“SE+PERC”单晶硅太阳电池制绒工艺中微观绒面的研究

陈素素，闫会珍，刘 苗，张军杰，李文涛

(晶澳太阳能有限公司，邢台 055550)

0 引言

为实现碳达峰、碳中和目标，光伏发电作为一种重要的可再生清洁能源利用方式，在我国的应用将越来越广泛。作为光伏发电的核心部件，近年来太阳电池的发展迅速，其中，单晶硅太阳电池凭借光电转换效率高、性能好等优势一直占据着绝大多数的市场份额[1]。

单晶硅片表面的织构化程度可直接影响其对太阳光的反射率，从而影响单晶硅太阳电池的光电转换效率。硅片表面的织构化是利用低浓度的NaOH溶液腐蚀硅片正面和背面，从而在硅片正面和背面形成金字塔结构。该结构不但能增加太阳电池正面的光吸收率，还能将一次反射出去的太阳光再次反射回太阳电池内部，实现二次吸收[2]，进而增大太阳电池的光生电流，提升太阳电池的光电转换效率。而硅片背面的织构化可以为后续的背钝化工序做准备。

近年来，随着制绒添加剂的普及，硅片表面的微观绒面及制绒工艺的时间均得到了较大改善，微观绒面上的金字塔尺寸由7 μm降至3 μm左右。对于硅片表面的织构化而言，小而均匀的金字塔结构可比大金字塔结构拥有更多的吸光面积，从而可提升太阳电池的光吸收率。

为提升单晶硅太阳电池的光电转换效率，本文以采用选择性发射极(SE)及钝化发射极和背接触(PERC)技术的单晶硅太阳电池(即“SE+PERC”单晶硅太阳电池)为例，在不增加任何成本的前提下，通过对该太阳电池制绒工艺中的工序内容进行优化，从而得到小而均匀的金字塔结构，并对由不同金字塔尺寸制备的“SE+PERC”单晶硅太阳电池的性能进行了测试。

1 实验设计

1.1 实验仪器

硅片制绒后的微观结构由复纳科学仪器(上海)有限公司生产的ProX能谱一体机进行扫描；硅片制绒后的反射率由系科光电科技(上海)有限公司生产的REF300反射仪进行测试；硅片制绒前、后的减重数据由高精度电子天平进行测量；成品太阳电池的光电转换效率由德国HALM公司生产的高精度I-V测量系统测量。

1.2 实验样品处理及实验过程设计

实验硅片采用晶澳太阳能有限公司生产的从同一根硅棒上切割的尺寸为158 mm×158 mm的单晶硅片，硅片的电阻率范围为0.4～1.1 Ω·cm，硅片厚度为165～175 μm。

单晶硅片的制绒工艺流程如图1所示。本实验通过改变制绒工艺流程中的某个工序的内容，得到了9种不同的单晶硅片样品；然后针对某个样品改变的工序进行相应的测试；最后将这9种硅片样品在相同制备条件下，按照“SE+PERC”太阳电池的制备流程制成“SE+PERC”太阳电池，并对制备的太阳电池的性能进行测试。

图1 单晶硅片的制绒工艺流程Fig. 1 Texturing process of mono-silicon wafers

9种单晶硅片样品均仅改变制绒工艺中某一道工序的内容，其他工序不变。9种样品改变的工序内容分别为：

1)样品1：粗抛时低减重；

2)样品2：粗抛时高减重；

3)样品3：采用低浓度的制绒添加剂；

4)样品4：采用高浓度的制绒添加剂；

5)样品5：采用高浓度的NaOH溶液；

6)样品6：采用低浓度的NaOH溶液；

7)样品7：采用不同的制绒时间；

8)样品8：制绒槽中排出的溶液量(下文简称为“定排”)小于补加进去的溶液量(下文简称为“补加”)；

9)样品9：定排等于补加。

采用相应仪器对这9种制绒后的硅片样品进行制绒前、后的减重数据测量，微观绒面扫描及反射率测试，并收集数据进行分析研究。

2 实验结果与分析

由于样品1和样品2采用的NaOH溶液的浓度和温度均相同，因此样品2粗抛时若要实现高减重需增加抛光时间。将样品1的抛光时间设为30 s，样品2的抛光时间设为180 s，二者的减重测试结果如图2所示。由图2可知，样品1的减重为0.05 g，样品2的减重为0.30 g。

