CN105405930A - 一种太阳电池用多晶硅片的微液滴刻蚀制绒方法 - Google Patents
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Abstract
一种太阳电池用多晶硅片的微液滴刻蚀制绒方法，通过密布多晶硅片表面的混合酸溶液微液滴与硅进行化学反应来刻蚀多晶硅片表面的方法。微液滴通过加热混合酸溶液产生的蒸气在一定温度条件下的多晶硅片表面凝结而成。混合酸溶液由硝酸、氢氟酸和水配制而得。本发明的微液滴刻蚀制绒方法使刻蚀反应仅在表面有微液滴处发生，有很强的选择性，不仅使得刻蚀绒面的减反射效果优于上述常规湿法制绒方法，而且可以对难于制绒的金刚石线锯切割多晶硅表面进行制绒，形成高质量的绒面，使表面光反射率减低到17～21%水平，并消除其切割纹。
Description
技术领域
本发明属于太阳电池用多晶硅片技术领域，涉及太阳电池用多晶硅片表面减反射刻蚀制绒的方法。
背景技术
现代光伏产业85%以上基于晶体硅片太阳电池，其中一半以上基于多晶硅片太阳电池。与单晶硅片不同，多晶硅片无法采用碱溶液刻蚀得到密布微小金字塔的理想减反射绒面，生产上一般采用混合酸溶液湿法刻蚀得到一种不尽理想的绒面，其表面反射率一般高于24％，而碱溶液刻蚀的单晶硅片的表面反射率低于13％。而且这种湿法刻蚀还只能适用于砂浆切割的多晶硅片。
太阳电池用硅片传统上都是采用钢丝线配合碳化硅磨料浆来线切割生产，即所谓砂浆切割。采用在钢丝线上涂布了金刚石磨料的金刚石线锯来切割硅片具有切割速率高、环境负荷小的优点，已逐步成功应用于单晶硅片的切割生产。但金刚石线锯切割的多晶硅片却存在难以制绒的问题：用现行湿法刻蚀制绒工艺连上述不尽理想的绒面都得不到，减反射效果不足，而且也不能消除其表观切割纹；调整混合酸配方和工艺条件也不能使之有所改观（MeinelB,KoschwitzT,AckerJ.TexturaldevelopmentofSiCanddiamondwiresawnsc-siliconwafer.EnergyProcedia,2012,27:330-336）。这成为金刚石线锯切割多晶硅片应用发展的难题之一。日本Takato等近年提出了对金刚石切割多晶硅片进行喷砂预处理，经此预处理后再采用常规制绒工艺进行制绒，可以解决上述问题（TakatoH,SakataI,MaseK,IshibashiS,HaradaT,KondoY,AsaiY.Methodforfabricatingsubstrateforsolarcellandsolarcell,USPatent20130306148A1,Nov.,2013）。但是这一技术需附加喷砂处理生产线，所需设备复杂，附加成本高，还面临硅片表面污染与生产环境粉尘污染的问题，所以迄今未见有生产应用报道。
基于等离子体气氛反应刻蚀（国际上一般称RIE技术）的干法制绒技术，能够在多晶硅片表面制得反射率低于10％的绒面，也能够解决金刚石线锯切割多晶硅片制绒问题。但该技术设备复杂昂贵，依赖氟化物类特殊气体原料，成本过高，迄今只有日本京瓷用于多晶硅太阳电池生产。
基于纳米贵金属颗粒催化的湿法刻蚀制绒技术（业内一般称湿法黑硅技术），能够在多晶硅片表面制得反射率低于10％的绒面，但难于消除金刚石线锯切割硅片表面的切割纹，而且存在纳米贵金属颗粒难于回收，工艺成本高，以及水的金属离子污染问题。目前仅有少数中试规模应用尝试。
