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光伏產業在新能源發展規劃中占有重要地位

光伏產業在新能源發展規劃中占有重要地位,目前多晶硅太陽能電池已經成為太陽能電池市場主流。硅片表面絨面的質量對太陽能電池轉換效率有重要影響,多晶硅表面制絨技術也越來越受到世界各國的重視。掌握多晶硅表面制絨技術的原理及特點對提高表面絨面質量十分重要。首先分析多晶硅表面制絨的技術要求,隨后根據不同的技術原理,依次對干法制絨技術、濕法制絨技術以及掩膜制絨技術進行綜述,詳細分析不同制絨技術的技術特點并闡述其應用實例,隨后從絨面質量、制絨效率、成本以及環保性等方面對多晶硅制絨技術進行評述,最后對多晶硅制絨技術的發展趨勢進行預測。
 引言
太陽能是最重要的清潔可再生能源,預計到2040年太陽能總裝機容量將占全球發電量的15%~20%[1]。根據2013年國務院出臺的“光伏國八條”,2015年光伏發電裝機容量將達35GW,占總裝機容量的2.4%[2]。大規模利用太陽能發電的關鍵是制備低成本、高效率的太陽能電池。單晶硅的拉棒工藝復雜,且硅料成本較高;而多晶硅的鑄錠工藝簡單,且方形鑄錠硅料利用率高,顯著降低了成本,目前國際市場上98%以上的光伏電池均為多晶硅太陽能電池[3]。
 
普通平面硅片對太陽光具有一定的反射(400~1000nm波長范圍內反射率為30%~40%),因此在太陽電池的生產工藝中,需要在硅片表面加工出具有減反效果的微結構(即絨面)以提高轉換效率,具體有益效果包括:(1)對光進行多次反射,提高太陽光在硅片表面的吸收效率,增加短路電流Isc;(2)延長光在硅中的光程,增加光生載流子的數量;(3)曲折的絨面可增加P-N結面積,增加對光生載流子的收集率;(4)少子壽命的延長可改善太陽能電池的長波光譜響應(紅光響應)。
 
根據美國國家可再生能源實驗室(NREL,NationalRenewableEnergyLaboratory)的統計,目前單晶硅電池最高效率為27.6%(2004年美國Amonix公司創造),相較而言多晶硅電池效率最高僅為20.4%(2004年德國Fraunhofer-ISE創造)。其中一個重要因素是目前單晶硅絨面減反效果明顯優于多晶硅。晶相分布均勻的單晶硅通過各向異性堿腐蝕獲得均布密集的金字塔微結構,可實現10%以下的平均反射率;而多晶硅內部存在晶界,采用酸腐蝕方法制得絨面平均反射率在20%以上,從而影響電池整體效率的提升。根據“光伏國八條”,新上產能的多晶硅電池效率需不低于18%。因此對多晶硅表面制絨方法的技術特點、發展現狀以及發展趨勢進行分析、綜述和預測是很有意義的。
 
本文首先分析多晶硅表面制絨的技術要求,隨后根據技術原理的不同,依次對干法制絨技術、濕法制絨技術以及掩膜制絨技術進行綜述,分析不同制絨技術的技術特點,隨后從絨面質量、制絨效率、成本以及環保性等方面對多晶硅制絨技術進行評述,最后對多晶硅制絨技術的發展趨勢進行預測。
 1多晶硅制絨的技術要求
 多晶硅制絨的技術要求主要包括兩方面:
 (1)絨面形貌。要求多晶硅表面能夠均勻、全面的覆蓋一層表面微結構,具體包括:①絨面微結構大小及結構參數。絨面單個微結構尺寸小有利于增加入射太陽光在微結構內部的光程,從而增強光陷阱作用,提高減反效果;②絨面分布均勻性。絨面需完全覆蓋多晶硅表面,其有益性表現為:絨面均勻性越好,擴散形成的P-N結越平整,電池開壓越高;絨面均勻性直接影響PEVCD鍍膜時間;絨面均勻性影響絲網印刷工藝的漿料填充性以及工件的碎片率。
 
