CN116885046A - 一种单晶硅片制绒方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太阳能电池制造技术领域，尤其涉及一种单晶硅片制绒方法。本发明用于单晶硅片的制绒方法，包括如下步骤：第一次制绒：使用氩离子气体对单晶硅片进行反应离子刻蚀，得到一次处理硅片；第二次制绒：将所述一次处理硅片使用化学腐蚀液进行化学腐蚀过程，得到二次处理硅片；第三次制绒：使用氟离子气体对所述二次处理硅片进行反应离子刻蚀，得到制绒后硅片。其中在第二次制绒之前设置了第一次制绒能够去除脏污，提高第二次制绒过程绒面液膜覆盖的均匀程度，从而减少绒面雨点现象。并且在前两次制绒的基础上，增加第三次制绒，能够使得绒面更为均匀和规则。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池制造技术领域，尤其涉及一种单晶硅片制绒方法。
背景技术
太阳能发电当前主要包括两个大方面：光热发电（thermal power plants）和光伏（photovoltaic，PV）发电。其中光伏发电是利用半导体界面中产生的光生伏特效应，将太阳辐射的能量直接转变为电能的一种技术，这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池是将太阳辐射的能量直接转化成电能的半导体器件。
太阳能电池分为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池，其中，单晶硅太阳能电池由高纯度的单晶硅材料制成，具有高度的结晶度，晶体较大且排列有序；而多晶硅太阳能电池由多晶硅材料制成，晶体结构比较松散，晶界较多。因此，单晶硅电池的结晶度较高，效率相对较高。并且，虽然单晶硅电池的生产成本相较于多晶硅更高，但随着技术的进步，单晶硅电池的生产成本正在逐渐下降，与多晶硅电池的价格差距正在缩小，具有了良好的市场前景。
未经处理的原始单晶硅硅片的表面往往存在很多的机械损伤或者划痕，一般通过表面清洗制绒的方式去除，并且清洗制绒的过程能够在硅片表面形成许多凹凸结构，从而增加太阳能电池表面的陷光效果。陷光效果指光线在表面上发生多次反射和散射可防止光能损失，从而提高电池的短路电流和电池效率。
对于单晶硅片，一般采用化学腐蚀的方法进行清洗制绒，单晶硅制绒采用的化学腐蚀液为低浓度的氢氧化钠溶液，化学反应式如下：
Si+NaOH+H2O→Na2SiO3+2H2↑
一般会在氢氧化钠溶液中加入一定量的异丙醇溶液，用于控制腐蚀速率，以获得所需的绒面质量。异丙醇可以协助氢气的释放，并可以减缓氢氧根离子的腐蚀反应，使绒面在硅片表面均匀形成，从而得到期望的绒面质量。然而硅片上切痕和损伤过多时，会使得异丙醇在硅片上切痕和损伤处聚集或流动不均匀，便导致氢气在这些区域聚集形成氢气泡。氢气泡的存在可能会阻碍化学腐蚀液的正常流动，这会导致化学腐蚀液在氢气泡附近的区域的腐蚀速率减慢，从而使得该区域的局部浓度不足，这种局部浓度不足可能会导致硅片表面的腐蚀速率降低，影响腐蚀的均匀性。
综上，目前需要一种提高单晶硅片清洗制绒质量的方法。
发明内容
本发明目的是提供一种单晶硅片制绒方法。制绒时，先将硅片再经过反应离子刻蚀进行第一次制绒，然后将上述硅片进行化学腐蚀去除晶体硅表面损伤层进行第二次制绒，最后将上述硅片再经过反应离子刻蚀进行第三次制绒。其中第一次制绒能够去除脏污，提高绒面液膜覆盖的均匀程度，从而减少绒面雨点现象。并且在前两次制绒的基础上，增加第三次制绒，能够使得绒面更为均匀和规则。
本发明解决上述问题采用的技术方案是：一种用于单晶硅片的制绒方法，包括如下步骤：
S01.第一次制绒：使用氩离子气体对单晶硅片进行反应离子刻蚀，得到一次处理硅片；
S02.第二次制绒：将所述一次处理硅片使用化学腐蚀液进行化学腐蚀过程，得到二次处理硅片；其中所述化学腐蚀液包括按重量计的以下组分：水100-200份，氢氧化钠1-5份，异丙醇1-10份；
S03.第三次制绒：使用氟离子气体对所述二次处理硅片进行反应离子刻蚀，得到制绒后硅片。
其中，制绒过程的反应离子刻蚀是通过刻蚀装置中的离子束对材料表面进行加工和去除的过程。选择合适的离子种类取决于所需的刻蚀效果和材料的特性。不同的离子种类具有不同的能量和反应性，可以实现不同的刻蚀速率和刻蚀选择性。在第一次制绒时，使用氩离子处理单晶硅片，通过氩离子轰击材料表面来去除不平坦或不理想的表面特征，具体为氩离子轰击材料表面时，会引起表面原子的重排和扩散。重排是指原子重新排列以填补表面凹陷或去除表面突起，从而使表面更加平坦。扩散是指原子从高处向低处扩散，填补表面不平坦的区域。
此外，氩离子具有较高的惰性，不易与大多数材料发生化学反应，因此在第一次制绒时表面平整化中使用氩离子束，以避免对材料进行化学改变而影响第二次制绒的过程。并且，实现表面平整化需要控制离子束的能量和角度，而氩离子的能量较高，以保证离子能够有效地穿透材料表面并移动表面原子。此外，使用氩离子实现表面平整化需要控制多个参数，如离子束能量、角度、刻蚀时间和离子束的密度等。这些参数的调节可以根据材料的特性和平整化的目标来进行优化。
