CN112185865A - 一种用于TOPCon电池的链式湿法刻蚀设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于TOPCon电池的链式湿法刻蚀设备，包括五个功能区以及贯穿每个功能区的传送装置；所述五个功能区为第一酸洗区、第一碱洗区、第二酸洗区、第二碱洗区和第三酸洗区；所述第一酸洗区、第二酸洗区和第三酸洗区的溶液为氢氟酸溶液；所述第一碱洗区和第二碱洗区的溶液为氢氧化钠或氢氧化钾溶液；待刻蚀硅片利用传送装置依次通过第一酸洗区、第一碱洗区、第二酸洗区、第二碱洗区和第三酸洗区。本发明的链式湿法刻蚀设备，去除绕镀多晶硅的同时隔离边缘，实现了TOPCon电池的生产连续性，同时提高了电池的转换效率；设备自动化程度高，产能高，适应大规模生产要求；设备容易实现，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种链式湿法刻蚀设备，尤其涉及一种用于TOPCon电池的链式湿法刻蚀设备。
背景技术
晶硅太阳能电池制造领域，链式湿法设备由于设备制作成本低、产量高、制程效果稳定等优点而被广泛使用。常见的链式湿法设备有链式制绒设备，链式酸刻蚀设备，链式去磷硅玻璃（PSG）设备等。链式制绒设备通常用来对硅片进行单面制绒，链式酸刻蚀设备通常用来对电池半成品进行背面抛光，链式去磷硅玻璃设备通常用来对电池半成品进行单面磷硅玻璃的去除。
随着晶硅太阳能电池技术的更新发展，隧穿氧化钝化接触（TOPCon）电池得到了越来越多的关注，越来越多的机构已经及投入TOPCon电池的研究和生产中。TOPCon电池使用隧穿氧化层和掺杂多晶硅层对硅片背面进行钝化，能够大幅提升电池的性能，但是制作掺杂多晶硅时会在硅片正面形成绕镀多晶硅，同时在硅片侧面形成漏电区域，极大的损害电池性能。
目前TOPCon电池制作过程中，去除绕镀多晶硅以及隔离硅片边沿，通常采用多个步骤的湿化学处理方法，工艺切换程序繁杂，无法通过单一的设备连续实现，自动化程度低。
发明内容
发明目的：本发明提出一种用于TOPCon电池的链式湿法刻蚀设备，能够去除TOPCon电池表面的绕镀多晶硅，并对电池边缘进行隔离，能够实现TOPCon电池边缘刻蚀的自动化连续生产。
技术方案：本发明采用如下技术方案：
一种用于TOPCon电池的链式湿法刻蚀设备，包括：五个功能区以及贯穿各功能区的传送装置；所述五个功能区为第一酸洗区、第一碱洗区、第二酸洗区、第二碱洗区和第三酸洗区；所述第一酸洗区、第二酸洗区和第三酸洗区的溶液为氢氟酸溶液；所述第一碱洗区和第二碱洗区的溶液为氢氧化钠或氢氧化钾溶液；待刻蚀硅片利用传送装置依次通过第一酸洗区、第一碱洗区、第二酸洗区、第二碱洗区和第三酸洗区。
所述的链式湿法刻蚀设备，还包括设置在每个功能区之后的水洗区，用于清洗硅片表面的药液残留。优选的，所述每个水洗区的顶部设有喷淋装置。
优选的，所述传送装置在第一酸洗区设有水平排列的下滚轮组，待刻蚀硅片通过水上漂的方式传送通过；所述传送装置在第一碱洗区、第二酸洗区、第二碱洗区和第三酸洗区设有水平排列的下滚轮组以及与下滚轮组上下对应的上滚轮组，待刻蚀硅片从上滚轮组和下滚轮组之间传送通过。
优选的，所述传送装置在水洗区设有水平排列的下滚轮组以及与下滚轮组上下对应的上滚轮组，待刻蚀硅片从上滚轮组和下滚轮组之间传送通过。
进一步优选的，所述第一酸洗区的溶液液面低于下滚轮组的上切面；所述第一碱洗区、第二酸洗区、第二碱洗区和第三酸洗区的溶液液面高于下滚轮组的上切面。
优选的，所述第一碱洗区和所述第二碱洗区的内部还设置有加热系统，用于精确控制刻蚀深度。
优选的，所述第一酸洗区的入口处还设置有水膜区。
优选的，所述链式湿法刻蚀设备的出口处还设置有干燥区，用于去除硅片表面的水分。