(2)絨面表面質量。線切割以及制絨過程會給硅片表面帶來裂紋、晶格畸變等表面/亞表面損傷。裂紋面上有大量硅原子的懸掛鍵,易使少子復合;某些晶格位錯面也含有大量懸掛鍵,且晶格畸變對載流子有嚴重的散射作用從而影響遷移率。此外,在裂紋與位錯中易殘存大量金屬雜質原子等深能級雜質,也會嚴重影響Isc,進而影響轉換效率。因此,制備完成的絨面需要保證其表面質量的完整性。
 
目前多晶硅表面制絨方法分為干式制絨技術(主要包括機械刻槽、激光加工、反應離子蝕刻加工技術)以及濕式制絨技術(主要包括酸性蝕刻及堿性蝕刻技術)。此外,基于掩膜的蝕刻技術可實現較為理想的蜂房結構(Honeycomb)絨面。
 2干式制絨技術
 2.1機械刻槽
 通過使用V形刀具刻劃實現多晶硅片表面的刻槽,從而制成微結構絨面并達到減反效果。該方法工藝難度一般,容易實現,且對環境較為友好;其缺點為:(1)要求被加工硅片具有超過200μm的硅片層,硅料成本高;(2)會在多晶硅表面帶來機械損傷,需要后續腐蝕工藝去除;(3)由于硅材料的硬脆特性,長期使用需要考慮刀具的磨損;(4)較深的溝槽會影響后續電極的制作。德國Konstanz大學Zechner等[4]使用該方法在德國Eurosil多晶硅片上刻槽,基片厚度200μm,槽深40~60μm,其所制備的絨面結構以及顯微觀察結果如圖1所示,其在350~1000nm波長范圍內的平均反射率為18.4%。
 
2.2激光制絨
 
激光制絨是各向同性制絨方法,其原理是利用高能激光脈沖輻照硅片表面使局部材料急劇升溫、熔化、氣化,在光輻照區形成凹凸的表面微結構。激光制絨加工如圖2所示,一般選用納秒級激光,經過光學系統匯聚后在多晶硅表面進行路徑掃描。
 

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波蘭西里西亞工業大學Dobrza ski等采用脈沖Nd∶YAG激光器(波長1064nm、頻率15kHz,激光束光斑半徑10μm)進行了多晶硅制絨試驗,掃描速度50mm/s,溝槽間距50μm。先后研究了“之”字形掃描制得的平行溝槽(如圖3所示)[5]和“井”字形掃描制得的網格狀溝槽(如圖4所示,已去除40μm損傷層)[6]的減反效果。由于激光加工引入的表面/亞表面損傷,還需要使用20%的KOH溶液對硅片表面進行腐蝕。結果表明,腐蝕去除厚度為40μm時平行溝槽與網格溝槽均可達到Isc和Uoc的最大值,此時絨面平均反射率分別為21.21%與16.38%(波長范圍300~1100nm),但是在激光刻槽交叉處表面損傷較大且難以清洗。中北大學王學孟等[7]發現平行刻槽過程中,當掃描功率、脈沖頻率和掃描速度等參數達到某種特定關系時,由于激光刻蝕產生的等離子體吸收,會形成“凹槽-凹坑”二維陷光結構,腐蝕前的平均反射率僅為6.9%(波長范圍400~1100nm);該制絨方法具有潛在的實用價值。
 
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激光制絨的缺陷為:(1)引入裂紋、層積、相變等表面/亞表面損傷,導致復合電流增大,需要腐蝕去除表面/亞表面損傷層。腐蝕后絨面減反效果減弱,腐蝕深度等工藝參數須優化。(2)由于引入損傷層,對硅片初始厚度有要求,增加了硅料成本。
 2.3反應離子蝕刻
 反應離子刻蝕(Reactiveionetching,RIE)制絨工藝是將清洗后的硅片置于含有SF6、O2的氧化性混合氣體中,在高頻射頻(Radiofrequency,RF)電場下氣體輝光放電將氣體電離分解為包含自由基、離子和自由電子的等離子體,綜合等離子體受電場作用加速撞擊硅片的物理效應和游離活性化學基的化學刻蝕作用,在多晶硅表面形成納米級的微金字塔陣列(如圖5所示),其加工裝置如圖6所示。
 
