制绒工艺是将原硅片制作成具有角锥体的绒面结构,他的目的是依靠金字塔结构的角锥体增加对光的吸收。光路如图
由于光伏电池的发电本质是光生电子,吸光度越高,对于环境光源的利用率越高,自然发电量越高。
制绒可以增加硅片的表面积,在后续扩散工艺中会增加PN结的面积。从而提升发电效率。因此一个良好形貌的绒面结构对提升硅片电性能参数具有重要意义。
目前制绒有湿法制绒和激光制绒等工艺方式,在商业化生产中,制绒往往采用湿法制绒。目前Topcon电池片的主流基材是182mmx182mm、130mm厚度的N型单晶硅(除182x182mm,130mm厚度之外,还有150mm厚度、183x183mm、191.6x182.2mm、210210mm、210182mm等多种规格硅片)。210*210mm尺寸硅片工艺不够成熟,目前只有晶科、隆基绿能、爱旭、通威等大厂拥有生产高效率大面积电池片的成熟工艺。
Topcon电池普遍使用湿法制绒。湿法制绒的工艺本身属于碱醇工艺体系(在碱醇工艺之前是酸制绒,由于工艺要求,酸制绒的原料纯度要求更高,安全性更低——含HF。另,醇在添加剂里,用于抑制反应,使得硅片表面形成形貌均一的角锥体结构。形貌均一可以提升成品电池片的短路电流,从而影响成品电池片的光电转换效率)
碱醇工艺体系下湿法制绒的工艺流程通常为:
预清洗(此步骤用于清理原硅片表面油污,处理表面的机械损伤层和金属杂质,机械损伤层是由于原硅片出厂前通过金刚线切割导致的机械损伤,如果机械损伤层没有处理干净,在后续高温工艺中,机械损伤层会向硅片内延展形成大量复合中心,影响少子寿命从而影响硅片效率)
水洗(该步骤用于去除预清洗的溶液与残留的有机杂质,去除预清洗残留的硅酸盐成分。防止污染后续槽液。)
制绒(此过程利用了较低浓度碱液时,硅在溶液中各向异性腐蚀特性。)
晶体硅三种晶面示意图。其中(1,0,0)晶面腐蚀速度最快,(1,1,1)晶面腐蚀速度最慢。三个晶面腐蚀速度比率也叫该碱液浓度下的各向异性因子,化学手册可查。
制绒之后需要再次经历水槽,与预清洗后水槽类似,防止制绒槽液与硅酸盐污染后续槽液。
在这之后是后清洗工艺,由于碱醇工艺制绒,醇和一部分表面活性剂被合并到了添加剂里。后清洗槽就是去除添加剂的工艺槽。由于添加剂大部分都是有机物。在后清洗槽这里会使用氧化性原料进行处理(现在为了环保大家都有用碱性双氧水,也有用碱性硝酸根氧化的)
同样后清洗之后经历水槽,去掉后清洗的残液和有机物氧化产物。然后经历酸洗
现在的碱醇工艺往往将粗抛和预清洗合并(个别资料上会写预清洗后粗抛)。由于预清洗槽中溶解了部分硅原子和金属杂质(其余部分金属杂质会在酸洗槽中进行。氟离子和氯离子会和大多数金属离子结合成可溶于水的络合物。以此达到彻底的清除金属杂质的目的。金属残留会影响成品电池片的电性能。因此需要去除),金属阳离子会对硅片表面绒面形貌产生一定影响,同时硅酸根离子会增加溶液粘度并且会阻断热传递,此时通过碱液腐蚀硅片表面产热速度要高于溶液散热速度,由于碱醇工艺中温度会极大影响硅片的腐蚀速度进而影响表面形貌。防止溶液局域温度过高导致硅片减重过高产品过薄,预清洗槽需要定时、定量、定批次换补溶液。
湿法制绒的工艺控制点包括制绒时鼓泡速度,制绒温度,碱液浓度,添加剂浓度,槽液换液频率,制绒时间等。其中制绒温度,制绒时间,添加剂用量是三个最重要的工艺控制点。
由于制绒工艺的反应过程主要为碱液与硅原子反应,逸出氢气,硅原子以硅酸盐的形式溶解进入槽液。鼓泡速度会影响氢气从硅片表面脱离速度,从而影响硅片绒面形貌。而硅酸盐会影响碱液与硅片反应活性(抑制作用),硅酸盐浓度过高还会导致制绒后硅片出现明显的水痕印(这是由于制绒工艺后提篮,硅片表面的硅酸盐在后续酸洗槽中迅速水解形成硅酸和原硅酸,进而附着在硅片表面形成水痕),因此需要合适的槽液更换周期。
氢气在逸出硅片表面时,氢气泡会在腐蚀凹槽出聚集,因此氢气泡的大小会影响绒面形貌,鼓泡速度可以让较大气泡及时脱离,形成绒面目数较高的绒面硅片。
碱液浓度会影响硅片表面的腐蚀速度和绒面形貌,这是由于单晶硅中硅的晶体结构为金刚石结构,不同晶面的Si-Si键受碱液腐蚀速度不同,利用硅晶格中不同晶面的硅键反应速率差异从而制成绒面。不同晶面的反应速度的比值与碱液浓度有关。这也是湿法制绒能形成绒面的关键因素(详见各向异性因子)
碱液浓度、反应温度、反应时间、以及添加剂的种类和用量,是制绒工艺中的重要工艺控制点。由于TOPCON电池结构普遍为正面绒面掺硼,背面碱抛面做Poly层,正面掺硼后氧化铝镀膜,小塔基绒面可以改善ALD镀膜的附着性能,从而降低Si-氧化铝界面层的缺陷态。
制绒工艺的工艺监控项目是绒面形貌(角锥体高度,塔基面积,绒面数量,绒面表面积、绒面均一性)以及反射率和减重。
角锥体高度和塔基面积决定了绒面大小,绒面均一性会影响Isc。
制绒槽液与预清洗类似,均需要按批量换补溶液。