韩国MinkyJu等曾提出一种气相刻蚀制绒方法和装置（公开号KR20090007126A；M.Ju等，Anewvaportexturingmethodformulticrystallinesiliconsolarcellapplications.MaterialsScienceandEnineeringB.2008,153:66-69），但从其所得硅片表面微观形貌来看，该方法所得实际为一种纳米疏孔硅结构，与后续太阳电池制作工艺难于兼容。迄今未见有任何这类方法被采纳应用的报道。
以上三类方法都需要追加在现行酸性湿法刻蚀制绒基础之上，并不能取代现行酸性湿法刻蚀制绒。
周浪等近年公开了一种可以取代现行酸性湿法刻蚀制绒的气相刻蚀制绒方法（201410311173.5），可以得到与后续太阳电池工艺良好兼容的绒面结构，也可以完全解决金刚石切割多晶硅片制绒问题。但其依赖于气体反应，刻蚀速率较低，难于满足规模化生产需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳电池用多晶硅片的刻蚀制绒方法，通过密布在多晶硅片表面的混合酸溶液微液滴与多晶硅片化学反应来刻蚀多晶硅片表面，不仅可以在制绒过程速率不低于现行混合酸溶液刻蚀制绒的条件下得到比它更好的减反射效果，还可以解决金刚石切割太阳电池用多晶硅片的表面制绒问题。
本发明所述的一种太阳电池用多晶硅片的刻蚀制绒方法，是通过密布多晶硅片表面的混合酸溶液微液滴与硅进行化学反应来刻蚀多晶硅片表面的方法。
所述的混合酸溶液微液滴由混合酸溶液蒸气在处于一定温度条件下的多晶硅片表面凝结产生。
所述的混合酸溶液蒸气由加热混合酸溶液产生，加热温度为60-90℃。所述的混合酸溶液的体积配比为HNO3:HF:H2O=1:0.1-4:0.2-5，HNO3和HF可分别以不同含水量的硝酸和氢氟酸形式加入。
本发明所述的一种太阳电池用多晶硅片的刻蚀制绒方法，多晶硅片温度控制条件为：起始温度40-80℃，刻蚀反应时间为0.5-3分钟，反应结束时温度30-70℃。
一种太阳电池用多晶硅片的微液滴刻蚀制绒方法，将多晶硅片与混合酸溶液共处于一个密封腔室或分处于两个相互联通的密封腔室；混合酸溶液的体积配比为HNO3:HF:H2O=1:0.1-4:0.2-5；加热混合酸溶液至60-90℃，产生腐蚀性蒸气；控制多晶硅片温度，使其起始温度为40-80℃，刻蚀反应结束时温度处于30-70℃；刻蚀多晶硅片0.5-3分钟，之后立即将多晶硅片退出密封腔室，用质量浓度为1-4％的NaOH水溶液漂洗，再用纯水漂洗，烘干，即可在多晶硅片表面得所需绒面。
本发明所述的HNO3和HF可分别以不同含水量的硝酸和氢氟酸形式加入。
本发明所述的多晶硅片为金刚石线锯切割或砂浆线锯切割。
目前太阳电池用多晶硅片的常规制绒方法是让硅片直接浸入混合酸溶液中进行刻蚀，这样的反应刻蚀选择性不够强，制得的绒面的减反射效果不佳，特别是对于金刚石线锯切割的多晶硅片，不能得到生产上要求的减反射效果，而且还不能消除其切割纹。而本发明的微液滴刻蚀制绒方法使刻蚀反应仅在表面有微液滴处发生，有很强的选择性，不仅使得刻蚀绒面的减反射效果优于上述常规湿法制绒方法，而且可以对难于制绒的金刚石线锯切割多晶硅表面进行制绒，形成高质量的绒面，使表面光反射率减低到17～21%水平，并消除其切割纹。反射率测量结果如表1所示；刻蚀表面微观形貌如图1、图2所示：形成了密布表面、大小均匀、形状圆整、较深的刻蚀坑。该方法的刻蚀制绒速率不低于常规湿法制绒方法，适合于规模化生产应用。
附图说明
图1为采用本发明工艺在金刚石线锯切割多晶硅片表面制得的绒面形貌（扫描电镜照片，低倍放大）。
图2为采用本发明工艺在金刚石线锯切割多晶硅片表面制得的绒面形貌（扫描电镜照片，高倍放大）。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1。
