多晶制绒工艺与设备的研究

于皓洁，林立，姚雁林

(北京七星华创电子股份有限公司，北京 100015)

随着光伏市场的快速发展，铸造多晶硅成为最主要的太阳能电池原材料。制绒工艺是晶体硅太阳能电池片生产的第一道工序，也是极为重要的一道工序。制绒环节是在硅片损伤层的基础上制备织构表面，以便减少光的反射率，提高开路电压（Voc）和短路电流（Isc），最终提高电池的光电转换效率。详见图1～图4及表1。由图1～图4及表1可以得出：

图1 切割完之后硅片

图2 碱腐蚀之后的硅片

图3 无掩膜RIE之后的硅片

图4 掩膜RIE之后的硅片

表1 不同制绒方法的比较

切割后的硅片，虽有比较低的反射率，但表面损伤层和裂痕严重，金属离子等污染也比较严重，所以做成的电池片开路电压很低；碱腐蚀后的硅片，由于多晶硅片表面晶向不一致，所以反射率比较高，做成的电池片短路电流损失严重；酸腐蚀后的硅片，反射率较低，制作成的电池片电性能比较理想，但是酸制绒反应剧烈，需要比较大的制冷设备控制反应;无掩膜RIE制绒后的硅片，由于等离子体的轰击，造成硅片的损伤严重，开路电压比较低；掩膜RIE制绒后的硅片虽然电性能最优，但是工业上大规模生产的掩膜以及RIE技术还没开发成熟，比较难以实现。综上所述，对于多晶硅片来说，酸腐蚀是比较理想的制绒手段。

多晶硅酸制绒的反应机理：

硅片在酸溶液中的腐蚀一般分为两个步骤，第一个步骤是硅片的氧化反应，用HNO3将硅片表面氧化成SiO2，同时生成副产物HNO2。而HNO2也参与硅片的氧化反应，并且主导整个氧化反应的速率；第二个步骤是硅片氧化层的去除反应，用HF溶液将硅片表面的氧化层去除。

制绒所需的生产设备目前分为槽式和链式两种。链式制绒设备较槽式更易实现整线自动化，但在产能、均值减薄量、反射率等指标相当的情况下，槽式制绒设备在碎片率和价格方面的优势却极为突出。北京七星华创股份有限公司针对该工艺的生产特点，开发出槽式多晶硅片的制绒设备。

制绒反应瞬间放出大量热量，使得溶液温度迅速升高，温度对扩散及溶解反应的影响较小，但对氧化反应的影响却很大。温度升高，反应速度常数会增大，如果不加以控制，反应温度会在很短的时间升高致很大，使反应处于失控状态。由于工业化生产每批次需要处理大量的硅片，这就对设备制绒槽内溶液的控温提出了很高的要求。

在制绒槽的设计上可以采取用大流量的循环药液迅速带走多余的热量，来实现控温的目的。在溶液的大流量循环冷却过程中，溢流量可根据进液量的大小自行进行相应的调节，以达到控制工艺温度恒定的目的。见图5。

图5 制绒槽

如图5所示：进液磁力泵将冷却槽内的溶液通过进液管路注入反应槽，溶液注满后，溢流至外槽，外槽的溶液通过溢流管路回流至冷却槽。以此达到用大流量的循环药液带走反应热的目的。为保证反应液温度的恒定，除在温度控制上采用多点控温外，在结构设计上采用进液流量可调来实现,原因为：（1）整个反应过程中释放的反应热是由高到低变化的；（2）与链式制绒设备的连续性不同，槽式制绒在硅片移载时间内，槽内液体无反应热可吸收。为保证溶液温度恒定，可通过调节进液磁力泵控制器和进液管路上的调节阀来调节进液流量。为保证进液量均匀，进液管路分为4个分支，分别由制绒槽的底部和侧面进入制绒槽，总进液量由进液磁力泵控制器控制，各分支流量由各分支上的调节阀控制。因为进液是由磁力泵提供动力，如果仅采用自然溢流重力回流至冷却槽则势必对溢流管路的管径、数量、安装高度、位置空间都有很多要求。为解决这一问题，采用自然溢流和溢流管路外接动力源相结合的溢流方法。如图5所示，高位溢流管路采用自然溢流，低位溢流管路外接磁力泵将外槽内的溶液泵入冷却槽。具体工作过程为：根据反应槽内溶液溢流至外槽的溢流量即内槽进液量的大小，溢流磁力泵控制器根据高位传感器和低位传感器发来的信号，控制低位溢流管路，通过低位溢流管路和高位溢流管路相配合，使液面始终保持在高位传感器和低位传感器之间。若外槽的进液量较小，可只通过高位溢流管路进行排液。若外槽的进液量较大，使外槽的溶液液位超过了高位传感器，溢流磁力泵控制器接收到高位传感器的信号，则启动溢流磁力泵，将溶液自低位溢流管路抽出，直至液位低于低位传感器，溢流磁力泵控制器接收到低位传感器的信号，关闭溢流磁力泵，低位溢流管路停止排液。低位溢流管路的溢流量大小可通过溢流磁力泵控制器来调节，当低位溢流管路通过溢流磁力泵将溶液输送至冷却槽时，高位溢流管路仍负责排出一部分溶输送至冷却槽。即在整个溢流过程中，高位溢流管路都将参与将溶液输送至冷却槽的工作，并根据溶液没过溢流口的高低进行流量微调，低位溢流管路在溢流量发生较大变化时参与工作，并进行相应调节。当循环溶液不再使用，需要更换时，则通内槽排放管路和外槽排放管路将反应液排出。

由于反应会放出大量H2,会对片蓝承载框架在槽内的定位造成影响，因此在槽底设置定位块，以保证片蓝承载框架在槽内的稳定性，从而提高机械手抓取的成功率。

硅片制绒设备是根据制绒工艺设计的，设备各方面的工作性能，不仅要满足特定工艺的需求，同时也要满足工艺所涉及的调整范围。在生产过程中，有时往往由于设备方面的一些配合改进，就能解决工艺方面难以解决的大问题。因此，只有将设备和工艺两者有机的结合起来，才能生产出高品质的电池片。

[1]刘志刚,孙铁囤,于化丛,周之斌,崔容强.酸腐蚀在多晶硅太阳能电池上的应用[A];第八届全国光伏会议暨中日光伏论坛论文集[C].北京，中国学术期刊（光盘版）电子杂志社，2004.