硅片切割線痕對太陽電池電性能影響的研究

收稿日期：2022-12-16

通信作者：張志敏（1982—）男，學士，主要從事晶體硅太陽電池方面的研究。Zhangzm@jasolar.com

DOI： 10.19911/j.1003-0417.tyn20221216.01 文章編號：1003-0417（2024）02-29-09

摘 要：金剛線切割是目前光伏行業主要的單晶硅片切割方式，但硅片被切割后其表面會留有線痕。首先對切割線痕在硅片表面的分布狀態及線痕形貌在硅片堿制絨前后的變化進行了量化分析，然后針對硅片表面不同線痕深度對太陽電池電性能及良率的影響進行了研究，最后在硅片線痕深度小于等于15 μm的基礎上，分析了硅片線痕對細柵的影響機理。得到以下結論：1）金剛線切割的硅片存在多種狀態的線痕，堿制絨只是在微觀層面形成了金字塔結構，但并不能改變線痕宏觀層面的輪廓曲線。2）切割線痕會造成硅片表面形成V形溝壑，且當細柵與溝壑垂直時，會對絲網印刷時柵線的連續性造成一定影響。3）對于線痕深度為10～15 μm的硅片，采用細柵垂直于線痕的絲網印刷方式時，太陽電池出現了嚴重的EL斷柵及發黑現象，并且影響到其電性能；而采用細柵平行于線痕的絲網印刷方式時，降低了EL斷柵概率，并且太陽電池電性能基本不受影響，但存在一定概率的局部印刷粗細不均的情況。該研究對提升太陽電池光電轉換效率和良率有積極的參考價值。

關鍵詞：太陽電池；金剛線切割；線痕；單晶硅片；EL斷柵

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0" 引言

近百年來，全球能源消耗基本處于不斷增長態勢，光伏發電以其獨特的優勢成為解決能源危機和溫室效應的有效途徑。單晶硅太陽電池在光伏市場一直占據主導地位，其蓬勃發展帶動了硅片市場需求的快速增長。金剛線切割方式取代了過去的砂漿切割方式，成為單晶硅切片市場的主導。在當前硅片大尺寸、薄片化技術趨勢下，金剛線細線化成為多數切片廠家降低硅片成本的主要方式之一。從砂漿切割過渡到金剛線切割，硅片表面線痕深度有了很大幅度的降低。

當前，光伏行業內大多數廠家普遍認同的單晶硅片表面線痕深度標準為小于等于15 μm，當硅片表面線痕深度超過15 μm時，硅片就會被降級[1]，因為此類硅片容易造成成品太陽電池斷柵，使其無法正常使用。然而，太陽電池生產商為控制銀漿成本，開發出了低銀漿耗量的細柵太陽電池，導致銀柵線越來越細，使量產中即使硅片線痕深度在0～15 μm的太陽電池也出現一定比例的成品斷柵片。通過對此類斷柵太陽電池進行微觀分析，判斷斷柵與硅片切割時的線痕深度及線痕結構有關。因此，本文首先對切割線痕在硅片表面的分布狀態及線痕形貌在硅片堿制絨前后的變化進行量化分析，然后針對硅片表面不同線痕深度對太陽電池電性能及良率的影響進行研究，最后在硅片線痕深度小于等于15 μm的基礎上，研究硅片線痕對細柵的影響機理。

1" 實驗

1.1" 實驗樣品及測試儀器

實驗樣品選用晶澳太陽能有限公司生產的p型直拉摻鎵單晶硅片，電阻率為0.4～0.8 Ω·cm，硅片厚度為160±10 μm、尺寸為168 mm×168 mm；使用A公司生產的金剛線直徑為40 μm的碳化硅金剛線切片機；采用上海星納電子科技有限公司生產的型號為MS203的硅片多功能參數檢測儀測量硅片尺寸、線痕深度等參數；采用德國Halm高精度I-V和EL一體化檢測系統測試成品太陽電池的電性能及EL情況；采用掃描電子顯微鏡（SEM）和基恩士顯微鏡測試硅片表面線痕的微觀圖像；采用威爾高精密粗糙度輪廓儀測試線痕輪廓曲線。

MS203硅片多功能參數檢測儀的線痕檢測模塊包括6個傳感器，在模塊左側、中間和右側各有上下兩個傳感器，分別稱為上傳感器和下傳感器；在硅片傳輸過程中，6個傳感器分別對硅片上表面左側、上表面中間、上表面右側、下表面左側、下表面中間和下表面右側實現線痕數據動態采集，通過固定算法對6個傳感器采集到的數據分別進行計算，每片硅片得到6個線痕深度值，然后計算機從這6個數據里面選出最大值，行業內通常將該值作為此硅片線痕深度的最終檢測結果。

