晶硅太陽(yáng)電池工業(yè)生產(chǎn)中制絨工藝與設(shè)備設(shè)計(jì)要點(diǎn)

于靜，王宇，耿魁偉

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京燕郊065201；2.揭陽(yáng)中誠(chéng)集團(tuán)有限公司，廣東揭陽(yáng)522000；3.華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，廣州，510641)

隨著對(duì)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域研究的不斷深入，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率和降低生產(chǎn)成本已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的核心所在。目前光伏市場(chǎng)上的主導(dǎo)產(chǎn)品仍是晶硅太陽(yáng)電池，包括單晶硅與多晶硅兩大類(lèi)，用p型(或n型)硅襯底，通過(guò)磷(或硼)擴(kuò)散形成pn結(jié)制作而成，生產(chǎn)技術(shù)及工藝比較成熟，其工藝流程為：

制絨→磷擴(kuò)散→等離子刻蝕→去PSG→PECVD→背電極

印刷→背電場(chǎng)印刷→正電極印刷→燒結(jié)→測(cè)試分檔[1，2]

為了得到更高品質(zhì)的產(chǎn)品，企業(yè)都會(huì)在各個(gè)環(huán)節(jié)的細(xì)節(jié)上做功夫。

1 制絨的原理

制絨是晶硅電池的第一道工藝，又稱(chēng)“表面織構(gòu)化”，對(duì)于單晶硅來(lái)說(shuō)，制絨是利用堿對(duì)單晶硅表面的各向異性腐蝕，在硅表面形成無(wú)數(shù)的四面方錐體。目前工業(yè)化生產(chǎn)中通常是根據(jù)單晶硅片的各項(xiàng)異性特點(diǎn)采用堿與醇的混合溶液對(duì)<100>晶面進(jìn)行腐蝕，從而在單晶硅片表面形成類(lèi)似“金字塔”狀的絨面，如圖1所示。

圖1 電子顯微鏡下的單晶硅表面絨面效果

金字塔形角錐體的表面積S等于四個(gè)邊長(zhǎng)為a的正三角形SΔ之和，可計(jì)算得表面積S為：

圖2 光線在絨面中的多次反射

2 主要生產(chǎn)工藝要求及影響因素

目前在大工業(yè)生產(chǎn)中一般采用成本較低的氫氧化鈉或氫氧化鉀稀溶液(濃度為1%～2%)來(lái)制備絨面，腐蝕溫度為80℃±5℃。另外，為了有效地控制反應(yīng)速度和絨面的大小，會(huì)添加一定量的IPA作為緩釋劑和絡(luò)合劑。

理想的絨面效果，應(yīng)該是金字塔大小均勻，覆蓋整個(gè)表面。金子塔的高度在3～5μm之間，相鄰金字塔之間沒(méi)有空隙，具有較低的表面反射率。如圖3。

圖3 較為理想的絨面效果

影響絨面效果的因素是多方面的，比如原材料本身的清潔程度、制絨液各組分的比例、溶液體系的均衡性、溫度穩(wěn)定性、反應(yīng)時(shí)間、槽體結(jié)構(gòu)、密封性能等。

3 制絨設(shè)備設(shè)計(jì)要點(diǎn)

自經(jīng)濟(jì)危機(jī)以來(lái)，光伏行業(yè)從危機(jī)之前的火爆中冷靜下來(lái)，進(jìn)入了穩(wěn)定發(fā)展時(shí)期，太陽(yáng)電池的工藝技術(shù)也從原來(lái)的粗曠型加工，到現(xiàn)在的更加趨于高品質(zhì)和精細(xì)化。

單晶硅的絨面制備，能夠有效地提高電池轉(zhuǎn)換效率，由于市場(chǎng)的變化，對(duì)絨面質(zhì)量的要求也變的越來(lái)越高，如何做出高質(zhì)量的絨面，不僅僅是工藝技術(shù)的問(wèn)題，還需要與優(yōu)異的設(shè)備進(jìn)行配合，而設(shè)備的相關(guān)性能也決定了工藝的效果。

針對(duì)市場(chǎng)變化的需求，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所研制開(kāi)發(fā)了適應(yīng)于大規(guī)模生產(chǎn)、可靠性高，單、多晶硅片的SFQ-1508ZT型全自動(dòng)制絨清洗設(shè)備(見(jiàn)圖4)。

