CN104900509A - 金刚石线切割硅片的表面处理方法及制绒方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金刚石线切割硅片的表面处理方法及制绒方法，金刚石线切割硅片表层覆盖有切割引起的非晶硅层，且金刚石线切割硅片表面密布平行的线痕，表面处理方法包括：将金刚石线切割硅片进行清洗预处理；将清洗预处理后的金刚石线切割硅片放入含有金属离子、氧化剂和刻蚀剂的混合溶液中，先后进行金属离子附着、氧化生成SiO2、催化化学刻蚀反应；分别用第一清洗液、第二清洗液、去离子水清洗刻蚀后硅片，分别去除硅片表面残留的金属粒子、氧化层、化学残留；清洗后即可得到去除线痕和含有微缺陷非晶层的硅片。本发明能够使用常规工艺对金刚石线切割硅片进行有效制绒，并且通过其制备的晶体硅太阳能电池的转换效率得到了提高。
Description
技术领域
本发明涉及晶体硅表面处理技术领域，特别是涉及一种金刚石线切割硅片的表面处理方法及制绒方法。
背景技术
目前，太阳能硅电池所用的单晶、多晶硅片切割大多采用碳化硅砂浆多线切割技术，即通过高速运动的钢线带动砂浆中的碳化硅颗粒滚动磨削从而切割硅片；该技术的缺点包括切片效率低、需要使用化学冷却液、切口大导致单位质量切片数量少、昂贵的碳化硅磨料和切割产生的大量硅粉难以分离回收利用等。新型的金刚石线切割技术是将金刚石固定在钢线上，在高速运动过程中通过金刚石尖刃部分的刮削切割硅片。金刚石线切割技术相比普通的砂浆切割技术具有明显的优点：首先，金刚石线切割硅片速度比砂浆线切割高2倍以上；第二，金刚石线切割技术采用水基冷却液，无需碳化硅等砂浆添加，切割产生的高纯硅粉回收容易，对环境的影响较小；第三，金刚石线切割的切口较小，因而单位质量切片数量较砂浆切割多。因此，金刚石线切割技术不仅可以提高硅锭切片企业的生产效率，降低生产成本，同时对环境保护意义重大，该技术将逐步取代普通的砂浆切割技术。
在太阳能硅电池的常规生产工艺中，砂浆线切割硅片首先进行碱式/酸式的湿法化学制绒工艺，目的是去除切割过程中产生的损伤层，同时在硅片表面形成具有陷光作用的金字塔状或坑状的绒面结构。通常，使用各向异性的KOH碱液体系刻蚀单晶硅片从而获得具有金字塔绒面的减反结构；使用各向同性的HNO3/HF酸液体系刻蚀多晶硅片获得具有坑状绒面的减反结构，其刻蚀通常从硅片切割引起的损伤层特别是微裂纹和缺陷处开始。
由于切割硅片的机理不一样，金刚石线切割硅片的表面微结构和砂浆硅片有显著差异：具体而言，砂浆线切割硅片表面具有随机而均匀分布的缺陷层；而金刚石线切割硅片表面密布平行的线痕，同时表层覆盖有一层切割引起的非晶硅层。因此，金刚石线切割硅片表层的损伤层厚度和缺陷较砂浆线切割硅片要少，导致了目前的制绒工艺在不同程度上不再适用，具体体现在线痕难以完全消除，以及刻蚀形成的坑状绒面较浅，因而制绒后反射率较常规砂浆线切割硅片高出5％以上，制成的金刚石线切割硅片电池效率则低0.1～0.6％。目前，金刚石线切割单晶硅片在优化的碱液体系上基本解决制绒问题，但仍然或多或少存在的线痕。然而，金刚石线切割多晶硅片很难在原有的HF/HNO3酸液体系上进行优化解决，导致该新型切片工艺在多晶硅电池产线上尚不能大规模应用。目前，多晶硅电池占据80％以上的市场份额，因此光伏行业迫切需要能够使用常规工艺对金刚石线切割硅片进行有效制绒的办法。
因此，针对上述技术问题，需要提出一种金刚石线切割硅片的表面处理方法及制绒方法。
发明内容
有鉴于此，为了解决现有的不足，本发明提供了一种金刚石线切割硅片的表面处理方法及制绒方法，为后续使用常规制绒工艺的HNO3/HF体系对硅片进行有效制绒创造条件，从而解决了金刚石线切割硅片的制绒难题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
一种金刚石线切割硅片的表面处理方法，所述金刚石线切割硅片表层覆盖有切割引起的非晶硅层，且金刚石线切割硅片表面密布平行的线痕，所述方法包括以下步骤：
S1、将金刚石线切割硅片进行清洗预处理；
S2、将清洗预处理后的金刚石线切割硅片放入含有金属离子、氧化剂和刻蚀剂的混合溶液中，进行金属离子附着、氧化生成SiO2、催化化学刻蚀反应；
所述金属离子选自金离子、银离子、铜离子和铁离子中的一种或多种；