1.2" 實驗樣品的處理

選取800片硅片，利用6個傳感器分別對每片硅片的上表面左側、上表面中間、上表面右側、下表面左側、下表面中間和下表面右側各進行線痕數據動態采集，每個位置得到800個線痕深度的原始數據，具體如圖1所示。

根據圖1結果計算得到800片硅片的線痕深度最終檢測結果，具體如圖2所示。

從圖2可以看出：這些硅片的線痕深度基本滿足0～15 μm的標準，其中，硅片編號為600～800的線痕深度值偏高，基本分布在10～15 μm之間。這表明，抽選的實驗樣品里面大約有25%的樣品線痕深度值在10 μm以上，而且結

合圖1可以發現，這些硅片左右兩側的線痕深度明顯大于中間的線痕深度，相同區域上下表面的線痕深度相差不大，這種硅片線痕分布規律可能與切割機臺的抖動或金剛線狀態有關[2]，具體原因本文不做具體論述。

為了更好地分析硅片線痕對成品太陽電池電性能的影響，另選800片實驗硅片根據線痕深度值的大小分為A、B兩組，A組的線痕深度為0～8 μm，B組的線痕深度為10～15 μm；每組硅片均為400片，由專人跟蹤下傳至單晶硅太陽電池產線。實驗前去除線痕深度為8～10 μm的硅片，是為了使A、B組的線痕深度無交集，這樣實驗結果會呈現出更明顯的差異性。

1.3" 實驗方案及結果分析

在單晶硅太陽電池印刷工序中，細柵和線痕有垂直和平行兩種印刷方案，下文分別對兩種方案下對成品太陽電池電性能的影響進行分析。

1.3.1" 細柵垂直于線痕對成品太陽電池電性能的影響

分別對硅片進行去除表面損傷層，堿制絨；擴散制p-n結，選擇性發射極激光重度擴散；去除磷硅玻璃及邊緣刻蝕；背面沉積AlOx層及SiNx層，正面沉積厚度約為78 nm的SiNx層；絲網印刷；燒結等工藝，最后制成PERC單晶硅太陽電池；并在某些工序對半成品太陽電池的一些工藝參數進行測試。具體包括以下工序：

1）堿制絨。由制絨機對A、B兩組實驗硅片進行堿制絨及清洗處理，去除硅片表面損傷層、金屬離子[3]，清洗制絨減薄量控制在0.4～0.5 g。為了弄清楚制絨對線痕會產生哪些影響，抽樣了若干實驗硅片，對硅片表面局部的線痕狀態及微觀結構在制絨前后分別進行了測試對比。具體涉及以下步驟：

①制絨前，對B組硅片進行抽樣，通過目測挑選出表面線痕紋路較清晰的硅片10片，利用SEM放大2600倍觀察了其中某片硅片線痕的微觀結構，可看到其無規律的切割線痕，具體如圖3所示。隨后又采用威爾高精密粗糙度輪廓儀對該10片硅片表面進行局部輪廓掃描，線痕輪廓曲線掃描過程中，設置探頭移動方向垂直于硅片線痕，掃描長度約為10 mm，得到10個輪廓曲線。從10個輪廓曲線中選出3個具有代表性的曲線，分別對應3片硅片，這3片硅片的表面線痕輪廓曲線如圖4所示。通過測試發現，這3片硅片中每片硅片在10 mm的掃描路徑長度內基本有4～5根線痕，線痕間距呈現周期性，每隔2～3 mm出現一條較深的線痕。雖然這些硅片線痕深度都在10～15 μm之間，但每個硅片線痕的分布狀態卻有很大差異；雖然都呈現V形，但開口幅度卻不同。接下來對上述3片硅片進行制絨，并跟蹤記錄其對應的花籃號。

②制絨后，取出上述3片硅片復測其線痕輪廓曲線，測試的區域盡可能與制絨前測試的區域相同，復測得到的線痕輪廓曲線結果如圖5所示。

對比圖5可以看到：相較于制絨前，制絨后硅片表面的線痕輪廓曲線未發生明顯變化。利用基恩士顯微鏡將其線痕位置放大120倍，可以看到明顯的線痕溝壑，如圖6所示。隨后利用SEM進行觀察，放大倍數分別為890和7900倍，觀察發現在微觀級別下，硅片表面均已形成完整的金字塔結構（如圖7a所示），且在線痕的溝壑處形成了較大的金字塔，塔基裸露（如圖7b所示），線痕溝壑呈現V形結構（如圖8所示）。通過以上測試可以得出：堿制絨不能夠改變硅片表面切割線痕宏觀層面的輪廓曲線，僅在微觀層面形成了金字塔結構。

