摘 要：研究一種實現(xiàn)背面拋光的方法，在制絨工序中以氮化硅為掩膜，對金剛線切割單晶硅片進(jìn)行單面制絨，該掩膜在制絨工序中被HF 酸去除。未制絨面作為背鈍化電池背拋光面，在低刻蝕量條件下獲得了微納尺度平整的背表面，結(jié)果表明：該工藝方法將PERC 電池雙面鈍化后少子壽命由109 μs 提升至230 μs，開路電壓由651.8 mV 提升至661.0 mV，電池轉(zhuǎn)換效率由20.32% 提升至20.81%。
鈍化發(fā)射極背面接觸(PERC) 電池的特點在于背面結(jié)構(gòu)和電流導(dǎo)出方式不同[1]。常規(guī)電池利用背面的p++ 層排斥負(fù)電荷遠(yuǎn)離電池背面[2,3]，復(fù)合速率仍高達(dá)500～5000 cm/s[4]。PERC 電池采用氧化鋁/ 氮化硅疊層鈍化，利用氧化鋁中固定負(fù)電荷場鈍化效應(yīng)[5] 同燒結(jié)中形成的氧化硅的化學(xué)鈍化，背面復(fù)合速率大幅降低至10 cm/s[6]。PERC 電池背面拋光可降低背表面的比表面積以降低復(fù)合速率[7,8]，也可增加電池內(nèi)反射。平整的表面使得鈍化膜沉積更加均勻，對于業(yè)內(nèi)常用的梅耶博格公司的Maia 系列PECVD 設(shè)備[9]，可降低沉積時間，節(jié)省三甲基鋁耗量[10]。
目前，背面拋光技術(shù)路線有兩種：1) 增加酸刻蝕清洗工序的刻蝕量，實現(xiàn)背面拋光[7,11]，但刻蝕量增加會造成碎片率升高，也降低了電池吸收光波的有效厚度；2) 先去除擴(kuò)散后背面的磷硅玻璃，然后以正面磷硅玻璃為掩膜，用堿溶液進(jìn)行背面拋光[12]，除了刻蝕量高之外，堿拋光表面少子壽命常低于酸拋光[13]。光伏產(chǎn)業(yè)已廣泛使用金剛線切割的單晶硅片，該硅片表面的微觀粗糙度比砂漿切割低25% 以上[14]。以此表面作為PERC 電池背拋光面，或可獲得更優(yōu)的拋光效果。
本文研究一種基于金剛線切割單晶硅片的PERC電池背拋光方法，實現(xiàn)小刻蝕量、高反射率。與常規(guī)方法對比，驗證該方法的量產(chǎn)可行性和有效性。
將金剛線切割的直拉單晶硅片進(jìn)行預(yù)清洗，溶液為2%wt 氫氧化鉀和1%wt 雙氧水混合溶液，處理時間為5 min；處理后以去離子水清洗并烘干；在硅片背面沉積氮化硅薄膜作為制絨掩膜，沉積設(shè)備為Meyer Burger 公司的板式PECVD，沉積壓強(qiáng)為0.15 mbar，沉積溫度為450 ℃，微波功率為3500 W，硅烷氣流量為190 sccm，沉積時間為2 min；將該批硅片進(jìn)行擴(kuò)散和刻蝕清洗工藝，刻蝕清洗工序單面減重0.13 g，記為a組( 單面制絨硅片)，掩膜在制絨設(shè)備酸洗槽以及刻清設(shè)備中被自動去除。未加掩膜的硅片經(jīng)過制絨和擴(kuò)散工藝后，通過調(diào)節(jié)刻蝕清洗工藝時間，實現(xiàn)不同背面刻蝕量單面減重分別為0.21、0.43、0.67 g，分別記為b 組、c 組和d 組。將上述a、b、c、d 4 組硅片各20 片在Maia 2.1 設(shè)備中進(jìn)行背鈍化膜沉積，管式PECVD 沉積正面氮化硅減反膜，最后通過激光消融和絲印燒結(jié)制備成PERC 電池。
采用D8-4 型反射率測試儀測試刻蝕后的硅片背面反射率；用NT-MDT Solver-P47 型原子力顯微鏡線測試刻蝕后的硅片背表面輪廓；用HITACHI SU8010 型掃描電鏡表征刻蝕后的背表面形貌；在完成正面PECVD 沉積氮化硅減反膜后，分別取5 片，將其燒結(jié)后利用Sinton WCT-120 少子壽命測試儀測試有效載流子壽命；采用H.a.l.m. cetisPV-IUCT-1800 測試機(jī)測試電池效率。
2.1 表面反射率
常規(guī)刻蝕清洗工藝參數(shù)的刻蝕量減重為0.13 g，PERC 電池在刻蝕清洗工序會對工藝做調(diào)節(jié)，在現(xiàn)有條件下盡量增大刻蝕量。4 組硅片經(jīng)過刻蝕清洗工序后，用D8-4 型反射率測試儀對它們的背面反射率進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖1 所示，其中a 組為單面制絨硅片所對應(yīng)的反射率曲線，b、c、d 組分別為刻蝕量為0.21、0.43 和0.67 g的硅片所對應(yīng)的反射率曲線，這4 組曲線對應(yīng)的600 ～1000 nm 平均反射率分別為31.90%、24.23%、29.80% 和29.69%。
由圖1 可知，當(dāng)刻蝕量小于0.43 g 時，反射率隨著刻蝕量增加而增加；當(dāng)刻蝕量達(dá)到0.43 g后，反射率隨刻蝕刻蝕量增加變化很小。該結(jié)果與Cornagliotti 等[11] 研究結(jié)果一致，當(dāng)刻蝕厚度約達(dá)到10 μm 時，反射率隨刻蝕量增加變化不大。