所述氧化剂选自H2O2、HNO3、H2CrO4溶液中的一种或多种；
所述刻蚀剂为HF；
S3、分别用第一清洗液、第二清洗液、去离子水清洗刻蚀后硅片，分别去除硅片表面残留的金属粒子、氧化层、化学残留；
所述第一清洗液为硝酸溶液；
所述第二清洗液为氢氟酸溶液；
清洗后即可得到去除线痕和含有微缺陷非晶层的硅片。
作为本发明的进一步改进，所述金刚石线切割硅片为金刚石线切割单晶硅片或金刚石线切割多晶硅片。
作为本发明的进一步改进，所述金刚石线切割硅片表层覆盖的非晶硅层厚度为1～50nm，表面的线痕高度为1～10μm。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S1包括：
S11、将金刚石线切割硅片放入HF溶液中清洗，去除表面的SiO2氧化层；
S12、将去除表面SiO2氧化层后的金刚石线切割硅片使用去离子水进行超声清洗。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S11具体为：
将金刚石线切割硅片放入质量百分比1～10％HF溶液中清洗，去除表面的SiO2氧化层，清洗时间为60～1200秒，清洗温度为5～30℃。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S2包括：
金属离子附着，金刚石线切割硅片将金属离子还原成金属粒子并选择性附着在非晶硅层和线痕表面；
氧化生成SiO2，硅片表面被氧化生成SiO2层；
催化化学刻蚀反应，金属粒子作为化学刻蚀的催化剂，生成的SiO2被刻蚀剂溶解生成水溶性物质，同时氧化剂继续氧化硅片生成SiO2，从而使得这一溶解-氧化过程保持下去，对硅片进行化学刻蚀。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S2中金属离子的浓度为0.0001～1mol/L，氧化剂的浓度为0.001～5mol/L，刻蚀剂的浓度为1～20mol/L，步骤S2的反应时间为10～3600秒。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中：
第一清洗液为质量百分比为10～70％的硝酸溶液，清洗时间为60～1200秒，清洗温度为5～90℃；
第二清洗液为质量百分比为1～10％的氢氟酸溶液，清洗时间为60～1200秒，清洗温度为5～50℃。
相应地，一种金刚石线切割硅片的制绒方法，所述制绒方法包括：
采用上述方法对金刚石线切割硅片进行表面处理；
将表面处理后的硅片放入制绒溶液中进行制绒。
本发明具有以下优点：
本发明通过金属粒子在线痕和非晶层区域的选择性附着，以及后续的化学刻蚀消除硅片表面的线痕并在非晶层引入微缺陷，从而解决了对金刚石线切割硅片使用常规HF/HNO3制绒工艺获得理想绒面的困难，能够使用常规工艺对金刚石线切割硅片进行有效制绒，并且通过其制备的晶体硅太阳能电池的转换效率得到了提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a～1d为本发明实施例一中金刚石线切割硅片表面处理方法的流程示意图，其中，图1a为金刚石线切割硅片的截面示意图，图1b为金刚石线切割硅片表面催化金属粒子的附着示意图，图1c为化学反应刻蚀的示意图，图1d为金属粒子子去除后的示意图；
图2为本发明实施例一中使用的金刚石线切割原硅片的表面SEM图；
图3为本发明实施例一中金刚石线切割原硅片附着金属粒子的SEM图；
图4为本发明实施例一中金刚石线切割硅片去除表面线痕并在非晶层中引入微缺陷后的表面SEM图；
图5为本发明实施例一中完成表面处理后的金刚石线切割硅片采用常规HF/HNO3制绒工艺后得到绒面的SEM图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明中，金刚石线切割硅片表层覆盖有切割引起的非晶硅层，且金刚石线切割硅片表面密布平行的线痕。其中，金刚石线切割硅片为金刚石线切割单晶硅片或金刚石线切割多晶硅片。金刚石线切割硅片表层覆盖的非晶硅层厚度为1～50nm，表面的线痕高度为1～10μm。
