硅片厚度对SE-PERC单晶硅太阳电池制备过程的影响分析

2021-07-30朱少杰王贵梅王玉涛王德昌张志敏

太阳能 2021年7期

朱少杰，王贵梅，王玉涛，王德昌，张志敏

(晶澳太阳能有限公司，邢台 055550)

0 引言

降本增效是晶体硅太阳电池产业化制备过程中的主要趋势。为了提升电池的光电转换效率，p型单晶硅片普遍采用选择性发射极－钝化发射极及背接触(SE-PERC)的技术路线；而硅片薄片化是晶体硅太阳电池降低成本的一种必然趋势，为了不影响电池的光电转换效率，目前电池产业化时的硅片厚度一般大于等于180 μm，硅片厚度减薄会对工艺配方、工装器具等提出新的要求。目前，光伏行业针对硅片厚度减薄对电池光电转换效率方面的影响的研究较为成熟[1]，但硅片薄片化对电池制备过程的影响也不容忽视。基于此，本文针对硅片厚度减薄对SE-PERC单晶硅太阳电池制备过程的影响进行了研究，以期通过有针对性的优化来保证采用薄硅片的SE-PERC单晶硅太阳电池制备过程的稳定性。

1 实验

1.1 实验仪器

实验过程中，湿法刻蚀减重数据由福迪威西特传感工业控制有限公司生产的型号为FL3445的电子天平进行测量，硅片背面抛光的微观结构采用奥林巴斯生产的型号为OLS5000-SAF的显微镜进行测试，采用管式PECVD工艺的SiNx薄膜的膜厚由系科光电科技(上海)有限公司生产的光谱椭圆偏振仪COSE进行测试。

1.2 实验设计

采用p型单晶硅片的SE-PERC单晶硅太阳电池的制备流程如图1所示。基于该工艺流程，使用相同硅料源，相同拉晶工艺，长、宽均为158.75±0.25 mm，但厚度分别为165 μm和180 μm的硅片，每种厚度的硅片投入5000片，然后收集不同厚度的硅片在采用湿法刻蚀工艺后的减重数据和采用管式PECVD工艺后SiNx薄膜的膜厚数据。

图1 SE-PERC单晶硅太阳电池的制备流程Fig.1 Preparation process of SE-PERC monocrystalline silicon solar cell

2 结果与讨论

本文分别针对硅片厚度减薄对SE-PERC单晶硅太阳电池(以下简称“太阳电池”)制备过程中湿法刻蚀工艺后硅片的减重、硅片背面抛光效果，以及管式PECVD工艺后SiNx薄膜的膜厚的影响进行分析。

2.1 湿法刻蚀工艺后硅片的减重

湿法刻蚀工艺是指利用HF-HNO3溶液对硅片背面和边缘进行刻蚀，以去除硅片背面和边缘的扩散层[2]。在此过程中，为了使硅片正面不被刻蚀，通常会将水膜覆盖在硅片正面。

通过对湿法刻蚀工艺后硅片的情况进行分析可以发现，在湿法刻蚀配方保持一致的前提下，不同厚度的硅片从湿法刻蚀环节开始表现出了明显的差异性。随着硅片厚度减薄，硅片的减重呈下降趋势，这可能与硅片厚度减薄后其重量变小有关。当相同重量的水膜覆盖在硅片正面时，由于刻蚀槽内的滚轮运动时不是绝对的水平，较薄的硅片因重量较轻，导致其在运行时的平稳性较差，水膜掉落在刻蚀槽内的风险提高，药液浓度被稀释，减少了刻蚀量，使湿法刻蚀工艺后的硅片减重较低。湿法刻蚀工艺后不同厚度硅片的减重及其制备的太阳电池的电性能情况如表1所示。其中，厚度为165 μm的硅片制备的太阳电池的各参数值是以厚度为180 μm的硅片制备的太阳电池的各性能参数值为基准得到的。

表1 湿法刻蚀工艺后不同厚度硅片的减重及其制备的太阳电池的电性能情况Table 1 Weight loss of silicon wafers with different thicknesses after wet etching process and electrical performance of solar cells prepared from this kind of silicon wafers

理论上，当硅片厚度减薄后，太阳光入射硅基体后，被激发的载流子扩散到空间电荷区的路径变短，少子被复合的概率降低，从而能有效减小载流子的复合速率，对太阳电池的Voc提升有积极作用。但由于晶体硅对入射光的吸收系数较低，当硅片厚度减薄后，硅片对太阳光的吸收会变少，从而会造成Isc的减小；而且每当光线穿过硅片时，就会有部分光线从硅片的下表面透出去，这是因为完全吸收入射光所需的路径往往大于硅片的实际厚度[3]，而Isc的降低又容易导致Voc的下降。因此，综合上述因素后认为，硅片厚度减薄后太阳电池的Voc和Isc均会出现下降。由于薄硅片在湿法刻蚀工艺时的减重不足，可能会导致其背面扩散层去除不完全，从而使其背面复合率较高，这可能也是太阳电池的Voc降低的另一个影响因素。