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RIE蝕刻過程中,SF6首先在電子沖擊下發生電離分解反應:
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式中:x∈[3,6]。隨后硅為生成的F所腐蝕,并生成自解吸附可揮發的SF4:
 
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該腐蝕過程近似各向同性腐蝕,垂直方向蝕刻速率與側壁蝕刻速率一致,因此需要加入O2等其他氣體以實現選擇性蝕刻。O2和SF+x反應可以形成SO2和SOF4,避免SFx+與F復合反應,從而增大F原子濃度并提升刻蝕速率。另一種生成物為硅表面的鈍化層SiOxFy,此鈍化層對側壁則起到刻蝕保護作用,從而實現高深寬比的各向異性刻蝕[8]。
 
RIE制絨工藝的優點為:(1)絨面小且分布均勻,減反效果好;(2)通過調節電場參數、混合氣體比例、蝕刻時間等工藝參數,可實現反射率在1%~20%的范圍內可控;(3)可用于較薄硅片的制絨,且蝕刻厚度一般為3~5μm,節約硅料成本。
 
Yoo等[9]使用頻率13.56MHz、功率100W的RF電源,控制SF6與O2比例為2:5,氣壓24.6Pa,蝕刻15min時所制得絨面平均反射率(波長范圍300~1200nm)為13.3%(絨面形貌見圖5)。韓國Park等[10]在混合氣體中加入Cl2,利用Cl2減慢蝕刻速率,有利于控制絨面形貌。在系統功率為120W時絨面平均反射率為14%左右(波長范圍330~1100nm),但Cl2對環境有不利影響。
 
RIE制絨工藝的缺點為:(1)離子轟擊帶來的晶格損傷等表面/亞表面損傷,以及殘留在表面的不可揮發反應生成物,會增加表面復合。需要通過酸洗(去除反應生成物)、堿洗(去除表面/亞表面損傷)等工藝去除損傷層。清洗會增加反射率(文獻[10]中反射率平均上升2.89%)。(2)需要等離子炬及相應的控制系統,且需要低溫泵和濺射離子泵相結合以滿足極高的真空度要求,設備成本高。
 3濕式制絨技術
 3.1酸性蝕刻技術
 
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酸蝕是目前業界主要使用的多晶硅制絨工藝,其采用HF、HNO3與水混合的酸性腐蝕液,在某種反應溫度下(一般為8~10℃)通過酸性腐蝕破壞Si-H鍵,在硅片表面形成孔坑結構絨面(如圖7所示,該絨面在300~1000nm波長范圍內平均反射率約為25%,腐蝕液中HF、HNO3、H2O配比為24:40:36,腐蝕溫度10℃,腐蝕時間2min)。其化學過程可用式(4)-式(6)表示[11]:
 
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基本化學過程為:HNO3在多晶硅表面生成一層氧化層,隨后該氧化層被HF腐蝕,實際反應過程非常復雜。近期研究表明,反應中生成的NO與NO2會溶于水生成不穩定的HNO2,后者水解生成具有很強活性的NO+(三價氮),這些三價氮在硅表面的氧化過程中起了主導作用[12]。
 