圖4 SFQ-1508ZT型全自動(dòng)制絨清洗設(shè)備

3.1 設(shè)備概述

設(shè)備共配置14個(gè)工藝槽位(除上、下料位外)，用戶在手動(dòng)上料后全過(guò)程由三套機(jī)械傳動(dòng)裝置完成腐蝕、清洗等工藝過(guò)程，全過(guò)程自動(dòng)化，減少人工干預(yù)。設(shè)備具有自動(dòng)化程度高，運(yùn)行成本低，生產(chǎn)效率高、性能穩(wěn)定、安全可靠等特點(diǎn)。用戶可根據(jù)工藝要求通過(guò)在線的工藝設(shè)置軟件，對(duì)各槽相應(yīng)工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括液體溫度、腐蝕/清洗工藝時(shí)間、工藝設(shè)置、鼓泡功能設(shè)置、手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換等，系統(tǒng)提供故障檢測(cè)、報(bào)警信息、歷史記錄、維護(hù)信息等詳盡的記錄。

3.2 制絨槽的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

考慮到制絨工藝段對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線的重要作用，針對(duì)影響制絨反應(yīng)的因素，對(duì)設(shè)備工藝段的設(shè)計(jì)進(jìn)行更加精細(xì)的調(diào)整：

(1)作為化學(xué)反應(yīng)，首先應(yīng)考慮反應(yīng)的條件，即化學(xué)液的溫度及各組分的濃度等?，F(xiàn)在的工業(yè)生產(chǎn)對(duì)制絨工藝溫度控制提出了較高的要求，為了保證反應(yīng)條件的一致性，溫控精度要在±1℃內(nèi)，整個(gè)工藝槽內(nèi)化學(xué)反應(yīng)才能更穩(wěn)定和可控，實(shí)現(xiàn)有效控制溶液的反應(yīng)速度和揮發(fā)量，便于工藝調(diào)整?？紤]到這個(gè)因素，制絨槽內(nèi)選用了響應(yīng)速度快、精度高的PT100鉑電阻作為工藝槽內(nèi)的溫度傳感器，測(cè)量及顯示精度為0.1℃，可實(shí)時(shí)顯示槽內(nèi)溶液溫度。同時(shí)，加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也充分考慮了均勻性的要求，選用特別定制的進(jìn)口316L不銹鋼材料的加熱管，采用分立式結(jié)構(gòu)，單一加熱管損壞不影響其他系統(tǒng)，同時(shí)采用螺紋式接口設(shè)計(jì)，便于維修及更換。為防止加熱管周?chē)植繙囟冗^(guò)高造成溶液溫度分布不均勻，在加熱管區(qū)域上部安裝了熱量勻流隔板，再加上槽體配置的溶液循環(huán)系統(tǒng)，使得溶液經(jīng)過(guò)勻流隔板后的均勻性大大加強(qiáng)，根據(jù)實(shí)際工藝中工藝人員的實(shí)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，槽內(nèi)各處溶液溫度的偏差不超過(guò)±0.3℃。

(2)考慮到在實(shí)際生產(chǎn)中，操作人員要經(jīng)常更換溶液，為了保證整條工藝線的生產(chǎn)效率，對(duì)于加熱系統(tǒng)的容量也做了仔細(xì)的考量。加熱功率過(guò)高，會(huì)引起槽內(nèi)溶液溫度波動(dòng)太大；功率太小則可能造成每次換液后溶液升溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)影響生產(chǎn)效率?？紤]這種情況，我們采用在線加熱方式實(shí)現(xiàn)換液時(shí)直接注入70℃左右的DI水，槽內(nèi)配置12 kW的加熱管，以實(shí)現(xiàn)維持工藝溫度的要求。相比傳統(tǒng)的外接DI水預(yù)熱槽的方式，在線加熱方式具有升溫快(3m in內(nèi)可實(shí)現(xiàn)將流量為3.5 L/m in的DI水由室溫升至70℃，后續(xù)持續(xù)保持出水溫度在70℃左右)、體積小(可安裝在設(shè)備內(nèi)部，減少凈化廠房占地面積)、對(duì)DI水電阻率影響小(在線方式可最大限度地降低DI水因長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存而引起的電阻率下降等問(wèn)題)等優(yōu)勢(shì)。有效的減少生產(chǎn)過(guò)程的配液時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

(3)槽體結(jié)構(gòu)對(duì)溶液均勻性的影響，主要包括循環(huán)系統(tǒng)分布的均勻性和N2鼓泡的細(xì)密性，對(duì)工藝槽內(nèi)硅片絨面質(zhì)量的穩(wěn)定性及均勻性有很大影響。循環(huán)系統(tǒng)包括循環(huán)入口、循環(huán)泵、管路系統(tǒng)、底部多通道注入管及勻流隔板等。選用進(jìn)口磁力循環(huán)泵及進(jìn)口PP管件，保證循環(huán)系統(tǒng)的效果及潔凈度。底部的多通道注入管及勻流隔板設(shè)計(jì)保證了循環(huán)效果的均勻性，循環(huán)角度可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)實(shí)際工藝驗(yàn)證，循環(huán)功能啟動(dòng)后溶液以平穩(wěn)的波紋狀實(shí)現(xiàn)循環(huán)。循環(huán)的角度全面，流向與硅片平行。同時(shí)N2鼓泡功能細(xì)密，能夠覆蓋硅片所在的所有區(qū)域?？蓾M足批量處理工藝中對(duì)硅片表面絨面效果一致性的要求。