2）絲網印刷與燒結。采用普遍的絲網印刷法印刷正面細柵，即采用細柵垂直于線痕的方式來印刷。從制備成的800片太陽電池中隨機抽取兩片太陽電池，每片太陽電池均選出5個細柵位置，且對應的位置均相同；利用基恩士顯微鏡對細柵高度和寬度進行測量，求取平均值，結果如圖9所示。

3）檢測。采用德國Halm公司生產的高精度I-V和EL一體化檢測系統對成品太陽電池進行電性能和EL檢測。

當采用細柵垂直于線痕的方式進行絲網印刷時，A、B組實驗硅片制成的太陽電池（下文分別簡稱為“A組太陽電池”“B組太陽電池”）的電性能測試結果如表1所示。

從表1可以看出：相較于A組太陽電池，B組太陽電池的光電轉換效率低0.15%；填充因子低0.5%，推測與串聯電阻偏大有關[2]；而兩組太陽電池的開路電壓與短路電流沒有太大差異。

對兩組太陽電池進行EL測試時發現，B組太陽電池出現了一定比例的嚴重斷柵現象，因此，從中抽選了3片太陽電池的EL圖像，這3片太陽電池均為9根主柵太陽電池，發現斷柵和表面發黑大部分集中在太陽電池邊緣，如圖10所示。利用基恩士顯微鏡能明顯看到，由于線痕寬度及深度過大，柵線在硅片線痕溝壑的位置斷開了，如圖11所示；對于個別斷柵嚴重的太陽電池，此種情況肉眼可見，如圖12所示。嚴重的斷柵會影響太陽電池的串聯電阻和填充因子，導致太陽電池光電轉換效率下降，同時降低成品太陽電池的良率。按照光伏行業內成品太陽電池質量標準，B組太陽電池因斷柵造成的降級比例約為20%。

A組太陽電池的EL測試結果基本良好，偶有輕微EL斷柵情況，但總體在可接受范圍內，不影響成品太陽電池良率。A組3片太陽電池的輕微斷柵、發黑EL圖像如圖13所示。由于這些太陽電池的線痕深度較淺，細柵可以將其填充，不會產生斷柵情況。細柵在線痕位置的填充圖如圖14所示。

綜上可知，對于表面線痕深度超過10 μm的硅片，堿制絨工藝并不能很好的改善硅片表面的平整度，V形溝壑仍然存在；且當細柵與溝壑垂直時，細柵的連續性就會受到破壞，容易形成EL斷柵和太陽電池EL發黑，同時會影響到串聯電阻和填充因子，降低太陽電池光電轉換效率和良率。

1.3.2" 細柵平行于線痕對成品太陽電池電性能的影響

同樣選取線痕深度分別為0～8 μm和10～15 μm的兩組單晶硅片，每組硅片均為400片，用于PERC單晶硅太陽電池的制備。在PERC單晶硅太陽電池制備過程中，除絲網印刷工序采用細柵平行于線痕的方式外，其他工序均與標題1.3.1中的工序一致，測試得到的C、D兩組太陽電池的電性能如表2所示。

由表2可知：此時測試得到的兩組太陽電池的電性能與標題1.3.1中得到的兩組太陽電池的電性能出現了不一樣的結果，此時C、D兩組太陽電池的光電轉換效率基本持平，且其他各項電性能參數的值也基本持平。

對兩組太陽電池進行EL測試，測試結果顯示：C組太陽電池未出現斷柵等印刷不良情況，而D組太陽電池出現了少量的印刷不良現象，表現為局部細柵印粗，如圖15所示。產生局部細柵印粗的主要原因是線痕的寬度超過了細柵的寬度，導致出現了印粗的情況，其3D掃描圖如圖16所示。按照光伏行業內的太陽電池成品質量標準，D組太陽電池因細柵印粗導致的太陽電池降級比例約為0.02%。

2" 硅片線痕對細柵的影響機理分析

在硅片線痕深度小于等于15 μm的基礎上，下文針對硅片線痕對細柵的影響機理進行分析。對于太陽電池正面細柵的絲網印刷，若定義細柵與線痕交叉處為一個結點，當結點位置的印刷載體不平整時，則容易產生斷柵。當采用細柵垂直于線痕的絲網印刷方式時，每條細柵與硅片表面所有的線痕都會相交，因此線痕越多產生的結點則越多，產生斷柵的概率就越大，具體如圖17所示。

結合圖17可以看出，結點的個數理論上是細柵根數與線痕根數的乘積，當細柵與線痕垂直

時，結點數較多，此時產生斷柵的可能性就越大。但如果細柵與線痕趨向于平行，就可以大幅減少細柵與線痕的相交概率，從而減少結點。細柵平行于線痕的絲網印刷方式示意圖如圖18所示。

