張進(jìn)臣，張建軍， 張 永，嚴(yán)金梅，朱少杰

(晶澳太陽能有限公司，邢臺 055550)

0 引言

光伏發(fā)電作為國家未來新能源發(fā)展的重要戰(zhàn)略之一，經(jīng)過前期的政策大力扶持，目前已基本實(shí)現(xiàn)了平價(jià)上網(wǎng)，光伏行業(yè)迎來了巨大的發(fā)展期和快速增長期。隨著太陽電池技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其光電轉(zhuǎn)換效率與產(chǎn)能也有了爆發(fā)式提高。目前，疊加了選擇性發(fā)射極(SE)技術(shù)的p型“SE+PERC”雙面單晶硅太陽電池已經(jīng)成為太陽電池產(chǎn)品的主流，其光電轉(zhuǎn)換效率逐步提高，一線太陽電池廠商生產(chǎn)的“SE+PERC”太陽電池的開路電壓已超過690 mV，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到23.70%。同時(shí)，隨著大尺寸硅片的推廣，以及多主柵、半片等新技術(shù)的應(yīng)用， 72版型“SE+PERC”雙面光伏組件的標(biāo)稱功率已經(jīng)可以達(dá)到550 W。但針對太陽電池提效的技術(shù)開發(fā)仍未停止，如何進(jìn)一步提升太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)降低光伏發(fā)電成本，一直是光伏行業(yè)追求的目標(biāo)。

在太陽電池制備過程中，硅片背面的鈍化效果會影響太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率，而刻蝕工序后，硅片背面絨面的形貌越好，其界面態(tài)也就越好，說明背面鈍化效果越好?？涛g工序可采用干法刻蝕工藝和濕法刻蝕工藝。針對濕法刻蝕工藝，近年來，行業(yè)內(nèi)開發(fā)出堿拋光工藝，可得到平整度更好、反射率更高的背面絨面形貌，而傳統(tǒng)的采用酸拋工藝(使用氟化氫/硝酸體系刻蝕液)的設(shè)備即將面臨淘汰。但目前此類采用酸拋工藝的設(shè)備仍存在較大的市場占比，若能進(jìn)一步優(yōu)化其酸拋工藝的效果，提升設(shè)備的性價(jià)比，仍可延續(xù)此類設(shè)備的使用壽命?；诖耍疚难芯苛藵穹涛g工藝采用氟化氫/硝酸/硫酸體系刻蝕液時(shí)，不同刻蝕液配比條件下硅片背面的絨面狀態(tài)及反射特性，以期通過優(yōu)化刻蝕液配比來達(dá)到硅片背面拋光后絨面形貌及反射率的最佳條件，實(shí)現(xiàn)提升“SE+PERC”雙面單晶硅太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的目的。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選用從同一根硅棒上切割的p型直拉單晶硅片1200片，電阻率為0.8～1.1 Ω·cm，尺寸為158.75 mm×158.75 mm，厚度為170 μm。將1200片單晶硅片均分為3組，每組400片。

本文的刻蝕工序采用濕法刻蝕工藝，其包括酸拋工藝和堿拋工藝。濕法刻蝕工藝采用捷佳偉創(chuàng)新能源裝備股份有限公司生產(chǎn)的濕法5道刻蝕機(jī)臺，采用系科光電科技(上海)有限公司生產(chǎn)的D8反射率測試儀進(jìn)行反射率測試，采用奧林巴斯株式會社生產(chǎn)的電子顯微鏡對硅片背面絨面的微觀形貌、尺寸大小、表面積比進(jìn)行測試，利用上海偉信新能源科技有限公司生產(chǎn)的量子效率(QE)分析儀進(jìn)行QE測試，采用德國HALM公司生產(chǎn)的高精度I-V測量系統(tǒng)進(jìn)行成品太陽電池的電性能測試。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在刻蝕工序，將上述3組單晶硅片分別采用3個(gè)實(shí)驗(yàn)條件。其中，實(shí)驗(yàn)條件1為采用傳統(tǒng)的酸拋工藝，實(shí)驗(yàn)條件2為采用優(yōu)化后的酸拋工藝，實(shí)驗(yàn)條件3為采用堿拋工藝。

本實(shí)驗(yàn)借鑒多晶硅片濕法刻蝕工藝中刻蝕液的各組成液體的體積配比經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)研究的結(jié)論，針對刻蝕槽中刻蝕液成分在化學(xué)反應(yīng)中所起作用的不同，圍繞調(diào)整硫酸的體積占比來展開研究，通過研究不同刻蝕液配比條件下硅片背面的絨面及反射率狀態(tài)，尋找到最佳的硫酸體積占比，以此作為優(yōu)化后的酸拋工藝。