将金刚石线锯切割多晶硅片与混合酸溶液槽共置于密封腔室。混合酸溶液的体积配比为HNO3:HF:H2O=1:0.2:0.8，混合酸溶液温度为90℃，产生腐蚀性蒸气；多晶硅片温度控制条件为：起始温度50℃，刻蚀结束时温度40℃；在此条件下使腐蚀性蒸气在硅片表面凝结并刻蚀硅片3分钟，之后硅片立即退出密封腔室，然后用质量浓度为3％的NaOH水溶液漂洗，再用纯水漂洗，烘干，即得所需绒面。
实施例2。
将金刚石线锯切割多晶硅片与混合酸溶液槽共置于密封腔室。混合酸溶液的体积配比为HNO3:HF:H2O=1:0.1:0.8，混合酸溶液温度为85℃，产生腐蚀性蒸气；多晶硅片温度控制条件为：起始温度50℃，刻蚀结束时温度40℃；在此条件下使腐蚀性蒸气在硅片表面凝结并刻蚀硅片3分钟，之后硅片立即退出密封腔室，然后用质量浓度为3％的NaOH水溶液漂洗，再用纯水漂洗，烘干，即得所需绒面。
实施例3。
将金刚石线锯切割多晶硅片与混合酸溶液槽共置于密封腔室。混合酸溶液的体积配比为HNO3:HF:H2O=1:4:5，混合酸溶液温度为90℃，产生腐蚀性蒸气；多晶硅片温度控制条件为：起始温度80℃，刻蚀结束时温度70℃；在此条件下使腐蚀性蒸气在硅片表面凝结并刻蚀硅片2分钟，之后硅片立即退出密封腔室，然后用质量浓度为1％的NaOH水溶液漂洗，再用纯水漂洗，烘干，即得所需绒面。
实施例4。
将金刚石线锯切割多晶硅片与混合酸溶液槽共置于密封腔室。混合酸溶液的体积配比为HNO3:HF:H2O=1:1:2，混合酸溶液温度为80℃，产生腐蚀性蒸气；多晶硅片温度控制条件为：起始温度70℃，刻蚀结束时温度55℃；在此条件下使腐蚀性蒸气在硅片表面凝结并刻蚀硅片1.5分钟，之后硅片立即退出密封腔室，然后用质量浓度为4％的NaOH水溶液漂洗，再用纯水漂洗，烘干，即得所需绒面。
实施例5。
将金刚石线锯切割多晶硅片与混合酸溶液槽共置于密封腔室。混合酸溶液的体积配比为HNO3:HF:H2O=1:0.2:0.2，混合酸溶液温度为60℃，产生腐蚀性蒸气；多晶硅片温度控制条件为：起始温度40℃，刻蚀结束时温度30℃；在此条件下使腐蚀性蒸气在硅片表面凝结并刻蚀硅片1.5分钟，之后硅片立即退出密封腔室，然后用质量浓度为3％的NaOH水溶液漂洗，再用纯水漂洗，烘干，即得所需绒面。
实施例6。
将金刚石线锯切割多晶硅片与混合酸溶液槽共置于密封腔室。混合酸溶液的体积配比为HNO3:HF:H2O=1:0.3:0.2，混合酸溶液温度为70℃，产生腐蚀性蒸气；多晶硅片温度控制条件为：起始温度70℃，刻蚀结束时温度60℃；在此条件下使腐蚀性蒸气在硅片表面凝结并刻蚀硅片0.5分钟，之后硅片立即退出密封腔室，然后用质量浓度为3％的NaOH水溶液漂洗，再用纯水漂洗，烘干，即得所需绒面。
实施例7。
将砂浆线锯切割多晶硅片与混合酸溶液槽共置于密封腔室。混合酸溶液的体积配比为HNO3:HF:H2O=1:1:2，混合酸溶液温度为80℃，产生腐蚀性蒸气；多晶硅片温度控制条件为：起始温度70℃，刻蚀结束时温度55℃；在此条件下使腐蚀性蒸气在硅片表面凝结并刻蚀硅片1.3分钟，之后硅片立即退出密封腔室，然后用质量浓度为4％的NaOH水溶液漂洗，再用纯水漂洗，烘干，即得所需绒面。
实施例8。
将砂浆线锯切割多晶硅片与混合酸溶液槽共置于密封腔室。混合酸溶液的体积配比为HNO3:HF:H2O=1:0.2:0.8，混合酸溶液温度为90℃，产生腐蚀性蒸气；多晶硅片温度控制条件为：起始温度50℃，刻蚀结束时温度40℃；在此条件下使腐蚀性蒸气在硅片表面凝结并刻蚀硅片2.5分钟，之后硅片立即退出密封腔室，然后用质量浓度为3％的NaOH水溶液漂洗，再用纯水漂洗，烘干，即得所需绒面。