图2 样品1和样品2的减重测试结果Fig. 2 Results of weight loss test of sample 1 and sample 2

为分析粗抛时减重高低对金字塔尺寸的影响，对样品1和样品2的金字塔尺寸进行测试，测试结果如图3所示。其中，图中的槽次指制绒槽的使用次数，制绒槽中的腐蚀液一共可使用400次，本文选取制绒槽的前4次(1槽次～4槽次)和后面的100槽次～400槽次使用时的情况为例进行分析，以便于研究不同槽次时制绒槽中腐蚀液对金字塔尺寸的影响。

图3 粗抛时不同减重下的样品1和样品2的金字塔尺寸Fig. 3 Pyramid size of sample 1 and sample 2 with different weight loss during rough polishing

虽然样品1的减重小于样品2的减重，但从图3中可以看出，样品1的金字塔尺寸大于样品2的金字塔尺寸，这说明粗抛时减重越小，金字塔尺寸越大，粗抛时减重的大小与金字塔尺寸的大小成反比关系。这是因为对于低减重的单晶硅片而言，其表面切割形成的损伤层容易去除不干净，导致表面存在“台阶”，而单晶硅片表面粗糙度差的位置在制绒过程中容易出现附着成核的情况，形成的金字塔尺寸也会较大。文献[3]认为，制绒过程中的化学反应一般是先从晶体硅表面的缺陷和杂质处开始，而已去除损伤层的单晶硅片表面的缺陷和杂质较少。因此，随着反应过程的进行，减重小的单晶硅片表面容易形成金字塔尺寸较大的大绒面，而减重大的单晶硅片表面则会形成金字塔尺寸较小的小绒面。

在制绒工艺中，制绒添加剂的浓度越低，意味着NaOH溶液的浓度越高。因此，样品3～样品6均可以认为是在制绒工艺中仅改变了制绒添加剂的浓度，而其他工序保持不变。不同制绒添加剂浓度和不同NaOH溶液浓度时的金字塔尺寸如图4、图5所示。

图4 不同制绒添加剂浓度时的金字塔尺寸Fig. 4 Pyramids size of different texturing additives concentration

图5 不同NaOH溶液浓度时的金字塔尺寸Fig. 5 Pyramids size of different NaOH solution concentration

从图4、图5可以看出，样品3和样品5的金字塔尺寸较大，这是因为制绒添加剂浓度越低，羟基(—OH)到达硅片表面的阻碍越小，越能促进腐蚀的进行，导致金字塔在硅片表面成核后快速成长，形成金字塔尺寸较大的大绒面。而样品4和样品6的金字塔尺寸相对较小，这是因为高浓度的制绒添加剂会阻碍—OH向腐蚀界面传输，金字塔在硅片表面成核后，—OH的腐蚀速度缓慢，易形成金字塔尺寸较小的小绒面。但通过增加制绒添加剂浓度来实现金字塔尺寸较小的小绒面，效果也是有限的，当制绒添加剂浓度高到一定程度后， 单晶硅片的各向异性减弱，粗抛作用增强，制绒工艺结束后会形成基本无金字塔结构的绒面[4]。

对样品7在不同制绒时间下的微观形貌和反射率进行测试，得到其在不同制绒时间下的金字塔尺寸和反射率，分别如图6、图7所示。

图6 不同制绒时间下样品7的金字塔尺寸Fig. 6 Pyramids size of sample 7 under different texture time

图7 不同制绒时间下样品7的反射率Fig. 7 Wafer reflectivity of sample 7 under different texture time

由图6可知，随着制绒时间的增加，在510 s以内时，金字塔尺寸也随之增大；但超过510 s之后，金字塔尺寸开始逐渐减小；金字塔尺寸随制绒时间的变化近似正态分布。这是因为制绒时间过长会存在过腐蚀现象，导致金字塔的尺寸反而减小。

由图7可知，随着制绒时间的增加，样品7的反射率也随之上升。

为了通过改善制绒时腐蚀液的新陈代谢量来改善腐蚀液的反应活性，对定排和补加进行调整。在定排小于补加(即样品8)和定排等于补加(即样品9)的情况下，可分别得到制绒后的样品的金字塔尺寸，具体如图8所示。