在刻蝕槽內(nèi)刻蝕液中除硫酸外的其他溶液(氟化氫、硝酸)的配比、反應(yīng)溫度及硅片傳輸速度均保持不變的前提下，調(diào)整硫酸(濃度為97%)在刻蝕液中的體積占比，從0%逐漸上調(diào)至20%，測試硫酸體積占比對硅片背面微觀形貌、減重及反射率的影響。由于硅片背面反射率越高，太陽電池對光譜中波長大于1000 μm的長波段光的吸收越強(qiáng)，同時(shí)，硅片背面反射率高的絨面，其形貌的平坦度也會越高，更利于之后工序中氧化鋁膜的沉積，有助于提升氧化鋁膜的鈍化性能，因此，將硅片背面反射率最高時(shí)的硫酸體積占比作為優(yōu)化后的酸拋工藝，并將采用此種工藝的硅片與采用傳統(tǒng)酸拋工藝及堿拋工藝的硅片進(jìn)行對比。

除刻蝕工序不同外，所有硅片均按照圖1所示的流程制備成“SE+PERC”雙面單晶硅太陽電池。然后利用高精度I-V測量系統(tǒng)對3種成品太陽電池進(jìn)行電性能測試，并對其進(jìn)行QE測試，以分析不同太陽電池對長波段光的反射、吸收效果。

圖1 “SE+PERC”雙面單晶硅太陽電池制備流程Fig. 1 Preparation process of “SE+PERC” bifacial mono-Si solar cells

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同刻蝕液配比時(shí)硅片背面絨面形貌對比

當(dāng)刻蝕液中硫酸體積占比分別為0%、4%、8%、12%、16%、20%時(shí)，對硅片背面進(jìn)行刻蝕，得到不同刻蝕液配比下的硅片背面絨面形貌，并利用電子顯微鏡在放大6000倍的情況下對硅片背面絨面形貌進(jìn)行觀察，具體如圖2所示。

圖2 不同刻蝕液配比下的硅片背面絨面形貌Fig. 2 Textured morphology of rear surface of silicon wafers obtained with different etching solution proportions

從圖2中可以看出：隨著硫酸體積占比的提升，硅片背面絨面的不規(guī)則凹陷逐漸變小、變淺、更均勻密集。這種腐蝕深坑會使硅片存在較大的表面缺陷，會嚴(yán)重影響硅片鍍膜后的鈍化效果[1]。

不同刻蝕液配比下得到的硅片背面的絨面尺寸、表面積比(即絨面單位表面積/單位理想平面面積)及反射率情況，具體如圖3所示。

圖3 不同刻蝕液配比下的硅片背面的絨面尺寸、 表面積比及反射率情況Fig. 3 Textured size，surface area ratio and reflectivity of rear surface of silicon wafer obtained with different etching solution proportions

從圖3中可以看出：隨著硫酸體積占比的提高，硅片背面的絨面尺寸不斷降低，并在硫酸體積占比為16%～20%時(shí)，絨面尺寸變化不大，基本趨于穩(wěn)定；隨著硫酸體積占比的提高，表面積比隨之減小，并在硫酸體積占比為16%時(shí)達(dá)到最小值，雖在20%時(shí)略有上升，但增幅較小，基本趨于穩(wěn)定；隨著硫酸體積占比的提高，反射率也呈逐步上升趨勢，并在硫酸體積占比為16%～20%時(shí)趨于穩(wěn)定，保持在43%左右。在刻蝕液中硫酸作為添加劑起著雙重作用，其一方面容易降低反應(yīng)活性物質(zhì)的濃度，從而降低反應(yīng)活性物質(zhì)擴(kuò)散到硅片背面的速率，即限制了氫氟酸對硅片的縱向腐蝕速率，減少了絨面的黑色腐蝕深坑；另一方面，因硫酸可以抑制硝酸的電離，從而對腐蝕有較高的阻礙能力，使硅片背面絨面的腐蝕更為均勻[2]。綜上所述可知：隨著硫酸體積占比增加，硅片背面絨面的腐蝕凹坑的深度及絨面尺寸逐漸降低，硅片背面的界面變得更加平坦、致密、光滑。

2.2 最佳條件對比

綜合“SE+PERC”雙面單晶硅太陽電池制備成本及硅片背面絨面狀態(tài)，硫酸體積占比為16%時(shí)屬于刻蝕液配比的最佳條件。在刻蝕液配比最佳條件下對硅片背面進(jìn)行刻蝕(即采用優(yōu)化后的酸拋工藝)，并與采用傳統(tǒng)酸拋工藝和堿拋工藝后的硅片背面絨面形貌進(jìn)行對比。利用電子顯微鏡放大6000倍后對采用不同濕法刻蝕工藝時(shí)得到的硅片背面絨面形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出：相較于采用傳統(tǒng)酸拋工藝的硅片，采用優(yōu)化后酸拋工藝的硅片的背面腐蝕凹坑明顯變小。