酸蝕制絨工藝優點為:(1)工藝較為簡單;(2)成本相對較低;(3)腐蝕孔坑結構最先開始于線切割帶來的裂紋等表面損傷處,從而在制絨同時實現表面機械損傷的去除,提高了制絨效率。2010年荷蘭能源研究中心Tjengdrawira等[14]研制出效率為17.8%的多晶硅太陽能電池,其中使用了改進的基于HF/HNO3配方腐蝕液的酸蝕制絨工藝。在經過8道工序實現的1.8%的效率提升量中,酸蝕制絨工藝提供了0.3%的效率提升量。國內上海交通大學、北京交通大學、蘇州大學、鄭州大學、新余學院等高校以及英利能源、潞安環能、黃河光伏等太陽能企業均對多晶硅酸蝕制絨工藝進行了研究。其中郎芳等[15]以英利太陽能公司生產的硼摻雜P型多晶硅(厚度180μm,尺寸156mm×156mm)為樣片進行酸蝕制絨(腐蝕液由40%的HF溶液、65%的HNO3溶液和去離子水按比例混合而成)。大量樣品的測試結果表明,多晶硅絨面的反射率一般為22%~28%,反射最小的可以達到20%左右,并確定使電池效率達到最優的腐蝕深度約為4.0~4.25μm。
 
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酸蝕絨面減反效果取決于絨面的結構參數。新南威爾士大學Li等[13]將絨面的單個微結構近似為圓弧坑,建立了酸蝕絨面的減反效果模型,發現減反效果隨絨面微結構深寬比(h/D)增大而增強(如圖8所示)。南昌大學劉志凌等[16]建立了改進的酸蝕絨面減反效果模型,并得到與文獻[13]相似的結論。但是絨面織構太深會引起并聯電阻減小,反向電流增大,甚至擊穿,因此需要選擇合適的織構深度。酸蝕絨面微結構深度與腐蝕液配比以及腐蝕時間有關,因此需要根據減反效果對酸蝕工藝進行優化。
 
腐蝕厚度也是酸蝕制絨工藝的重要參數。考慮到節約硅料成本,目前線切割硅片厚度趨勢為100μm。線切割的兩個切割面會有5~7μm的損傷層。減反效果與腐蝕厚度存在相互矛盾:腐蝕厚度過小,線切割損傷層(晶體缺陷)去除不充分,表面易產生復合,少數載流子壽命減短,影響Isc以及效率;腐蝕厚度過大,則腐蝕時間長導致表面孔坑微結構尺寸增大、減反效果變差且硅片強度變弱。
 
酸蝕工藝的缺點為:(1)絨面穩定性不好及質量難控制,且減反效果一般;(2)所使用的HF、HNO3以及反應生成的H2SiF6與NOx廢氣對環境影響很大;(3)多晶硅表面生成的孔洞末端易產生晶體位錯,從而導致多晶硅電池P-N結在承受一定的反向偏壓時極易發生雪崩擊穿(如圖9所示,其中針對傳統酸蝕制絨工藝的缺陷,目前對傳統酸蝕制絨工藝的改進主要包括以下幾方面:
 
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(1)在腐蝕液中加入添加劑改善腐蝕效果,提高絨面質量。目前主要的添加劑包括:①硫酸(H2SO4)、磷酸(H3PO4)等酸類。它們作為反應過程的穩定劑,主要作用為增加腐蝕液粘度,控制腐蝕速率。但黏度增加會影響氣泡的逸出,進而影響絨面的均勻性。②亞硝酸鈉(NaNO2)。亞硝酸鈉為腐蝕液提供初始NO+,從而縮短反應的激活時間;同時亞硝酸鈉為強電離鹽,能夠抑制亞硝酸的電離,讓反應更加柔和。
 
錢勇等[12]將HNO3用NaNO2替代,發現使用NaNO2時腐蝕坑的深度大于傳統的酸刻蝕,且密度分布比較均勻,平均反射率下降了8%左右。③醇類等有機溶劑。其作用包括:降低反應液的表面張力,使生成氣體快速逸出;增加腐蝕液在多晶硅表面的濕潤性,使腐蝕液在多晶硅表面浸潤的更加均勻從而提高制絨質量;溶解硅片在切割后的有機物殘留;起緩沖劑的作用,控制反應速度。
 