本发明将预处理后的金刚石线切割硅片放入含有金属离子、氧化剂和刻蚀剂的混合溶液中，通过金属粒子在线痕和非晶层的选择性还原和附着；随后在金属粒子催化作用下进行化学反应刻蚀快速去除硅片表面线痕，同时在附着有金属粒子的非晶层表面下方快速形成大量的微孔，这些微孔可视为一种人为引入的微缺陷。
具体包括以下步骤：
S1、将金刚石线切割硅片进行清洗预处理。
其中，步骤S1包括：
S11、将金刚石线切割硅片放入HF溶液中清洗，去除表面的SiO2氧化层。具体地，将金刚石线切割硅片放入质量百分比1～10％HF溶液中清洗，去除表面的SiO2氧化层，清洗时间为60～1200秒，清洗温度为5～30℃；
S12、将去除表面SiO2氧化层后的金刚石线切割硅片使用去离子水进行超声清洗。
S2、将清洗预处理后的金刚石线切割硅片放入含有金属离子、氧化剂和刻蚀剂的混合溶液中，进行金属离子附着、氧化生成SiO2、催化化学刻蚀反应，其中：
金属离子附着，金刚石线切割硅片将金属离子还原成金属粒子并选择性附着在非晶硅层和线痕表面；
氧化生成SiO2，硅片表面被氧化生成SiO2层；
催化化学刻蚀反应，金属粒子作为化学刻蚀的催化剂，生成的SiO2被刻蚀剂溶解生成水溶性物质，同时氧化剂继续氧化硅片生成SiO2，从而使得这一溶解-氧化过程保持下去，对硅片进行化学刻蚀。
所述金属离子选自金离子、银离子、铜离子和铁离子中的一种或多种；
所述氧化剂选自H2O2、HNO3、H2CrO4溶液中的一种或多种；
所述刻蚀剂为HF。
进一步地，金属离子的浓度为0.0001～1mol/L，氧化剂的浓度为0.001～5mol/L，刻蚀剂的浓度为1～20mol/L，反应时间为10～3600秒。
S3、分别用第一清洗液、第二清洗液、去离子水清洗刻蚀后硅片，分别去除硅片表面残留的金属粒子、氧化层、化学残留；
所述第一清洗液为硝酸溶液；
所述第二清洗液为氢氟酸溶液；
清洗后即可得到去除线痕和含有微缺陷非晶层的硅片。
进一步地，第一清洗液为质量百分比为10～70％的硝酸溶液，清洗时间为60～1200秒，清洗温度为5～90℃；
第二清洗液为质量百分比为1～10％的氢氟酸溶液，清洗时间为60～1200秒，清洗温度为5～50℃。
本发明还公开了一种金刚石线切割硅片的制绒方法，首先采用上述方法对金刚石线切割硅片进行表面处理，再将表面处理后的硅片放入制绒溶液中进行制绒。
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例一：
一种金刚石线切割硅片的表面处理方法，如图1a～1d所示，包括如下步骤：
(1)将厚度为180±10μm，大小为156mm×156mm的金刚石线切割硅片放入4％的HF溶液中240s，去除表面的SiO2氧化层；然后放入到去离子水中超声清洗120s；其中，本实施例中的金刚石线切割硅片可以为金刚石线切割单晶硅片或金刚石线切割多晶硅片；
(2)将上步完成后的硅片放入含有Ag离子、HF、H2O2混合水溶液中，其浓度分别为0.005mol/L、3mol/L、0.1mol/L，于25℃条件下反应60s；
(3)将上步完成后的硅片放入质量百分比为69％硝酸溶液中清洗300s，清洗温度为25℃；
(4)将上步完成后的硅片放入质量百分比为4％氢氟溶液中清洗240s，清洗温度为25℃；
(5)清洗、甩干，即可得到去除线痕和在非晶层中含有微缺陷非晶层的金刚石线切割硅片。
参图1a所示，本实施例所使用的硅片10为金刚石线切割技术制得，其原始表面形貌如图2所示，表面密布平行凸起的微米级线痕11，线痕11高度为1～10μm，以及厚度约数十纳米(一般为1～50nm)的非晶层12。在常规的HF/HNO3制绒工艺中，这些线痕由于存在大量的缺陷刻蚀速度较快，因而制绒后刻蚀坑沿线痕分布，裸眼观察这些线痕仍然保留下来；而非晶层实质是受切割的应力后变得致密的畸变硅晶体，刻蚀速度较慢，刻蚀坑较浅。因此，最终制绒后硅片表面形成的刻蚀坑不同于常规砂浆线切割硅片表面形成的均匀分布、随机取向的形貌，而是呈现出尺寸大小相差较大、沿初始线痕取向分布形貌；更为重要的是，这些刻蚀坑深度较浅，难以有效陷光，最终金刚石线切割硅片制成电池的效率较砂浆线切割片硅低0.6％左右。
本实施例使用含Ag离子刻蚀液，参图1b所示，硅片表面将Ag离子还原成Ag粒子101并附着在硅片表面，同时硅片表面被氧化生成SiO2层，表面形貌如图3所示。由于大量缺陷的存在，Ag粒子101在线痕处附着较多，尺寸较大；而在非晶层区域附着的Ag粒子略少、尺寸较小；因而Ag粒子呈现出一定的选择性附着。