圖4 采用不同濕法刻蝕工藝時(shí)得到的硅片背面絨面形貌Fig. 4 Textured morphology of rear surface of silicon wafers obtained by different wet etching processes

利用電子顯微鏡3D增強(qiáng)模式對絨面形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖5所示。

圖5 電子顯微鏡3D增強(qiáng)模式下觀察到的硅片背面絨面形貌Fig. 5 Textured morphology of rear surface of silicon wafers observed under electron microscope in 3D enhanced mode

從圖5中可以看出：相較于采用傳統(tǒng)酸拋工藝的硅片，采用優(yōu)化后的酸拋工藝的硅片的背面腐蝕更小、更細(xì)膩，也更平滑致密，這會使硅片背面的雜質(zhì)殘留更少，鍍制的氧化鋁薄膜的鈍化效果更好，對長波的反射也會更好[3]。

分別采用傳統(tǒng)酸拋工藝、優(yōu)化后的酸拋工藝和堿拋工藝得到硅片背面的絨面尺寸、表面積比和反射率情況，具體如表1所示。

表1 不同濕法刻蝕工藝下得到的硅片背面絨面大小、 表面積比和反射率情況Table 1 Textured size, surface area ratio and reflectivity of rear surface of silicon wafer obtained by different wet etching processes

從表1中可以看出：相較于傳統(tǒng)酸拋工藝，優(yōu)化后的酸拋工藝得到的硅片背面的絨面尺寸均值縮小至1.21 mm，表面積比均值降至1.021，反射率均值提升了10%左右。

將分別采用傳統(tǒng)酸拋工藝、優(yōu)化后的酸拋工藝和堿拋工藝的硅片按照圖1所示的“SE+PERC”雙面單晶硅太陽電池制備流程制成成品太陽電池，并對其進(jìn)行電性能和QE測試。測試結(jié)果分別如表2和圖6所示。

從表2中可以看出：采用優(yōu)化后的酸拋工藝制備的太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率比采用傳統(tǒng)酸拋工藝時(shí)制備的約高0.05%，這主要是得益于開路電壓和短路電流的優(yōu)勢；而采用優(yōu)化后的酸拋工藝制備的太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率比采用堿拋工藝制備的太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率約低0.03%。此次得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與預(yù)期符合：通過優(yōu)化酸拋工藝中的刻蝕液配比可達(dá)到與堿拋工藝類似的效果，使硅片背面反射率提升明顯，“SE+PERC”雙面單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率也隨之得到明顯提升。

表2 采用不同刻蝕工藝時(shí)得到的“SE+PERC”雙面單晶硅太陽電池電性能對比Table 2 Comparison of electrical properties of “SE+PERC” bifacial mono-Si solar cells obtained by different wet etching processes

從圖6中可以看出：與采用傳統(tǒng)酸拋工藝制備的“SE+PERC”雙面單晶硅太陽電池的QE曲線相比，采用優(yōu)化后的酸拋工藝制備的此類太陽電池的QE在660～1010 nm波段具有優(yōu)勢，這與優(yōu)化后的酸拋工藝的預(yù)期目標(biāo)相一致，有助于提升硅片背面的鈍化效果及反射率。

圖6 采用不同濕法刻蝕工藝制備的“SE+PERC” 雙面單晶硅太陽電池的QE曲線對比Fig. 6 Comparison of QE curves of “SE+PERC”bifacial mono-Si solar cells prepared by different wet etching processes

3 結(jié)論

本文通過調(diào)整濕法刻蝕工藝中刻蝕液的硫酸體積占比，得到以下結(jié)論：1)當(dāng)刻蝕液中硫酸的體積占比為16%時(shí)，在硅片背面可以得到腐蝕坑較淺、較小且致密均勻的絨面，大幅降低了硅片背面的缺陷態(tài)密度，實(shí)現(xiàn)了背面絨面類堿拋工藝的狀態(tài)，提升了“SE+PERC”雙面單晶硅太陽電池的長波響應(yīng)；

2)相較于采用傳統(tǒng)酸拋工藝的硅片，采用優(yōu)化后的酸拋工藝的硅片的背面反射率可提升10%左右，制備得到的“SE+PERC”雙面單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率提升了約0.05%，但與采用堿拋工藝制備的“SE+PERC”雙面單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率相比仍有較小差距。