实施例9。
将金刚石线锯切割多晶硅片与混合酸溶液槽分别置于两个密封腔室，腔室之间以管道相连接。混合酸溶液的体积配比为HNO3:HF:H2O=1:1:2，混合酸溶液温度为85℃，产生腐蚀性蒸气；多晶硅片温度控制条件为：起始温度70℃，刻蚀结束时温度55℃；在此条件下使腐蚀性蒸气通过连接管道进入硅片腔室，在硅片表面凝结并刻蚀硅片1.7分钟，之后硅片立即退出密封腔室，然后用质量浓度为4％的NaOH水溶液漂洗，再用纯水漂洗，烘干，即得所需绒面。
实施例10。
将金刚石线锯切割多晶硅片与混合酸溶液槽分别置于两个密封腔室，腔室之间以管道相连接。混合酸溶液的体积配比为HNO3:HF:H2O=1:0.3:0.2，混合酸溶液温度为80℃，产生腐蚀性蒸气；多晶硅片温度控制条件为：起始温度70℃，刻蚀结束时温度60℃；在此条件下使腐蚀性蒸气通过连接管道进入硅片腔室，在硅片表面凝结并刻蚀硅片0.7分钟，之后硅片立即退出密封腔室，然后用质量浓度为4％的NaOH水溶液漂洗，再用纯水漂洗，烘干，即得所需绒面。
实施例11。
将砂浆线锯切割多晶硅片与混合酸溶液槽分别置于两个密封腔室，腔室之间以管道相连接。混合酸溶液的体积配比为HNO3:HF:H2O=1:1:2，混合酸溶液温度为85℃，产生腐蚀性蒸气；多晶硅片温度控制条件为：起始温度70℃，刻蚀结束时温度55℃；在此条件下使腐蚀性蒸气通过连接管道进入硅片腔室，在硅片表面凝结并刻蚀硅片1.5分钟，之后硅片立即退出密封腔室，然后用质量浓度为4％的NaOH水溶液漂洗，再用纯水漂洗，烘干，即得所需绒面。
实施例12。
将砂浆线锯切割多晶硅片与混合酸溶液槽分别置于两个密封腔室，腔室之间以管道相连接。混合酸溶液的体积配比为HNO3:HF:H2O=1:0.3:0.2，混合酸溶液温度为80℃，产生腐蚀性蒸气；多晶硅片温度控制条件为：起始温度70℃，刻蚀结束时温度60℃；在此条件下使腐蚀性蒸气通过连接管道进入硅片腔室，在硅片表面凝结并刻蚀硅片0.5分钟，之后硅片立即退出密封腔室，然后用质量浓度为4％的NaOH水溶液漂洗，再用纯水漂洗，烘干，即得所需绒面。
表1采用本发明方法与常规酸刻蚀方法对多晶硅片制绒后的减反射效果对照一览表（以400～900纳米波长范围光的反射率的平均值衡量）
Claims (4)
1.一种太阳电池用多晶硅片的微液滴刻蚀制绒方法，其特征是通过密布多晶硅片表面的混合酸溶液微液滴与硅进行化学反应来刻蚀多晶硅片表面的方法。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是将多晶硅片与混合酸溶液共处于一个密封腔室或分处于两个相互联通的密封腔室；混合酸溶液的体积配比为HNO3:HF:H2O=1:0.1-4:0.2-5；加热混合酸溶液至60-90℃，产生腐蚀性蒸气；控制多晶硅片温度，使其起始温度为40-80℃，刻蚀反应结束时温度处于30-70℃；刻蚀多晶硅片0.5-3分钟，之后立即将多晶硅片退出密封腔室，用质量浓度为1-4％的NaOH水溶液漂洗，再用纯水漂洗，烘干，即可在多晶硅片表面得所需绒面。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述的HNO3和HF为分别以不同含水量的硝酸和氢氟酸形式加入。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述的多晶硅片为金刚石线锯切割或砂浆线锯切割。
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