参图1c所示，本实施例使用HF/H2O2为溶解/氧化体系，即生成的SiO2被HF溶解生成水溶性H2SiF6，同时H2O2继续氧化硅片生成SiO2，从而使得这一溶解-氧化过程保持下去，从而对硅片进行化学刻蚀。通常这一过程刻蚀硅片速度较慢，Ag粒子作为化学刻蚀的催化剂，在Ag粒子存在的情况下，这一刻蚀过程将大大提高，因而在Ag粒子下方的硅片将被快速地刻蚀。
因此，参图1d所示，金刚石线切割硅片表面凸起的线痕快速被刻蚀，同时非晶层也被刻蚀穿，形成若干微缺陷102(即微孔)，最终表面形貌如图4所示。
本实施例利用HNO3强氧化作用将硅片表面残留的Ag粒子溶解去除，然后再用4％的HF溶液将表面残留的SiO2去除，最后用去离子水清洗去除残留化学物质，得到满足要求的硅片。
本实施例处理后的金刚石线切割硅片，由于将表面的线痕去除和引入大量的微缺陷，采用常规HF/HNO3制绒工艺能够获得令人满意的绒面结构，绒面的表面形貌如图5所示。
实施例二：
一种金刚石线切割硅片的表面处理方法，如图1a～1d所示，包括如下步骤：
(1)将厚度为180±10μm，大小为156mm×156mm的金刚石线切割硅片放入4％的HF溶液中240s，去除表面的SiO2氧化层；然后放入到去离子水中超声清洗120s；其中，本实施例中的金刚石线切割硅片可以为金刚石线切割单晶硅片或金刚石线切割多晶硅片；
(2)将上步完成后的硅片放入含有Cu离子、HF、H2O2混合水溶液中，其浓度分别为0.01mol/L、3mol/L、0.1mol/L，于30℃条件下反应60s；
(3)将上步完成后的硅片放入质量百分比为69％硝酸溶液中清洗300s，清洗温度为25℃；
(4)将上步完成后的硅片放入质量百分比为4％氢氟溶液中清洗240s，清洗温度为25℃；
(6)清洗、甩干，即可得到所述去除线痕和在非晶层中引入微缺陷的金刚石线切割硅片。
参图1a所示，本实施例所使用的硅片10为金刚石线切割技术制得，其原始表面形貌如图2所示，表面密布平行凸起的微米级线痕11，线痕11高度为1～10μm，以及厚度约数十纳米(一般为1～50nm)的非晶层12。在常规的HF/HNO3制绒工艺中，这些线痕由于存在大量的缺陷刻蚀速度较快，因而制绒后刻蚀坑沿线痕分布，裸眼观察这些线痕仍然保留下来；而非晶层实质是受切割的应力后变得致密的畸变硅晶体，刻蚀速度较慢，刻蚀坑较浅。因此，最终制绒后硅片表面形成的刻蚀坑不同于常规砂浆线切割硅片表面形成的均匀分布、随机取向的形貌，而是呈现出尺寸大小相差较大、沿初始线痕取向分布形貌；更为重要的是，这些刻蚀坑深度较浅，难以有效陷光，最终金刚石线切割硅片制成电池的效率较砂浆线切割片硅低0.6％左右。
本实施例使用含Cu离子刻蚀液，硅片表面将Cu离子还原成Cu粒子并附着在硅片表面，同时硅片表面被氧化生成SiO2，所得到样品和图3相似。由于大量缺陷的存在，Cu粒子在线痕处附着较多，尺寸较大；而在非晶层区域附着的Cu粒子略少、尺寸较小；因而Cu粒子呈现出选择性的附着。
本实施例使用HF/H2O2为溶解/氧化体系，即生成的SiO2被HF溶解生成水溶性H2SiF6，同时H2O2继续氧化硅片生成SiO2，从而使得这一溶解-氧化过程保持下去，从而对硅片进行化学刻蚀。通常这一过程刻蚀硅片速度较慢，Cu粒子作为化学刻蚀的催化剂，在Cu粒子存在的情况下，这一刻蚀过程将大大提高，因而在Cu粒子下方的硅片将被快速地刻蚀。因此，金刚石线切割硅片表面凸起的线痕快速被刻蚀，同时非晶层也被刻蚀穿。所得到样品的表面和图4相似。
本实施例利用HNO3强氧化作用将硅片表面残留的Cu粒子溶解去除，然后再用4％的HF溶液将表面残留的SiO2去除，最后用去离子水清洗去除残留化学物质，得到满足要求的硅片。
本实施例处理后金刚石线切割硅片，由于将表面的线痕去除和引入大量的微缺陷，采用常规HF/HNO3制绒工艺能够获得令人满意的绒面结构。
由以上技术方案可以看出，本发明中金刚石线切割硅片的表面处理方法和制绒方法，包括如下步骤：
清洗；
放入含有金属离子的刻蚀溶液中，使硅片表面涂覆一层金属粒子，并刻蚀硅片，形成消除了线痕和在非晶层引入微缺陷的表面；
清洗去除金属粒子；
清洗、甩干。