在采用薄硅片制备太阳电池的量产过程中，利用不同湿法刻蚀机台分别进行验证发现，若要使厚度为165 μm和180 μm的硅片采用HFHNO3溶液进行刻蚀时达到相同的减重水平，在补液频率为50片/次时，不同硅片厚度、不同湿法刻蚀机台情况下HF和HNO3的自动补液量变化趋势分别如图2、图3所示。

图2 不同硅片厚度、不同湿法刻蚀机台情况下HF的自动补液量变化趋势Fig. 2 Variation trend of HF automatic refill volume under different silicon wafer thicknesses and different wet etching machines

由图2、图3可知，相较于厚度为180 μm的硅片，厚度为165 μm的硅片的HF和HNO3的自动补液量分别平均增加了约27%和约3%。而且通过多次实验验证发现，为达到相同的湿法刻蚀减重水平，相较于厚度为180 μm的硅片，厚度为165 μm的硅片需要将水膜水量减少约5%，这样既可以减少水对溶液的稀释，又不影响其对硅片正面的保护作用。

图3 不同硅片厚度、不同湿法刻蚀机台情况下HNO3的自动补液量变化趋势Fig. 3 Variation trend of HNO3 automatic refill volume under different silicon wafer thicknesses and different wet etching machines

2.2 硅片背面抛光效果

厚度分别为165 μm和180 μm的硅片的背面抛光微观图如图4所示。

图4 不同厚度硅片的背面抛光微观图Fig. 4 Microscopic images of rear polishing of silicon wafers with different thicknesses

从图4中可以看出，厚度为180 μm的硅片的背面亮度较高，且背面更为平整，说明其背面抛光效果较好；而厚度为165 μm的硅片的背面还有未刻蚀完全的金字塔绒面。这可能与厚度为165 μm的硅片比厚度为180 μm的硅片的湿法刻蚀减重小的原因类似，原因都可以归结为硅片厚度减薄后其重量变轻了，导致水膜掉落在刻蚀槽内，稀释了溶液浓度，降低了刻蚀反应速度，最终导致硅片背面的抛光效果较差。

2.3 管式PECVD工艺后SiNx薄膜的膜厚

管式PECVD工艺主要是在硅片表面沉积SiNx薄膜。由于管式PECVD工艺沉积的SiNx薄膜具有良好的致密性、优异的长波响应[4]，因此，本文采用管式PECVD工艺。产线上通常以SiNx薄膜的膜厚来表征镀膜效果[5]。相同工艺参数设置下，不同硅片厚度时管式PECVD工艺后硅片正面的SiNx薄膜的膜厚情况如图5所示。

图5 不同硅片厚度时管式PECVD工艺后硅片正面的SiNx薄膜的膜厚情况Fig. 5 Thickness of SiNx film on front side of silicon wafer after tubular PECVD process at different silicon wafer thicknesses

由图5可知，管式PECVD工艺后，硅片厚度为165 μm时其正面的SiNx薄膜的膜厚比硅片厚度为180 μm时低3～4 nm。这可能是因为硅片厚度减薄后，在沉积温度为400～500 ℃的气氛中，厚度为165 μm的硅片的形变量高，翘曲度大，导致其与石墨舟片的接触面变小，而在管式PECVD设备中，由于硅片是通过与中空的石墨舟片接触来作为SiNx薄膜沉积时的电极[6]，因此辉光等离子体在设备反应腔内的分布特性和硅片表面状态有关。而与厚度为180 μm的硅片相比，厚度为165 μm的硅片镀膜时的电场间距变大，电极的接触面积变小，电场强度削弱，等离子沉积速率受到制约，从而导致SiNx薄膜的膜厚降低。

由于硅片厚度减薄后，其正面沉积的SiNx薄膜的膜厚变薄，在管式PECVD工艺参数不变情况下，需要增加镀膜时间，以保证沉积的SiNx薄膜的膜厚。一般工程经验是10～15 s对应1 nm的SiNx薄膜膜厚，因此硅片厚度由180 μm切换为165 μm后，在其他参数不变的情况下，需要增加约0.5～1.0 min的镀膜时间。但增加镀膜时间不利于产业化的产能，因此为了保证相同的SiNx薄膜厚度，又不增加镀膜时间，可通过增加镀膜功率、提升脉冲开关比、提升整体流量等方式来增加管式PECVD工艺镀膜的厚度。