优选的，所述氢氟酸溶液的浓度为1~30%。
优选的，所述氢氧化钠或氢氧化钾溶液的浓度为1~40%。
作为本发明的另一个优选方案，本发明的链式湿法刻蚀设备，所述传送装置在第一酸洗区和第二酸洗区设有水平排列的下滚轮组，所述传送装置在第一碱洗区、第二碱洗区和第三酸洗区设有水平排列的下滚轮组以及与下滚轮组上下对应的上滚轮组。
进一步优选的，所述第一酸洗区和第二酸洗区的溶液液面低于下滚轮组的上切面；所述第一碱洗区、第二碱洗区和第三酸洗区的溶液液面高于下滚轮组的上切面。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
（1）本发明的链式湿法刻蚀设备，去除绕镀多晶硅的同时隔离边缘，实现了TOPCon电池的生产连续性，同时提高了电池的转换效率；
（2）本发明的链式湿法刻蚀设备，自动化程度高，产能高，适应大规模生产要求，大幅降低了电池的制作成本；
（3）本发明的链式湿法刻蚀设备容易实现，成本低。
附图说明
图1是本发明链式湿法刻蚀设备的结构示意图；
图2是本发明链式湿法刻蚀设备的另一结构示意图；
图3是本发明刻蚀TOPCon电池的工艺原理图；
图4是本发明刻蚀TOPCon电池的另一工艺原理图；
图5是本发明TOPCon电池背面的ECV测试图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图3和图4，TOPCon电池制备过程中，硅衬底101正面硼扩散后形成硼掺杂层102，硼掺杂层102的表面沉积有厚度约10～300nm的掩膜层103，背面先沉积一层厚度约0.5～3nm的隧穿氧化层105，隧穿氧化层105上沉积本征非晶硅层，再通过磷扩散退火将本征非晶硅层晶化成掺磷多晶硅层106，同时在掺磷多晶硅层106表面形成一层厚度约1~40nm 的PSG（磷硅玻璃）层107。在这过程中，隧穿氧化层105会在硅衬底101侧面形成绕扩隧穿氧化层，本征非晶硅层会在硅衬底101的侧面和正面形成绕镀非晶硅层，磷扩散退火时本征非晶硅层和绕镀的非晶硅层均被晶化成掺磷多晶硅层106，同时磷元素会穿透掺磷多晶硅层106下方的隧穿氧化层105进入硅衬底101中形成磷掺杂层104（硅片双面沉积时如图3的硅片初始状态，硅片单面沉积时如图4的硅片初始状态）。因此导致磷掺杂层104既与硅片正面的硼掺杂层102相连，也与硅片背面的钝化接触层（隧穿氧化层105和掺磷多晶硅层106称为钝化接触层）相连，导致电池产生严重的漏电。如图5，从TOPCon电池背面的ECV测试图可以看出电池背面从硅衬底101向外依次延伸有：厚度约70nm的磷掺杂层104、厚度约3nm的隧穿氧化层105、厚度约135nm的掺磷多晶硅层106、厚度约4nm的PSG层107。现有技术通常只考虑去除绕镀多晶硅，但是忽略了硅片侧面的磷掺杂层，严重影响电池的综合电性能。
本发明的链式湿法刻蚀设备，既可以去除TOPCon电池的绕镀多晶硅，还可以对TOPCon电池进行边缘隔离。如图1和图2，该设备主要包括五个功能区以及贯穿各功能区的传送装置，五个功能区分别为第一酸洗区1、第一碱洗区2、第二酸洗区3、第二碱洗区4和第三酸洗区5。每个功能区后面均设置有水洗区6，水洗区6设置有喷淋装置11，用于清洗硅片表面的残留药液。设备出口处设置有干燥区7，用于烘干硅片表面的水分。第一酸洗区1的入口处设置有水膜区9，待刻蚀硅片正面朝下进入第一酸洗区前，背面先覆盖一层水膜，保护背面PSG层107不被酸液腐蚀。第一碱洗区2和第二碱洗区4的内部还设置有加热系统8，碱洗温度根据工艺要求进行调整，用于精确控制刻蚀深度。其中，第一酸洗区1、第二酸洗区3和第三酸洗区5的溶液为浓度1~30%的氢氟酸溶液；第一碱洗区2和第二碱洗区4的溶液为浓度1~40%的氢氧化钠或氢氧化钾溶液。待刻蚀硅片利用传送装置依次通过水膜区9、第一酸洗区1、水洗区6、第一碱洗区2、水洗区6、第二酸洗区3、水洗区6、第二碱洗区4、水洗区6、第三酸洗区5、水洗区6和干燥区7。