图8 在定排和补加不同状态下得到的样品的金字塔尺寸Fig. 8 Pyramids size of samples obtained in different alignment and supplementary states

从图8可以看出，样品8的金字塔尺寸大于样品9的，这是因为在定排小于补加的情况下，制绒槽内溶液的腐蚀产物硅酸钠累积较多，溶液的粘稠度增加，若仅依靠制绒槽内的溢流来排放多余的废液，溶液的循环流动性会变差。因此，单晶硅片表面的腐蚀均匀性差，并且随着制绒槽使用次数的累积，硅片表面的金字塔尺寸会越来越大。此外，当腐蚀溶液中硅酸钠的含量过高时，溶液的粘稠度增加，Si与—OH的反应被遏制，NaOH溶液的腐蚀难以在单晶硅片表面形成理想的减反射绒面[5]。

而在定排等于补加的情况下，制绒槽内的溶液量少，虽然溶液的液位较低，但可满足浸没需求，无溶液溢流现象，且溶液的循环较快，更新量较多，使溶液内反应产物的累积量大幅减少，单晶硅片表面的腐蚀最匀速；同时，加快了单晶硅片表面反应产物的脱离，NaOH溶液的自补量下降，溶液的活性变大，使单晶硅片表面的成核点较多，形成了金字塔尺寸较小的小绒面，并且随着制绒槽使用次数的增加，绒面的稳定性更好。因此，样品9的绒面最稳定，也是实际生产中追求的最佳状态。

综合上述几个实验结果可以发现，制绒工艺在定排等于补加的基础上，加大粗抛时的减重，降低NaOH溶液浓度或提高制绒添加剂浓度，均可在硅片表面形成小而均匀的金字塔结构的绒面，如图9所示。

图9 小而均匀的金字塔结构的绒面Fig. 9 Small and uniform pyramid-structured suede

在定排等于补加的基础上，通过调整粗抛时减重、制绒时间、NaOH溶液浓度及制绒添加剂浓度，制作得到不同金字塔尺寸的单晶硅片样品，再将所有单晶硅片样品制备成“SE+PERC”单晶硅太阳电池，然后通过测试得到不同金字塔尺寸时的“SE+PERC”单晶硅太阳电池的电性能数据，具体如表1所示。

表1 不同金字塔尺寸时的“SE+PERC”单晶硅太阳电池的电性能数据Table 1 Electrical performance data of “SE+PERC”mono-silicon solar cells with different pyramid sizes

由表1可知，在定排等于补加的基础上，随着金字塔尺寸的增大，“SE+PERC”单晶硅太阳电池的Isc呈下降趋势，Rs与IRev2均呈增大趋势，这是因为扩散过程中金字塔顶部的掺杂较重、谷底的掺杂较弱，这种情况在金字塔尺寸较大的大绒面中较容易出现，而在金字塔尺寸较小的小绒面中很少出现。因此，金字塔尺寸较小时更有利于减小金属电极的接触电阻及太阳电池的IRev2

[2]，从而提升其Eta。

3 结论

本文通过对制绒工艺中的工序内容进行调整，测试了调整后单晶硅片制绒面的金字塔尺寸，并对基于不同金字塔尺寸制备的“SE+PERC”单晶硅太阳电池的电性能进行了测试，得到以下结论：

1)粗抛时高减重更有利于形成金字塔尺寸较小的小绒面，同时更有利于去除硅片表面因切割形成的损伤层；

2)适当提高制绒添加剂的浓度或降低NaOH溶液的浓度，均有助于减缓腐蚀反应速度，形成金字塔尺寸较小的小绒面；

3)制绒时间与金字塔尺寸之间的关系呈近似正态分布；

4)在制绒槽排出的溶液量等于补加进去溶液量的情况下，溶液的新陈代谢较快，腐蚀反应较为均匀，绒面的金字塔尺寸较小且结构较为稳定；

5)在制绒槽排出的溶液量等于补加进去溶液量的情况下，由小金字塔尺寸硅片制备的“SE+PERC”单晶硅太阳电池的光电转换效率更高。