多晶硅太陽電池表面酸腐蝕織構(gòu)化研究

1、多晶硅太陽電池表面酸腐蝕織構(gòu)化研究邵愛軍，施正榮 （無錫尚德太陽能電力有限公司，無錫 214028）摘 要：本文主要研究了多晶硅片表面的酸腐蝕織構(gòu)化。通過對腐蝕后的硅片表面光反射的測量和SEM形貌的分析，對比了三種實驗方案的結(jié)果，得出了適合于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)需要的腐蝕方案HF、HNO3與CH3COOH的混合腐蝕。關(guān)鍵詞：多晶硅，太陽電池，酸腐蝕，織構(gòu)化0引言太陽電池直接將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，這被公認為是解決能源和環(huán)境問題的最有效的途徑之一。自1954年貝爾實驗室研制出第一塊太陽電池以來，人們對太陽電池技術(shù)的研究和產(chǎn)業(yè)化作出了巨大的努力。到目前為止，研制成功的太陽電池已超過100余種。根據(jù)最近PHO

2、TON International雜志的統(tǒng)計，2001年全球52家電池制造廠家的生產(chǎn)總量已達到了401.4MW，比2000年世界電池總產(chǎn)量287.3MW增長了39.7%。2001年，晶體硅電池技術(shù)仍然占據(jù)市場的主導(dǎo)地位，占84.8%的市場份額，與2000年85.6%的市場份額相比略有減少。多晶硅電池的份額繼續(xù)取代單晶硅電池的市場占有率，生產(chǎn)量占50.2%（201.6MW），而單晶硅生產(chǎn)量只占到34.6%(138.7MW)。如圖1所示。而在兩年前，這兩種硅技術(shù)有著差不多的市場份額（多晶：42.1MW，單晶：40.8MW）。但是到了2000年，多晶硅的生產(chǎn)量有了一個較大的飛躍，市場份額占到48.2

3、%（138.5MW），而單晶生產(chǎn)所占市場份額下降至37.4%(107.4MW)。與單晶硅相比，多晶硅的主要不足在于絨面的形成上。對于單晶硅材料，利用擇優(yōu)腐蝕的原理在硅片表面制得了類似金字塔的形貌，獲得了比較好的減反射效果。對于多晶硅，由于晶粒取向的不一致，擇優(yōu)腐蝕受到限制。目前提出的多晶硅表面織構(gòu)化的方法很多，主要有表面酸腐蝕織構(gòu)化，激光織構(gòu)化，機械織構(gòu)化，光刻加化學腐蝕織構(gòu)化等。其中酸腐蝕織構(gòu)化工藝簡單，成本低廉，應(yīng)用前景廣闊，是當前的研究熱點之一。1實驗原理及過程11硅的酸腐蝕機理通常應(yīng)用的硅的酸腐蝕液包含氧化劑（如HNO3）和絡(luò)和劑（如HF）兩部分。一方面通過HNO3與硅的氧化作用在硅的

4、表面生成SiO2，另一方面通過HF對SiO2的絡(luò)和作用生成可溶性的絡(luò)和物，從而完成對硅的腐蝕過程。反應(yīng)機理如下：硅被HNO3氧化，反應(yīng)為：用HF去除SiO2層，反應(yīng)為：總反應(yīng)為：12實驗設(shè)計和過程本實驗中所使用的多晶硅片是德國公司生產(chǎn)的摻硼的p型基片。腐蝕前把硅片切割成3cm×3cm×270m的小片。具體實驗過程為：在室溫下把多晶硅片直接放入盛有一定配比的酸腐蝕液中，同時開始計時，腐蝕結(jié)束后，立即取出硅片，用大量的去離子水清洗，再用干燥的氮氣吹干。然后測試硅片表面對光的反射率，并在掃描電鏡下觀察表面的形貌并拍攝電鏡照片。具體實驗設(shè)計如下：a 不同HFHNO3配比腐蝕多晶硅的