本发明对设备各功能区的长度、带速以及工艺时间不作限制，本发明设备各功能区在硅片行进方向的长度优选为0.5～2m，带速优选为0.5～2.5m/min，各功能区的工艺时间根据工艺要求优选为5～300s。
作为本发明的一种技术方案，如图1，传送装置在第一酸洗区1设有水平排列的下滚轮组，在第一碱洗区2、第二酸洗区3、第二碱洗区4、第三酸洗区5以及各水洗区6设有水平排列的下滚轮组以及与下滚轮组上下对应的上滚轮组。上滚轮组和下滚轮组均由多根滚轮12组成，滚轮12的表面设有凹槽，用于携带药液确保硅片表面和药液充分接触。其中，第一酸洗区1的溶液液面低于下滚轮组的上切面；第一碱洗区2、第二酸洗区3、第二碱洗区4、第三酸洗区5和各水洗区6的溶液液面高于下滚轮组的上切面。
作为本发明的另一种技术方案，如图2，传送装置在第一酸洗区1和第二酸洗区3设有水平排列的下滚轮组，在第一碱洗区2、第二碱洗区4、第三酸洗区5以及各水洗区6设有水平排列的下滚轮组以及与下滚轮组上下对应的上滚轮组。上滚轮组和下滚轮组均由多根滚轮12组成，滚轮12的表面设有凹槽，用于携带药液确保硅片表面和药液充分接触。其中，第一酸洗区1和第二酸洗区3的溶液液面低于下滚轮组的上切面；第一碱洗区2、第二碱洗区4、第三酸洗区5和各水洗区6的溶液液面高于下滚轮组的上切面。
本发明的第一酸洗区1为去PSG区，待刻蚀硅片正面朝下，背面覆盖有水膜通过传送装置进入第一酸洗区1，硅片正面与滚轮12表面凹槽携带的氢氟酸溶液接触，由于表面张力的作用硅片侧面也会接触氢氟酸溶液，达到去除硅片正面和侧面的PSG层107。
本发明的第一碱洗区2为去除绕镀多晶硅区，待刻蚀硅片经过第一酸洗区1酸洗和水洗区6水洗后，进入第一碱洗区2，硅片从上下滚轴之间穿过，硅片正面和侧面绕镀的掺磷多晶硅层106与碱溶液发生反应而被去除，硅片背面由于PSG层107的保护使得背面的掺磷多晶硅层106得以完整保留。
本发明的第二酸洗区3为去隧穿层区，待刻蚀硅片经过第一碱洗区2碱洗和水洗区6水洗后，进入第二酸洗区3，硅片从上下滚轮之间穿过，硅片侧面的隧穿氧化层105与氢氟酸溶液发生反应被去除，由于正面掩膜层103的厚度和背面PSG层107的厚度均大于隧穿氧化层105的厚度而被保留。
作为本发明的另一种技术方案，第二酸洗区3还可以为只包括水平排列的下滚轮组，待刻蚀硅片进入第二酸洗区3，硅片正面与滚轮12上携带的氢氟酸溶液接触，由于表面张力的作用硅片侧面也会接触氢氟酸溶液，达到去除硅片侧面的隧穿氧化层105，此时硅片正面的掩膜层103厚度有所减薄但不会彻底被去除，硅片背面的PSG层107得以完整保留。
本发明的第二碱洗区4为边缘隔离区，待刻蚀硅片经过第二酸洗区3酸洗和水洗区6水洗后，进入第二碱洗区4，硅片从上下滚轮之间穿过，硅片侧面的磷掺杂层104与碱溶液发生反应而被去除，硅片正面由于掩膜层103覆盖不会被腐蚀。
本发明的第三酸洗区5为脱水区，待刻蚀硅片经过第二碱洗区4碱洗和水洗区6水洗后，进入第三酸洗区5，硅片正面的掩膜层103和背面的PSG层107与氢氟酸溶液发生反应而被去除。
具体的，TOPCon电池制备过程中，硅片正面的掩膜层103可以是硼掺杂过程形成的硼硅玻璃、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝其中的一种或多种叠加。掩膜层103的特点为易溶于氢氟酸且难溶于碱溶液，在本发明链式刻蚀设备的第一碱洗区（去绕镀多晶硅区）和第二碱洗区（边缘隔离区）中保护硅片正面不被碱溶液腐蚀，其厚度大于PSG层107与隧穿氧化层105的厚度总和，以保证硅片在经过链式刻蚀设备的第一酸洗区1（去PSG区）和第二酸洗区3（去隧穿层区）后不会被完全去除。