當(dāng)刻蝕量達(dá)到0.67 g 時，硅片過薄呈現(xiàn)出柔性特征，碎片率陡升，但此時背面反射率仍低于單面制絨硅片背面反射率，說明通過增加化學(xué)刻蝕量的方法無法達(dá)到單面制絨金剛線硅片的反射率。
2.2 SEM 分析
刻蝕前硅片表面為制絨工序的金字塔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與硅片夾角約為54.74°[7]。進(jìn)一步了解刻蝕過程中表面形貌的變化，對刻蝕后的硅片表面形貌進(jìn)行SEM 表征。4 組硅片不同刻蝕減重的SEM 圖如圖2 所示。
由圖2 可知，對于單面制絨的硅片，由于硅片刻蝕前不存在金字塔表面結(jié)構(gòu)，在低刻蝕量條件下，刻蝕不需要拋光金字塔結(jié)構(gòu)，只起到了去邊緣和背面清洗作用，實現(xiàn)了低刻蝕量下的背面拋光( 見圖2a)?？涛g工序中，塔脊優(yōu)先被腐蝕，隨著刻蝕減重的增加，制絨生成的金字塔結(jié)構(gòu)不斷合并變大，當(dāng)金字塔合并到一定程度( 見圖2c) 時，刻蝕量的進(jìn)一步增加對金字塔合并作用變?nèi)?，此時刻蝕對表面的拋光作用變小。結(jié)合圖1 可知，當(dāng)刻蝕量達(dá)到0.43 g 后，刻蝕量進(jìn)一步增加，硅片背面反射率無明顯增加。
2.3 AFM 分析
平滑的背表面能夠降低表面復(fù)合，同時增加電池背面內(nèi)反射。不同刻蝕減重的AFM 輪廓圖如圖3 所示，其中a 組為單面制絨硅片的AFM 圖，b、c 組分別為刻蝕減重量為0.21、0.43g 硅片的AFM 圖，0.67 g 的曲線與0.43 g 比較接近圖中未列出。
由圖3 可知，隨刻蝕量的增加微米尺度的表面粗糙度不斷降低，但納米尺度的波動一直存在，且隨刻蝕量的增加不斷增加。結(jié)合圖1 可知，微米尺度粗糙度降低會提高反射率，但納米尺度的高度波動對反射率影響較小。結(jié)合圖2 可知，刻蝕過程中除了金字塔的合并還伴隨著金字塔高度降低，這與文獻(xiàn)[8] 中結(jié)果一致。對于單面制絨硅片，由于金剛線切割硅片具有納米尺度平整性，在經(jīng)過制絨和刻蝕工序時，表面的損傷層被去除掉，保留了納米尺度平整性。
2.4 少子壽命
在正面減反膜制備工序完成后，選取不同組硅片未印刷電極直接進(jìn)入燒結(jié)爐中燒結(jié)后，測試少子壽命。不同刻蝕減重的有效少子壽命如圖4所示，其中a 組為單面制絨硅片的少子壽命圖，b、c、d 組分別為刻蝕量量為0.21 g、0.43 g 和0.67g 硅片的少子壽命圖。
由圖4可知，在載流子注入濃度Δn=1015 cm-3時，隨著刻蝕量依次增加，b、c、d 組對應(yīng)的少子壽命分別為109、169 和123 μs，呈先增后降趨勢。這主要是因為刻蝕量增加，粗糙度降低；硅片表面比表面積降低，復(fù)合降低；但過度刻蝕造成了納米尺度粗糙度增加( 見圖3)，降低了少子壽命。單面制絨硅片在Δn=1015 cm-3 條件下，對應(yīng)的少子壽命為230 μs，遠(yuǎn)大于通過刻蝕量增加實現(xiàn)拋光硅片的少子壽命。這一方面得益于低表面粗糙度，另一方面是因為其表面在納米尺度上是十分平整的。
2.5 電池性能
對上述4 組硅片制備成PERC 電池并進(jìn)行效率測試，不同刻蝕PERC 電池的電性能見表1，其中a 組為單面制絨PERC 電池，b、c 組分別為刻蝕量量為0.21 g 和0.43 g 的PERC 電池。由于0.67 g 刻蝕量碎片率過高獲得的數(shù)據(jù)量有限，不做比較。
由表1 可知，隨刻蝕量的增加，PERC 電池效率增加，主要表現(xiàn)為開路電壓增加，這與圖4獲得硅片少子壽命變化趨勢一致，短路電流的增加與圖1 中背面反射率增加一致，填充因子的降低可能是由于平整表面鋁電極接觸電阻更大的原因。由于鋁漿容易浸潤粗糙表面，在燒結(jié)和冷卻過程中，更易形成均勻的局載鋁背場[11]。.
本文研究了金剛線切割表面作為PERC 電池背面拋光的應(yīng)用，比較了不同刻蝕量對電池反射率、表面形貌、有效載流子壽命及電性能的影響。
1) 隨著刻蝕量的增加，金字塔結(jié)構(gòu)塔脊優(yōu)先腐蝕，金字塔不斷合并變圓，表面粗糙度降低，過度刻蝕會造成納米尺度不均勻，難以鈍化，成為復(fù)合中心。
2) 金剛石切割硅片表面作為PERC 電池背面拋光面，實現(xiàn)了低刻蝕量條件下獲得納米尺度平整性，背面反射率由24.23% 提升至31.9%.
3) 該工藝方法將PERC 電池雙面鈍化后少子壽命由109 μs 提升至230 μs，開路電壓由651.8mV 提升至661.0 mV，電池轉(zhuǎn)換效率由20.32%提升至20.81%。