金刚线切割单晶硅片的PERC电池背抛光研究

　　摘 要：研究一种实现背面抛光的方法，在制绒工序中以氮化硅为掩膜，对金刚线切割单晶硅片进行单面制绒，该掩膜在制绒工序中被HF 酸去除。未制绒面作为背钝化电池背抛光面，在低刻蚀量条件下获得了微纳尺度平整的背表面，结果表明：该工艺方法将PERC 电池双面钝化后少子寿命由109 μs 提升至230 μs，开路电压由651.8 mV 提升至661.0 mV，电池转换效率由20.32% 提升至20.81%。
　　0 引言
　　钝化发射极背面接触(PERC) 电池的特点在于背面结构和电流导出方式不同[1]。常规电池利用背面的p++ 层排斥负电荷远离电池背面[2,3]，复合速率仍高达500～5000 cm/s[4]。PERC 电池采用氧化铝/ 氮化硅叠层钝化，利用氧化铝中固定负电荷场钝化效应[5] 同烧结中形成的氧化硅的化学钝化，背面复合速率大幅降低至10 cm/s[6]。PERC 电池背面抛光可降低背表面的比表面积以降低复合速率[7,8]，也可增加电池内反射。平整的表面使得钝化膜沉积更加均匀，对于业内常用的梅耶博格公司的Maia 系列PECVD 设备[9]，可降低沉积时间，节省三甲基铝耗量[10]。
　　目前，背面抛光技术路线有两种：1) 增加酸刻蚀清洗工序的刻蚀量，实现背面抛光[7,11]，但刻蚀量增加会造成碎片率升高，也降低了电池吸收光波的有效厚度；2) 先去除扩散后背面的磷硅玻璃，然后以正面磷硅玻璃为掩膜，用碱溶液进行背面抛光[12]，除了刻蚀量高之外，碱抛光表面少子寿命常低于酸抛光[13]。光伏产业已广泛使用金刚线切割的单晶硅片，该硅片表面的微观粗糙度比砂浆切割低25% 以上[14]。以此表面作为PERC 电池背抛光面，或可获得更优的抛光效果。
　　本文研究一种基于金刚线切割单晶硅片的PERC电池背抛光方法，实现小刻蚀量、高反射率。与常规方法对比，验证该方法的量产可行性和有效性。
　　1 实验
　　将金刚线切割的直拉单晶硅片进行预清洗，溶液为2%wt 氢氧化钾和1%wt 双氧水混合溶液，处理时间为5 min；处理后以去离子水清洗并烘干；在硅片背面沉积氮化硅薄膜作为制绒掩膜，沉积设备为Meyer Burger 公司的板式PECVD，沉积压强为0.15 mbar，沉积温度为450 ℃，微波功率为3500 W，硅烷气流量为190 sccm，沉积时间为2 min；将该批硅片进行扩散和刻蚀清洗工艺，刻蚀清洗工序单面减重0.13 g，记为a组( 单面制绒硅片)，掩膜在制绒设备酸洗槽以及刻清设备中被自动去除。未加掩膜的硅片经过制绒和扩散工艺后，通过调节刻蚀清洗工艺时间，实现不同背面刻蚀量单面减重分别为0.21、0.43、0.67 g，分别记为b 组、c 组和d 组。将上述a、b、c、d 4 组硅片各20 片在Maia 2.1 设备中进行背钝化膜沉积，管式PECVD 沉积正面氮化硅减反膜，最后通过激光消融和丝印烧结制备成PERC 电池。
　　采用D8-4 型反射率测试仪测试刻蚀后的硅片背面反射率；用NT-MDT Solver-P47 型原子力显微镜线测试刻蚀后的硅片背表面轮廓；用HITACHI SU8010 型扫描电镜表征刻蚀后的背表面形貌；在完成正面PECVD 沉积氮化硅减反膜后，分别取5 片，将其烧结后利用Sinton WCT-120 少子寿命测试仪测试有效载流子寿命；采用H.a.l.m. cetisPV-IUCT-1800 测试机测试电池效率。
　　2 结果与讨论
　　2.1 表面反射率
　　常规刻蚀清洗工艺参数的刻蚀量减重为0.13 g，PERC 电池在刻蚀清洗工序会对工艺做调节，在现有条件下尽量增大刻蚀量。4 组硅片经过刻蚀清洗工序后，用D8-4 型反射率测试仪对它们的背面反射率进行测试，测试结果如图1 所示，其中a 组为单面制绒硅片所对应的反射率曲线，b、c、d 组分别为刻蚀量为0.21、0.43 和0.67 g的硅片所对应的反射率曲线，这4 组曲线对应的600 ～1000 nm 平均反射率分别为31.90%、24.23%、29.80% 和29.69%。
　　由图1 可知，当刻蚀量小于0.43 g 时，反射率随着刻蚀量增加而增加；当刻蚀量达到0.43 g后，反射率随刻蚀刻蚀量增加变化很小。该结果与Cornagliotti 等[11] 研究结果一致，当刻蚀厚度约达到10 μm 时，反射率随刻蚀量增加变化不大。