(2)將電化學腐蝕工藝與酸蝕工藝相結合。采用鉑絲或石墨作為陰極,多晶硅片作為陽極,含HF和有機溶劑的混合溶液作為電解液。表面硅在電解過程中失去電子,形成的空穴會減弱表面硅的硅氫鍵,從而使氟離子更易與硅結合,但是多孔硅結構的形成機理目前尚處于研究之中。電化學酸蝕所制備的多孔硅絨面可實現超低的反射率[18],但是其在實際應用中面臨以下問題:①若先制備多孔硅層再做擴散工藝,則后續工藝中的酸洗堿洗會使多孔硅幾近消失。②若先做擴散工藝再制備多孔硅層,則多孔硅層的形貌及性能的長期穩定性較差,易導致表面復合,影響少數載流子壽命[19]。因此電化學制備多孔硅絨面目前難以應用于多晶硅太陽能電池的量產化工藝中。
 3.2堿性蝕刻技術
 多晶硅堿蝕制絨工藝多采用一定濃度的NaOH溶液(或KOH溶液,但由于KOH成本高于NaOH,在工業生產中應用不多)在一定的溫度下進行腐蝕,腐蝕化學過程為:
 
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雖然也可通過堿蝕增加硅片表面粗糙度從而降低太陽光反射率,但由于多晶硅晶粒取向不一導致堿蝕呈各向異性,在腐蝕過程中堿和各晶面的反應速度不一致,易產生臺階(如圖10所示),從而影響后續絲網印刷電極等工藝。因此,堿性蝕刻技術在工業中的應用受限。
 
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但由于多晶硅堿蝕工藝難度低,且相對于酸蝕制絨工藝而言其環保性好(僅在清洗工藝中需要低濃度HF及HCl),因此多晶硅堿蝕制絨工藝一直得到各科研機構的關注,并有多種改進方法被提出。常見方法為采用NaOH/NaClO混合腐蝕液,其中NaClO的作用為強氧化劑,其與多晶硅的反應為:
 
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該反應會在硅片表面形成一層SiO2薄膜,NaOH需要先腐蝕掉這層SiO2薄膜,從而阻止NaOH的快速各向異性腐蝕,其優點在于:(1)有效控制腐蝕速率,從而大幅減小不同晶面之間產生的臺階高度,利于后續工序處理;在高濃度(>40%)高溫(100℃)NaOH溶液中硅的腐蝕速率可大于10μm/min,而在NaOH濃度為20%、NaOH與NaClO比例1∶1、腐蝕溫度為80℃時,腐蝕速率可控制在0.8μm/min左右[20]。(2)利于控制反應速率,可實現腐蝕厚度的精確控制。(3)反應過程中產生的Cl-可以去除部分金屬雜質。
 
Gangopadhyay等[20]研究了不同的NaOH/NaClO配比對制絨效果的影響,發現當NaOH濃度為5%、NaOH與Na-ClO比例1∶3時,所制得絨面的平均反射率(波長范圍300~1100nm)最低可達20.5%左右。王坤霞等[21]研究了在NaOH溶液中加入添加劑對絨面效果的影響,通過加入一種添加劑首次觀察到了堿液刻蝕出的密集均勻分布的陷阱坑,絨面平均反射率為20.5%(波長范圍400~900nm)。由于成本低、工藝簡單且環境友好,堿蝕制絨工藝在多晶硅太陽能行業中有重要的潛在應用價值。
 