結合圖18可以看出，采用此種絲網印刷方式時，理想情況下細柵與線痕不會產生結點，但會有一定的重疊概率，因此，采用細柵平行于線痕的絲網印刷方式能降低斷柵概率。但采用此種方式并不能徹底解決斷柵問題，因為線痕大多數情況下并不是一條直線，其會有一定弧度，當線痕為弓形時，細柵和線痕就會相交，且往往在相交區域產生印粗；通常線痕越深，寬度越大，對應的線痕弓形弧度也就越大，如圖19所示，這與硅片切割工藝有關，此處不作詳細論述。

3" 結論

本文首先對切割線痕在硅片表面的分布狀態及線痕形貌在硅片堿制絨前后的變化進行了量化分析，然后針對硅片表面不同線痕深度對太陽電池電性能及良率的影響進行了研究，最后在硅片線痕深度小于等于15 μm的基礎上，分析了硅片線痕對細柵的影響機理。得到以下結論：

1）金剛線切割的硅片存在多種狀態的線痕，堿制絨只是在微觀層面形成了金字塔結構，但并不能改變線痕宏觀層面的輪廓曲線。

2）切割線痕會造成硅片表面形成V形溝壑，且當細柵與溝壑垂直時，會對絲網印刷時細柵的連續性造成一定影響。

3）對于線痕深度為10～15 μm的硅片，采用細柵垂直于線痕的絲網印刷方式時，太陽電池出現了嚴重的EL斷柵及發黑，并且影響到其電性能；而采用細柵平行于線痕的絲網印刷方式時，雖存在一定概率的局部印刷粗細不均的情況，但降低了EL斷柵概率，且太陽電池電性能基本不受影響。

未來，隨著低銀漿耗量的太陽電池絲網印刷技術的開發和推廣，柵線可能會越來越細，對硅片表面的平整度要求會越來越高，從根源上解決EL斷柵問題，還需要通過有效手段降低硅片切割線痕深度，減少線痕深度大于10 μm的硅片產出比例，而降低硅片切割線痕深度將是一項艱巨任務。本文討論的方法是在不增加任何工藝成本的基礎上，采用細柵和切割線痕平行的絲網印刷方式，一定程度上緩解了硅片切割線痕對太陽電池斷柵的影響，對業內提升太陽電池光電轉換效率及良品率有積極的參考價值。

[參考文獻]

[1] 高茜，張占，任軍海.淺析多晶硅片線痕對電池的影響[J].輕工標準與質量，2013（2）：25-26.

[2] 馮濤，李保軍，馬玉通.鍺單晶切割工藝研究[J].電子工業專用設備，2009，38（8）：20-22，45.

[3] 王文靜.晶體硅太陽電池制造技術[M].北京：機械工業出版社，2013.

Research on influence of silicon wafer cutting line marks on electrical performance of solar cells

Zhang Zhimin，Wang Song，Liu Miao，Wang Guimei，Zhai Chao

（JingAo solar Co.，Ltd.，Xingtai 055550，China）

Abstract：Diamond wire cutting is currently the main cutting method for mono-Si wafers in the PV industry. However，after cutting the silicon wafer，there will be line marks on its surface. This paper first quantitatively analyzes the distribution status of cutting line marks on the surface of the silicon wafer and the changes in line mark morphology before and after alkaline velvet treatment. Then，the influence of different line mark depths on the electrical performance and yield of solar cells on the surface of the silicon wafer is studied. Finally，On the basis of the depth of line marks on the silicon wafer is less than or equal 15 μm，the influence mechanism of silicon wafer line marks on fine grids is analyzed. The following conclusion is drawn：1） Silicon wafers cut by diamond wire have multiple states of wire marks，and alkaline velvet only forms a pyramid structure at the microscopic level，but cannot change the contour curve of the wire marks at the macroscopic level. 2） Cutting line marks can cause V-shaped grooves to form on the surface of silicon wafers，and when the fine grid is perpendicular to the line marks，it will have a certain impact on the continuity of the fine grid during screen printing. 3） For line marks with a depth of 10～15 μm，when using screen printing with fine grids perpendicular to the line marks，the solar cells experienced severe grids breakage and blackening discovered by EL testing，which affected the electrical performance of solar cells. When using the screen printing method with fine grids parallel to the line marks，the probability of grid breakage discovered by EL testing is reduced，and the electrical performance of the solar cell is basically not affected，but there is a certain probability of local uneven printing thickness. This study has positive reference value for improving the photoelectric conversion efficiency and yield of solar cells.

Keywords：solar cells；diamond wire cutting；line marks；mono-Si wafer；grids breakage discovered by EL testing