多晶硅片酸蒸氣刻蝕制絨技術(shù)研究.pdf

1、光伏電力是最具發(fā)展前景的清潔能源。光伏電力發(fā)展的主題之一依然是降低成本。國(guó)內(nèi)外光伏電力主要基于硅片太陽(yáng)電池。近年來(lái)發(fā)展的金剛石線(xiàn)鋸切割硅片技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)的砂漿線(xiàn)鋸切割技術(shù)使成本有可觀(guān)幅度的降低，2014年以來(lái)已全面應(yīng)用于單晶硅太陽(yáng)電池硅片生產(chǎn)。然而多晶硅太陽(yáng)電池片卻迄今不能得益于這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步。其原因是金剛石線(xiàn)鋸切割的多晶硅片與現(xiàn)行酸性濕法制絨技術(shù)不能兼容，國(guó)內(nèi)外迄今仍沒(méi)有理想的低成本替代技術(shù)。本研究組前期研究開(kāi)發(fā)了一種基于氫氟酸-硝酸混合

2、酸溶液熱蒸氣刻蝕作用的氣相刻蝕制絨方法（簡(jiǎn)稱(chēng)VE制絨），對(duì)金剛石切割硅片具有良好的制絨效果，但其均勻穩(wěn)定性尚不夠理想，需要深入研究理解其絨面形貌的形成機(jī)理和控制方法，以發(fā)展成為一項(xiàng)有生產(chǎn)應(yīng)用前景的技術(shù)。這是本文研究的主要意義和目的。近年來(lái)美國(guó)開(kāi)發(fā)出一種低成本的直接生長(zhǎng)法多晶硅片，同樣面臨與傳統(tǒng)多晶硅酸性濕法制絨不兼容問(wèn)題，本文對(duì)這種硅片也進(jìn)行了VE制絨初步研究。
　　對(duì)蒸氣源混合酸溶液的配比、溶液溫度、硅片預(yù)熱保溫方式、刻蝕時(shí)間等

3、VE制絨工藝條件對(duì)刻蝕動(dòng)力學(xué)和制絨效果的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，采用失重分析考察刻蝕動(dòng)力學(xué)，采用光反射率、表面粗糙度和表面微觀(guān)形貌表征制絨效果。結(jié)果顯示，VE制絨初期一般快速形成10微米以上直徑的大而淺的刻蝕坑，且沿線(xiàn)痕方向連接成淺溝槽坑，絨面光亮，反射率較高；隨后會(huì)形成大量1-5微米直徑的小刻蝕坑，刻蝕坑深寬比增大，反射率降低；繼續(xù)進(jìn)行下去則又會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜納米尺度蝕坑。各工藝條件都能夠影響從初期到后期不同階段的時(shí)間和發(fā)展程度，從而影響

4、到最終所得絨面蝕坑的形貌、大小、均勻性及穩(wěn)定性。
　　研究發(fā)現(xiàn)并提出VE制絨的“微液滴刻蝕機(jī)理”：晶體硅表面的VE刻蝕制絨，實(shí)際上并非是由酸溶液蒸氣刻蝕而是由它在硅片表面凝結(jié)形成的微液滴的局域刻蝕作用而產(chǎn)生的；刻蝕過(guò)程中的反應(yīng)放熱及其對(duì)硅片溫度的影響和演變對(duì)刻蝕效果有著關(guān)鍵作用。常溫下開(kāi)始制絨的硅片的VE過(guò)程大致分為以下三個(gè)階段：
　　初期液膜刻蝕階段：初期硅片溫度尚較低，酸蒸氣在硅片上冷凝成片且迅速擴(kuò)展?jié)櫇窆杵砻嫘纬梢耗?/p>

5、，以液膜為載體刻蝕硅片，去除表面損傷層，淡化切割痕帶來(lái)的表面性質(zhì)差別，此為第一階段‘液膜刻蝕階段’。此階段類(lèi)似于濕法酸刻蝕，與之有著一致的刻蝕反應(yīng)機(jī)理和刻蝕形貌。
　　中期微液滴刻蝕階段：隨刻蝕反應(yīng)大量放熱，硅片升溫，液膜蒸發(fā)收縮破裂成微液滴，以及不斷凝結(jié)新生的微液滴，以微液滴為載體刻蝕硅片，形成均勻分散的微米級(jí)蝕坑。這種局域刻蝕點(diǎn)的分布由外來(lái)凝結(jié)點(diǎn)決定，而不是循硅片表面切割紋分布，因此它能解決金剛石切割多晶硅片的制絨問(wèn)題，消除表

6、面切割紋。
　　后期復(fù)雜循環(huán)刻蝕階段：隨著刻蝕繼續(xù)進(jìn)行，硅片局部或整體溫度高于酸蒸氣溫度，微液滴細(xì)化至納米尺度及至消失，過(guò)程中產(chǎn)生亞微米或納米尺度蝕坑，反應(yīng)放熱減緩，使硅片溫度下降，到一定程度后微液滴的凝結(jié)復(fù)而發(fā)生，而刻蝕亦復(fù)而進(jìn)行…如此不斷往復(fù)循環(huán)，形成亞微米或納米尺度蝕坑形貌。這一過(guò)程中硅片溫度處在酸蒸氣的凝結(jié)-蒸發(fā)臨界點(diǎn)附近，刻蝕形貌具有由臨界現(xiàn)象帶來(lái)的復(fù)雜特征。復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)能夠大幅提高表面減反射效果，但同時(shí)卻使后續(xù)電池工藝

7、困難，其利用需慎重對(duì)待。目前本VE制絨技術(shù)不包括這一階段。
　　基于上述“微液滴刻蝕機(jī)理”和VE三階段特性，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文對(duì)金剛石線(xiàn)鋸切割多晶硅片表面VE制絨的形貌控制提出了一系列的工藝條件，并顯著改進(jìn)了其均勻穩(wěn)定性，形成了一種刻蝕時(shí)間60秒的有量產(chǎn)前景的VE制絨工藝，所得絨面為均勻密布的微米級(jí)蝕坑，其平均光反射率低于18％。
　　研究發(fā)現(xiàn)VE制絨對(duì)直接生長(zhǎng)法多晶硅片也具有良好效果，平均光反射率可降低到15%。所提出