5、試驗。b 在HFHNO3的混合液中加入緩沖劑H3PO4。c 在HFHNO3的混合液中加入緩沖劑CH3COOH。2實驗結(jié)果與分析圖3 HF:HNO3=12:1混合液腐蝕90s后，硅片SEM表面形貌圖2 HF:HNO3=12:1混合液腐蝕后，硅片表面反射曲線。（ta=90s,tb=70s,tc=100s,td=120s）在HF與HNO3的混合液中腐蝕，得到如圖2的反射率曲線，其中硅片a腐蝕后的表面SEM照片如圖3。表面腐蝕坑均勻，反射率也很低。但此種方案的腐蝕時間很難控制，由圖2可見，腐蝕時間對反射率的影響很大，在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中，不宜采取此種方案。在HF、HNO3與H3PO4的混合液中腐蝕，得到

6、如圖4的反射曲線，其中硅片e的SEM照片如圖5。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，加入H3PO4后，反應(yīng)速度的下降并不是很明顯，且由圖4可見，反射率受時間影響很大，經(jīng)過測量硅片的厚度還發(fā)現(xiàn)，對硅片經(jīng)過此種腐蝕液的腐蝕后，平均去除了超過100m的厚度，對于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)而言，產(chǎn)品的成品率很難控制。圖4 HF、HNO3與H3PO4混合液腐蝕后，硅片表面反射曲線（tf<te<tg<th，相鄰時間間隔為0.5min）圖5 HF、HNO3與H3PO4混合液腐蝕時間te后，硅片SEM表面形貌圖6 HF、HNO3與CH3COOH的混合液腐蝕后，硅片表面反射曲線（ti<tj<tk<tm，相

7、鄰時間間隔為0.5min）HF、HNO3與CH3COOH的混合液腐蝕是本實驗得出的最佳方案。反射曲線如圖6所示，(b)(a)硅片i，k，m的SEM照片如圖7所示。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，加入CH3COOH后，反應(yīng)速度下降十分明顯。由圖6可見反射率受時間影響很小，在大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)中是完全可以控制的。并且，此方案只需要將硅片腐蝕掉25m左右，就可以得到很低的反射率。因此，此方案是大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中極具應(yīng)用價值的方案。(c)(d)圖7 HF、HNO3與CH3COOH的混合腐蝕，硅片SEM形貌（a）對應(yīng)于圖6中的i，（b） 對應(yīng)于圖6中的k，（c）對應(yīng)于圖6中的m，（d）是(b)的局部放大3結(jié)論本文采用混合

8、酸溶液對多晶硅的表面進行了織構(gòu)化處理。綜合SEM形貌分析和反射率的測試結(jié)果，對比三種方案的結(jié)果，可以得出：用HF、HNO3與CH3COOH的混合液對多晶硅片進行腐蝕，在硅片表面得到很均勻的腐蝕坑、很低的光反射。且腐蝕后硅片表面相對平整，從而可以制得相對平整的p-n結(jié)，有利于提高電池的穩(wěn)定性和絲網(wǎng)印刷的效果。因此，實驗中的第三種方案對大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)具有極其重要的指導(dǎo)意義。4致謝在本文完成期間得到尚德太陽能電力有限公司技術(shù)開發(fā)部汪義川，呂寶堂二位工程師的悉心指導(dǎo)和幫助，同時李華為本文提供了SEM照片，在此一并表示感謝。參考文獻1 Michael Schmela. Beyond expectatio

9、nsMarket Survey on World Cell Production in 2001J. PHOTON International, 2002(3):38-432 Y.Nishimoto, T.Ishihara, K.Namba. Investigation of Acidic Texturization for Multicrystalline Silicon Solar Cells. Journal of The Electrochemical SocietyJ. 146(2):457-461(1999)3 陳君，席珍強，楊德仁，李先杭鑄造多晶硅太陽電池表面織構(gòu)化的研究C中國第

10、六屆光伏會議論文集，2000:1-54 席珍強，楊德仁，陳君鑄造多晶硅研究進展J材料導(dǎo)報，2001,15(2):67-69,665 闕端麟硅材料科學與技術(shù)M浙江：浙江大學出版社，2000.Investigation of Acidic Texturization for Multicrystalline Silicon Solar CellsShao Aijun, Shi Zhengrong(Suntech Power CO., Ltd, Wuxi 214028, China)Abstract: In this paper, the acidic texturization for multicrystalline silicon is investigated. Based on the former research of the HF and HNO3 mixed solution, this paper focus on the influence of the H3PO4 and CH3COOH on the etching results. Through the measurement of reflectance of silicon wafer surface and the analysis by SEM, this paper confirms