如图3和图4，待刻蚀硅片在本发明的链式刻蚀设备中的反应过程如箭头所示，具体包括如下步骤：
（1）硅片正面朝下经过第一酸洗区1，硅片正面只与第一酸洗区1的酸液接触反应，硅片正面和侧面的PSG层107被去除；
（2）硅片正面和背面均经过第一碱洗区2碱洗，硅片正面和侧面绕镀的掺磷多晶硅层106被去除；
（3）硅片正面和背面均经过第二酸洗区3酸洗，或者硅片正面只与第二酸洗区3的酸液接触反应，硅片侧面的隧穿氧化层105被去除；
（4）硅片正面和背面均经过第二碱洗区4碱洗，硅片侧面的磷掺杂层104被去除；
（5）硅片正面和背面均经过第三酸洗区5酸洗，硅片正面的掩膜层103和背面的PSG层107被去除。
本发明的链式湿法刻蚀设备，不仅解决了TOPCon电池的绕镀多晶硅的去除问题，还实现了电池边缘良好的隔离效果，实现了设备自动化刻蚀工艺，克服了现有TOPCon电池量产过程中工艺连续性问题。
本发明仅表示设备的基础功能设计，基于此基础功能设计的其它优化类方案也属于本发明的保护范畴。对于TOPCon电池制作过程中使用原位掺杂非晶硅且经过退火的样品，由于背面氧化层极薄，氧化层在碱溶液中对背面非晶硅保护效果较弱。本发明中所有酸洗区和碱洗区可全部设置为只包含水平排列的下滚轮组，且药液液面高度低于下滚轮组的上切面，以避免药液对硅片背面的腐蚀。事实上该优化可通过简单的人工操作和工艺条件改变即可实现。
Claims (10)
1.一种用于TOPCon电池的链式湿法刻蚀设备，其特征在于：包括五个功能区以及贯穿每个功能区的传送装置；所述五个功能区为第一酸洗区（1）、第一碱洗区（2）、第二酸洗区（3）、第二碱洗区（4）和第三酸洗区（5）；所述第一酸洗区（1）、第二酸洗区（3）和第三酸洗区（5）的溶液为氢氟酸溶液；所述第一碱洗区（2）和第二碱洗区（4）的溶液为氢氧化钠或氢氧化钾溶液；待刻蚀硅片利用传送装置依次通过第一酸洗区（1）、第一碱洗区（2）、第二酸洗区（3）、第二碱洗区（4）和第三酸洗区（5）。
2.根据权利要求1所述的链式湿法刻蚀设备，其特征在于：还包括设置在每个功能区之后的水洗区（6）。
3.根据权利要求1所述的链式湿法刻蚀设备，其特征在于：所述传送装置在第一酸洗区（1）设有水平排列的下滚轮组，所述传送装置在第一碱洗区（2）、第二酸洗区（3）、第二碱洗区（4）和第三酸洗区（5）设有水平排列的下滚轮组以及与下滚轮组上下对应的上滚轮组。
4.根据权利要求3所述的链式湿法刻蚀设备，其特征在于：所述第一酸洗区（1）的溶液液面低于下滚轮组的上切面；所述第一碱洗区（2）、第二酸洗区（3）、第二碱洗区（4）和第三酸洗区（5）的溶液液面高于下滚轮组的上切面。
5.根据权利要求3所述的链式湿法刻蚀设备，其特征在于：所述第二酸洗区（3）的传送装置还可以是只包括水平排列的下滚轮组。
6.根据权利要求5所述的链式湿法刻蚀设备，其特征在于：所述第一酸洗区（1）和第二酸洗区（3）的溶液液面低于下滚轮组的上切面；所述第一碱洗区（2）、第二碱洗区（4）和第三酸洗区（5）的溶液液面高于下滚轮组的上切面。
7.根据权利要求1所述的链式湿法刻蚀设备，其特征在于：所述第一碱洗区（2）和所述第二碱洗区（4）的内部还设置有加热系统（8）。
8.根据权利要求1所述的链式湿法刻蚀设备，其特征在于：所述第一酸洗区（1）的入口处还设置有水膜区（9）。
9.根据权利要求1所述的链式湿法刻蚀设备，其特征在于：所述氢氟酸溶液的浓度为1~30%。
10.根据权利要求1所述的链式湿法刻蚀设备，其特征在于：所述氢氧化钠或氢氧化钾溶液的浓度为1~40%。
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