本发明中各溶液的质量百分比浓度或摩尔浓度、清洗或反应温度及时间等均不限于上述实施例中的数值，可以为前述提到的范围之内的任意数值，在此不再列举其他实施例进行说明。
试验证明：由于线痕的消除以及引入大量的微缺陷，采用常规HF/HNO3制绒工艺能够获得令人满意的绒面结构，其电池片的转换效率可提高0.3～0.6％左右，取得了令人满意的效果。
本发明具有以下有益效果：
通过金属粒子在线痕和非晶层区域的选择性附着，以及后续的化学刻蚀消除硅片表面的线痕并在非晶层引入微缺陷，从而解决了对金刚石线切割硅片使用常规HF/HNO3制绒工艺获得理想绒面的困难，能够使用常规工艺对金刚石线切割硅片进行有效制绒，并且通过其制备的晶体硅太阳能电池的转换效率得到了提高。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种金刚石线切割硅片的表面处理方法，所述金刚石线切割硅片表层覆盖有切割引起的非晶硅层，且金刚石线切割硅片表面密布平行的线痕，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、将金刚石线切割硅片进行清洗预处理；
S2、将清洗预处理后的金刚石线切割硅片放入含有金属离子、氧化剂和刻蚀剂的混合溶液中，进行金属离子附着、氧化生成SiO2、催化化学刻蚀反应；
所述金属离子选自金离子、银离子、铜离子和铁离子中的一种或多种；
所述氧化剂选自H2O2、HNO3、H2CrO4溶液中的一种或多种；
所述刻蚀剂为HF；
S3、分别用第一清洗液、第二清洗液、去离子水清洗刻蚀后硅片，分别去除硅片表面残留的金属粒子、氧化层、化学残留；
所述第一清洗液为硝酸溶液；
所述第二清洗液为氢氟酸溶液；
清洗后即可得到去除线痕和含有微缺陷非晶层的硅片。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金刚石线切割硅片为金刚石线切割单晶硅片或金刚石线切割多晶硅片。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金刚石线切割硅片表层覆盖的非晶硅层厚度为1～50nm，表面的线痕高度为1～10μm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
S11、将金刚石线切割硅片放入HF溶液中清洗，去除表面的SiO2氧化层；
S12、将去除表面SiO2氧化层后的金刚石线切割硅片使用去离子水进行超声清洗。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S11具体为：
将金刚石线切割硅片放入质量百分比1～10％HF溶液中清洗，去除表面的SiO2氧化层，清洗时间为60～1200秒，清洗温度为5～30℃。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
金属离子附着，金刚石线切割硅片将金属离子还原成金属粒子并选择性附着在非晶硅层和线痕表面；
氧化生成SiO2，硅片表面被氧化生成SiO2层；
催化化学刻蚀反应，金属粒子作为化学刻蚀的催化剂，生成的SiO2被刻蚀剂溶解生成水溶性物质，同时氧化剂继续氧化硅片生成SiO2，从而使得这一溶解-氧化过程保持下去，对硅片进行化学刻蚀。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中金属离子的浓度为0.0001～1mol/L，氧化剂的浓度为0.001～5mol/L，刻蚀剂的浓度为1～20mol/L，步骤S2的反应时间为10～3600秒。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中：
第一清洗液为质量百分比为10～70％的硝酸溶液，清洗时间为60～1200秒，清洗温度为5～90℃；
第二清洗液为质量百分比为1～10％的氢氟酸溶液，清洗时间为60～1200秒，清洗温度为5～50℃。
9.一种金刚石线切割硅片的制绒方法，其特征在于，所述制绒方法包括：
采用权利要求1～8中任一项所述的方法对金刚石线切割硅片进行表面处理；
将表面处理后的硅片放入制绒溶液中进行制绒。
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