近年來多晶硅的電化學堿腐蝕得到關注,其是在腐蝕槽內將硅片接電源正極,貴金屬鉑片接電源負極,利用外加電場提供空穴排斥硅表面懸鍵的氫原子,隨后失去氫鈍化的硅被堿液腐蝕。電化學堿腐蝕方法的優點在于:(1)電化學腐蝕不受多晶硅的晶粒取向無規則的局限,在恒定電壓下可實現各向同性腐蝕;(2)可以通過控制腐蝕電壓等條件更加方便地控制反應速度[22]。Abburi等[23]在經過10min預腐蝕的多晶硅片上通過電化學堿蝕(電壓40V,腐蝕溫度50℃,KOH質量分數22.4%,腐蝕時間10min)得到了平均反射率最低為17%的絨面。
 4掩膜輔助蝕刻技術
 3.1節中闡述了絨面的減反效果隨絨面微結構深寬比的增大而增強。傳統的整體蝕刻難以實現高深寬比且分布均勻的絨面,由此出現了掩膜輔助蝕刻技術,其基本加工流程如圖11所示:先在工件表面鍍一層掩膜(圖11(a)),在掩膜表面生成規則的微孔陣列(圖11(b)),隨后進行整體蝕刻(圖11(c)),最后將掩膜腐蝕去除從而得到微結構形態及分布可控的蜂房狀絨面(圖11(d))。1998年新南威爾士大學趙建華等[24]首先提出了掩膜蝕刻工藝,在厚度大于200nm的SiO2掩膜上使用光刻工藝加工出規則排列的直徑4μm的微孔(圖12),接著基于HNO3與HF比例50∶1的腐蝕液對掩膜下面的多晶硅進行腐蝕,最后使用緩沖HF腐蝕液除去掩膜,從而加工出截面輪廓為半圓的蜂房狀絨面(圖13),最終完成的電池效率達19.8%。德國弗萊堡大學Volk等[25]結合SiNx掩膜、皮秒激光打孔及噴灑腐蝕法(Sprayetchingmethod)加工出深度15μm、寬度為31.5μm的蜂房狀結構絨面,最低反射率可達17.5%。
 
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然而各向同性的酸蝕只能獲得深寬比小于0.5的蜂房結構,2003年德國Fraunhofer-ISE采用RIE代替酸蝕,獲得深寬比大于1的蜂房結構(圖14),平均反射率僅為12%(清多晶硅表面制絨技術研究現狀/周兆忠等·59·洗表面損傷后升至14%)[26]。2004年Fraunhofer-ISE基于此技術開發了目前效率最高的多晶硅太陽能電池(效率20.4%)。
 
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掩膜制作需要采用PEVCD鍍膜方式,而掩膜制孔則需要激光設備,從而導致加工成本較高。為了能使該方法實用化,Fraunhofer-ISE又試驗了多種方法,包括基于聚二甲基硅氧烷印章(PDMSStamper),UV納米壓印技術的掩膜制作方法[27],基于噴墨打印原理及熱熔膠材質的Inkjetmask掩膜制作方法[28]。掩膜RIE蝕刻工藝可以實現高深寬比且分布均勻的蜂房狀絨面制作,絨面微結構的尺寸參數及分布的可控性好。RIE的加工特性使蜂房內壁呈現一定的粗糙性,且可適用于薄型硅片(100μm)的制絨。該方法具有潛在的應用價值,但在加工成本及加工效率方面仍有待完善。
 5多晶硅制絨技術綜述
 上述制絨方法的性能指標對比如表1所示。
 
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絨面的減反效果取決于其表面微結構的形貌。絨面微結構尺寸越小,分布越均勻,則越有利于光阱效果的產生。而王坤霞等[29]的研究表明:具有同樣尺寸及均勻性的絨面,減反效果依次為:表面粗糙的“U”形絨面>表面粗糙的“V”形絨面>表面光滑的“V”形絨面>表面光滑的“U”形絨面。RIE生成的絨面為密集分布的微金字塔陣列,從而減反效果最好。激光刻槽可生成分布均勻的尺度為微米級的“U”型坑狀絨面,且絨面表面清洗后仍具有更小尺度的微結構,因而也可實現較好的減反效果。機械刻槽技術雖然可以制備均勻分布的絨面,但其“V”型槽尺寸較大且表面較為光滑,因此減反效果一般。而濕法制絨技術難以控制絨面的均勻性,為了去除前道工序的機械損傷需要保證蝕刻深度從而增大了表面微結構的尺寸,且生成的“U”型或“V”型微結構表面較為光滑,因此平均反射率最高。制絨效率取決于制絨方法的原理,酸蝕、堿蝕等濕法腐蝕方式可在制取絨面的同時去除前道線切割工藝留下的表面機械損傷及雜質,制絨效率最高。而激光加工、機械刻槽以及RIE制絨方法均會在加工過程中引入表面/亞表面損傷或表面生成物,需要后續的清洗工序,從而影響了加工效率;且酸蝕、堿蝕可以在制絨槽中放置多塊工件同時進行制絨加工,而其他3種方法目前主要針對單片工件的加工。對酸蝕、堿蝕、RIE三種蝕刻制絨方法而言,酸蝕的蝕刻效率最高(可達100μm/min),而機械刻槽、激光刻槽的蝕刻效率相近(均為0.8~1μm/min)。
 