　　当刻蚀量达到0.67 g 时，硅片过薄呈现出柔性特征，碎片率陡升，但此时背面反射率仍低于单面制绒硅片背面反射率，说明通过增加化学刻蚀量的方法无法达到单面制绒金刚线硅片的反射率。
　　2.2 SEM 分析
　　刻蚀前硅片表面为制绒工序的金字塔结构，该结构与硅片夹角约为54.74°[7]。进一步了解刻蚀过程中表面形貌的变化，对刻蚀后的硅片表面形貌进行SEM 表征。4 组硅片不同刻蚀减重的SEM 图如图2 所示。
　　由图2 可知，对于单面制绒的硅片，由于硅片刻蚀前不存在金字塔表面结构，在低刻蚀量条件下，刻蚀不需要抛光金字塔结构，只起到了去边缘和背面清洗作用，实现了低刻蚀量下的背面抛光( 见图2a)。刻蚀工序中，塔脊优先被腐蚀，随着刻蚀减重的增加，制绒生成的金字塔结构不断合并变大，当金字塔合并到一定程度( 见图2c) 时，刻蚀量的进一步增加对金字塔合并作用变弱，此时刻蚀对表面的抛光作用变小。结合图1 可知，当刻蚀量达到0.43 g 后，刻蚀量进一步增加，硅片背面反射率无明显增加。
　　 　2.3 AFM 分析
　　平滑的背表面能够降低表面复合，同时增加电池背面内反射。不同刻蚀减重的AFM 轮廓图如图3 所示，其中a 组为单面制绒硅片的AFM 图，b、c 组分别为刻蚀减重量为0.21、0.43g 硅片的AFM 图，0.67 g 的曲线与0.43 g 比较接近图中未列出。
　　由图3 可知，随刻蚀量的增加微米尺度的表面粗糙度不断降低，但纳米尺度的波动一直存在，且随刻蚀量的增加不断增加。结合图1 可知，微米尺度粗糙度降低会提高反射率，但纳米尺度的高度波动对反射率影响较小。结合图2 可知，刻蚀过程中除了金字塔的合并还伴随着金字塔高度降低，这与文献[8] 中结果一致。对于单面制绒硅片，由于金刚线切割硅片具有纳米尺度平整性，在经过制绒和刻蚀工序时，表面的损伤层被去除掉，保留了纳米尺度平整性。
　　2.4 少子寿命
　　在正面减反膜制备工序完成后，选取不同组硅片未印刷电极直接进入烧结炉中烧结后，测试少子寿命。不同刻蚀减重的有效少子寿命如图4所示，其中a 组为单面制绒硅片的少子寿命图，b、c、d 组分别为刻蚀量量为0.21 g、0.43 g 和0.67g 硅片的少子寿命图。
　　由图4可知，在载流子注入浓度Δn=1015 cm-3时，随着刻蚀量依次增加，b、c、d 组对应的少子寿命分别为109、169 和123 μs，呈先增后降趋势。这主要是因为刻蚀量增加，粗糙度降低；硅片表面比表面积降低，复合降低；但过度刻蚀造成了纳米尺度粗糙度增加( 见图3)，降低了少子寿命。单面制绒硅片在Δn=1015 cm-3 条件下，对应的少子寿命为230 μs，远大于通过刻蚀量增加实现抛光硅片的少子寿命。这一方面得益于低表面粗糙度，另一方面是因为其表面在纳米尺度上是十分平整的。
　　 　2.5 电池性能
　　对上述4 组硅片制备成PERC 电池并进行效率测试，不同刻蚀PERC 电池的电性能见表1，其中a 组为单面制绒PERC 电池，b、c 组分别为刻蚀量量为0.21 g 和0.43 g 的PERC 电池。由于0.67 g 刻蚀量碎片率过高获得的数据量有限，不做比较。
　　由表1 可知，随刻蚀量的增加，PERC 电池效率增加，主要表现为开路电压增加，这与图4获得硅片少子寿命变化趋势一致，短路电流的增加与图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铝电极接触电阻更大的原因。由于铝浆容易浸润粗糙表面，在烧结和冷却过程中，更易形成均匀的局载铝背场[11]。.
　　3 结论
　　本文研究了金刚线切割表面作为PERC 电池背面抛光的应用，比较了不同刻蚀量对电池反射率、表面形貌、有效载流子寿命及电性能的影响。
　　1) 随着刻蚀量的增加，金字塔结构塔脊优先腐蚀，金字塔不断合并变圆，表面粗糙度降低，过度刻蚀会造成纳米尺度不均匀，难以钝化，成为复合中心。
　　2) 金刚石切割硅片表面作为PERC 电池背面抛光面，实现了低刻蚀量条件下获得纳米尺度平整性，背面反射率由24.23% 提升至31.9%.
　　3) 该工艺方法将PERC 电池双面钝化后少子寿命由109 μs 提升至230 μs，开路电压由651.8mV 提升至661.0 mV，电池转换效率由20.32%提升至20.81%。