3.3 減少“邊緣花片”的考慮

通過(guò)對(duì)整個(gè)工藝運(yùn)行的跟蹤了解，硅片在平移、提升運(yùn)動(dòng)中需要整體考慮機(jī)械臂運(yùn)行穩(wěn)定性，同時(shí)在平穩(wěn)運(yùn)行的前提下盡可能的減少硅片暴露在空氣中的時(shí)間。為了防止平移/提升過(guò)程中由于水分揮發(fā)在硅片表面產(chǎn)成水紋印，在制絨段的機(jī)械手臂上安裝了可根據(jù)工藝要求設(shè)置的DI水噴淋裝置，當(dāng)料籃從溶液中提出后，噴淋裝置啟動(dòng)，DI水以霧狀方式噴射，保證了硅片各個(gè)角度都可以噴淋到，尤其是硅片與料籃接觸的部分，經(jīng)過(guò)噴淋后可有效避免出現(xiàn)“邊緣花片”(見(jiàn)圖5)的情況。

圖5 硅片與花藍(lán)接觸的地方易出現(xiàn)邊緣花片情況

3.4 高級(jí)功能

根據(jù)工藝需要，可提供包括自動(dòng)補(bǔ)液、配液功能、在線檢測(cè)功能、工藝模擬、工藝配套支持等高級(jí)功能的可選項(xiàng)目。

4 結(jié)論

根據(jù)在用戶工藝線上近兩年的工藝驗(yàn)證，使我們認(rèn)識(shí)到對(duì)細(xì)節(jié)的關(guān)注是工藝設(shè)備成敗的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)槽體加熱控制及循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提高，解決了溶液體系溫度和濃度的均勻性問(wèn)題；精確計(jì)算加熱管的功率和實(shí)時(shí)的在線加熱系統(tǒng)，有效地解決了溫度波動(dòng)過(guò)大和生產(chǎn)效率低的問(wèn)題；均勻細(xì)密的鼓泡系統(tǒng)使金字塔的顆粒更加均勻一致，提高了絨面的表面一致性；過(guò)程噴淋系統(tǒng)的采用和機(jī)械臂調(diào)速系統(tǒng)的使用使水紋印和花籃印得到極大的改善。始終與工藝緊密結(jié)合，滿足工藝要求，是我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能完善、技術(shù)提升過(guò)程中始終關(guān)注的要點(diǎn)。

在未來(lái)太陽(yáng)能電池技術(shù)的發(fā)展中，設(shè)備與工藝的集成化程度會(huì)越來(lái)越高，一臺(tái)好的設(shè)備在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能配套、工藝設(shè)置上，應(yīng)該最大限度地滿足工藝技術(shù)的要求。為此，我們探索出一條“設(shè)備+工藝“的發(fā)展模式，使得設(shè)備具有更好的工藝適應(yīng)性，更強(qiáng)的工藝靈活性和擴(kuò)展性。同時(shí)，加強(qiáng)與設(shè)備使用方及重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)、工藝交流，以實(shí)現(xiàn)理論研究、工藝物化、設(shè)備提升”三方“共贏、共同發(fā)展的局面。

[1]熊紹珍,朱美芳.太陽(yáng)能電池基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)技術(shù)出版社，2009.

[2]Markvart，T(英)，Castaner，L(西)編，梁駿吾譯.太陽(yáng)電池：材料制備工藝及檢測(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[3]席珍強(qiáng)吳丹單晶硅太陽(yáng)電池的表面織構(gòu)化[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2002,23:285-289.

[4]張忠文，李景天，李杰慧．絨面腐蝕液中使用化學(xué)添加劑改進(jìn)大批量加工的穩(wěn)定性[A].2003年中國(guó)太陽(yáng)能學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)[C].上海：中國(guó)青工雜志社，2003：64-69．

[5]許彥旗，汪義川，季靜佳，等．關(guān)于單晶硅各向異性腐蝕機(jī)面形成了致密的金字塔絨面機(jī)理的討論[A].2003年中國(guó)太陽(yáng)能學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)[C].上海：中國(guó)青工雜志社，2003：34-38．

[6]許寶興.半導(dǎo)體制造中清洗技術(shù)的新動(dòng)向[J].電子工業(yè)專(zhuān)用設(shè)備 ，2005，34(7)：1-6．