制絨成本主要包括兩部分:設備成本與硅料成本。激光加工需要激光器,且由于激光燒蝕引入亞表面損傷,對硅片的厚度有一定要求。RIE需要專用設備,且反應環境要求很高的真空度,因此其設備成本很高,但是對硅片厚度不敏感,因此硅料成本較低。機械刻槽需要開發專用刻槽刀具,需要考慮刀具磨損,且對硅片厚度敏感,硅料成本高。酸蝕、堿蝕使用槽式制絨設備,結構簡單,設備成本低,且在蝕刻速率可控的前提下對硅片厚度不敏感,硅料成本低。
 
目前的多晶硅制絨技術對環境都存在一定影響,其中機械刻槽與激光刻槽環保性最好(僅需堿性和酸性清洗液清洗破壞層及表面生成物);RIE過程中雖然SF6呈惰性且無毒,但會產生SF4等有毒氣體,也需要堿性和酸性清洗液清洗破壞層及表面生成物,環保性次之;堿蝕需要大量堿性蝕刻液,也需要酸洗去除表面雜質;酸蝕大量使用劇毒的HF蝕刻液,過程中產生氮氧化物,環保性最差。綜合考慮減反效果、制絨效率、加工成本等因素,盡管對環境影響很大,目前酸蝕仍然在多晶硅太陽能電池量產流程的制絨工藝中占主導地位。隨著人類傳統能源的日益緊缺,太陽能電池的需求不斷增大,必須考慮量產過程中的環保問題,因此在保證制絨效果及量產成本的前提下,亟需一種高效、高質量、低成本、環保的多晶硅制絨方法。
 6多晶硅制絨技術展望
 依據對現有多晶硅制絨方法的分析,并結合多晶硅制絨研究領域最新的研究進展,本文對多晶硅制絨技術的發展趨勢做如下展望:
 
(1)對現有量產方法的工藝進行研究,進一步提高制絨效率、絨面質量并降低成本。如Kulesza等[30]對傳統酸蝕制絨工藝的HF、HNO3、CH3COOH/H2O配比進行了優化,將酸蝕時間縮減至60s。Chen等[31]發現酸蝕、堿蝕均無法完全去除線切割工序帶來的多晶硅表面損傷,通過在腐蝕工藝后增加蒸汽噴射蝕刻(Vaporblastetching)工序,可完全去除表面損傷且絨面反射率僅為19%。
 
(2)將現有未能應用于量產的方法進行實用化研究,以提高加工效率、降低成本。其中,批量生產中多晶硅片厚度的減薄化是大的趨勢,相應的干式RIE制絨方法由于具有對硅片厚度不敏感、反應速率可控、制絨效率中等、環境影響較小等優勢,成為現階段多晶硅制絨技術實用化研究的熱點。
 
(3)探索基于其他原理的制絨方法。如吳立群等[32]提出基于超聲駐波的多晶硅濕法制絨技術,利用所構造的二維超聲駐波場控制腐蝕溶液中的反應粒子,可實現平均反射率為8%的低反射率絨面。
 
(4)復合制絨工藝。綜合多種制絨原理的優勢,實現絨面微結構的優化。如Liu等[33]與Basu等[34]均提出RIE與傳統酸蝕結合的多晶硅復合制絨法,在酸蝕絨面上通過RIE疊加密集分布的山脊狀微結構,可實現極佳的減反效果。
 


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