuck points under different graphite boat stuck shapes

2.3 石墨舟清洗液配方

在硅片鍍膜過程中，石墨舟表面主要由氧化鋁膜和氮化硅膜覆蓋，因此石墨舟的清洗液配方主要有2種：一種是氫氟酸、鹽酸的混合溶液；另一種則僅為氫氟酸溶液。

為分析石墨舟清洗液配方對石墨舟卡點處硅片和單晶硅太陽電池品質的影響，在射頻電流與石墨舟卡點形狀一定的情況下，僅按照8#和9#硅片對應的實驗條件改變石墨舟清洗液配方，然后對石墨舟進行清洗。相同的清洗時間之后，對石墨舟進行烘干，然后裝載硅片，在利用二合一管式PECVD設備完成鍍膜后，統計石墨舟卡點處燒焦硅片的數量；然后對制成的成品太陽電池進行EL測試，并統計石墨舟卡點處EL發黑的太陽電池數量，結果如表4所示。

從表4中可以看出：在鍍膜過程中，當二合一管式PECVD設備的射頻電流、石墨舟卡點形狀一定時，不同的石墨舟清洗液配方對石墨舟卡點處硅片燒焦及太陽電池EL發黑的影響較大。其中，石墨舟清洗液配方使用氫氟酸、鹽酸混合溶液時，出現石墨舟卡點處燒焦硅片及EL發黑太陽電池的比例較高。而石墨舟清洗液配方為氫氟酸溶液時，在石墨舟卡點處未出現燒焦的硅片和EL發黑的太陽電池。

表4 不同石墨舟清洗液配方下卡點處燒焦硅片和EL發黑太陽電池結果Table 4 Results of scorched silicon wafers and EL blackened solar cells at the stuck point under different graphite boat cleaning solutions

對8#和9#硅片制成的2種單晶硅太陽電池進行電性能測試，然后取均值，測試結果如表5所示。

表5 2種單晶硅太陽電池的電性能測試結果Table 5 Electrical performance test results of two types of mono-Si solar cells

選取上述2種單晶硅太陽電池各20片，分別進行少子壽命測試[7]和開路電壓模擬，結果如圖5所示。

圖5 2種單晶硅太陽電池的少子壽命及模擬開路電壓Fig. 5 Minority carrier lifetime and simulated open circuit voltage of two types of mono-Si solar cells

綜合表4、表5及圖5可以得到：8#太陽電池的少子壽命均值為675.4 μs、模擬開路電壓均值為722.0 mV，9#太陽電池的少子壽命數據均值為628.3 μs、模擬開路電壓均值為687.6 mV；8#和9#太陽電池的模擬開路電壓及少子壽命的散點分布及整體變化趨勢差異明顯；9#太陽電池的光電轉換效率和開路電壓均較低，且存在石墨舟卡點處異常的硅片和太陽電池。這可能是因為8#太陽電池采用的是氫氟酸清洗液，氫氟酸的氫、氟原子間結合力相對較強，且在水中氟化氫分子間存在氫鍵，使氫氟酸在水中不易電離，該結論與氫氟酸在正常濃度(49%)下表現為弱酸是一致的。而鹽酸屬于一元無機強酸，氫、氯原子間結合力強，具有強電離性。在石墨舟清洗過程中，含有鹽酸的清洗液的氫離子會更多的殘留在石墨舟上，而二合一管式PECVD設備鍍制氧化鋁膜過程中，這部分氫離子會被高溫析出并與硅片表面沉積的氧化鋁膜發生反應，從而產生大量等離子體，使石墨舟卡點與硅片接觸位置易產生尖端放電，提高了石墨舟卡點處的溫度，影響卡點處的鍍膜品質，甚至導致硅片擊穿破裂。而且石墨舟表面析出的氫離子會對硅片表面沉積的氧化鋁膜的鈍化效果[8]產生影響，破壞氧化鋁膜的膜質，從而影響成品太陽電池的光電轉換效率。所以在石墨舟清洗時，應采用不含鹽酸的清洗液配方，以保證鍍膜品質。

3 結論

本文分析了二合一管式PECVD設備進行硅片背面鍍膜時出現的石墨舟卡點處硅片和單晶硅太陽電池品質異常的原因，得到以下結論：

1)進行氧化鋁鍍膜時，設備射頻電流越大，石墨舟卡點處出現硅片燒焦及單晶硅太陽電池EL發黑的比例越大，因此設備在鍍制氧化鋁膜時宜采用較低的射頻電流。

2) 石墨舟采用圓形卡點，可以避免卡點處硅片燒焦及單晶硅太陽電池EL發黑。

3)采用含有鹽酸的氫氟酸混合溶液清洗石墨舟，會出現大量卡點處燒焦的硅片及EL發黑的單晶硅太陽電池。因此，在石墨舟清洗時，應采用只含氫氟酸的清洗液配方，以保證鍍膜品質。

在單晶硅太陽電池的具體生產過程中，除了本文討論的因素外，還會有很多其他因素影響鍍膜時石墨舟卡點處硅片和太陽電池的品質，需后續業內專業人士進一步共同研究與探討。