在第三次制绒时，使用氟离子处理二次处理硅片，氟离子具有较高的反应性，能够实现对硅材料的刻蚀。并且氟离子刻蚀对硅材料有较高的选择性，在氟离子刻蚀过程中，氟离子主要与硅表面的氧化物反应，而与纯硅的反应较弱。这种选择性使得氟离子刻蚀能够实现对硅材料的选择性刻蚀，而不过度刻蚀纯硅，使得硅片最终的形貌更加均匀。
进一步优选的技术方案在于：步骤S01中，所述氩离子气体包括氩气40-80sccm。
进一步优选的技术方案在于：步骤S01中，反应离子刻蚀功率为150-400w，时间为50-150s。
进一步优选的技术方案在于：步骤S03中，所述氟离子气体包括四氟化碳20-40sccm，氧气2-4sccm。
进一步优选的技术方案在于：步骤S03中，反应离子刻蚀功率为150-400w，时间为20-100s。
进一步优选的技术方案在于：步骤S02中，化学腐蚀过程时间为15-20min。
进一步优选的技术方案在于：步骤S02中，化学腐蚀过程温度为70-75℃。
进一步优选的技术方案在于：步骤S02中，化学腐蚀过程还包括异丙醇补充过程，所述异丙醇补充过程的速度为1-2份/min。
由于异丙醇易挥发，当异丙醇挥发后会引起化学腐蚀液中异丙醇的含量不足，就会导致硅片反应后产生的氢气不能及时的被协助释放，所以在化学腐蚀过程中补充异丙醇，能够避免上述情况发生。
进一步优选的技术方案在于：单晶硅片的制绒方法还包括如下步骤：
S04.对所述制绒后硅片进行酸洗，时间为30-60s。
进一步优选的技术方案在于：步骤S04中，所述酸洗步骤为，氢氟酸洗涤，然后去离子水洗涤，然后盐酸洗涤，最后去离子水洗涤。
其中，氢氟酸的作用在于去除硅片表面的硅酸钠以及氧化物，盐酸的作用是清除表面金属离子杂质。
综上，本发明具有以下有益之处：
1.第一次制绒设置在第二次制绒之前，能够对硅片表面切痕和损伤进行一定程度上的清理，以便于第二次制绒时化学腐蚀过程的进行；
2.第三次制绒能够进一步处理硅片表面未被化学腐蚀处理过的表面，使得最终获得的硅片更加均匀；
3.通过反应离子刻蚀和化学腐蚀的多次制绒，可以形成更加均匀、规则且具有较高纹理深度的表面结构，这种纹理结构可以提高太阳能电池对入射光的吸收能力，从而提高光电转换效率。
附图说明
图1为单晶硅片的制绒方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
实施例一：
在本实施例中，用于单晶硅片的制绒方法，包括如下步骤：
S01.第一次制绒：使用氩离子气体对单晶硅片进行反应离子刻蚀，得到一次处理硅片；所述氩离子气体包括氩气80sccm，反应离子刻蚀功率为400w，时间为150s。
S02.第二次制绒：将所述一次处理硅片使用化学腐蚀液进行化学腐蚀过程，得到二次处理硅片；其中所述化学腐蚀液包括按重量计的以下组分：水200份，氢氧化钠5份，异丙醇10份；化学腐蚀过程时间为20min，温度为75℃；化学腐蚀过程还包括异丙醇补充过程，所述异丙醇补充过程的速度为2份/min。
S03.第三次制绒：使用氟离子气体对所述二次处理硅片进行反应离子刻蚀，得到制绒后硅片；氟离子气体包括四氟化碳40sccm，氧气4sccm，反应离子刻蚀功率为400w，时间为100s。
实施例二：
在本实施例中，用于单晶硅片的制绒方法，包括如下步骤：
S01.第一次制绒：使用氩离子气体对单晶硅片进行反应离子刻蚀，得到一次处理硅片；所述氩离子气体包括氩气40sccm，反应离子刻蚀功率为150w，时间为50s。
S02.第二次制绒：将所述一次处理硅片使用化学腐蚀液进行化学腐蚀过程，得到二次处理硅片；其中所述化学腐蚀液包括按重量计的以下组分：水100份，氢氧化钠1份，异丙醇1份；化学腐蚀过程时间为15min，温度为70℃；化学腐蚀过程还包括异丙醇补充过程，所述异丙醇补充过程的速度为1份/min。
S03.第三次制绒：使用氟离子气体对所述二次处理硅片进行反应离子刻蚀，得到制绒后硅片；氟离子气体包括四氟化碳20sccm，氧气2sccm，反应离子刻蚀功率为150w，时间为20s。
实施例三：
在本实施例中，用于单晶硅片的制绒方法，包括如下步骤：
S01.第一次制绒：使用氩离子气体对单晶硅片进行反应离子刻蚀，得到一次处理硅片；所述氩离子气体包括氩气60sccm，反应离子刻蚀功率为300w，时间为200s。
S02.第二次制绒：将所述一次处理硅片使用化学腐蚀液进行化学腐蚀过程，得到二次处理硅片；其中所述化学腐蚀液包括按重量计的以下组分：水150份，氢氧化钠4份，异丙醇8份；化学腐蚀过程时间为18min，温度为73℃；化学腐蚀过程还包括异丙醇补充过程，所述异丙醇补充过程的速度为2份/min。
S03.第三次制绒：使用氟离子气体对所述二次处理硅片进行反应离子刻蚀，得到制绒后硅片；氟离子气体包括四氟化碳30sccm，氧气3sccm，反应离子刻蚀功率为300w，时间为80s。
实施例四：
在本实施例中，用于单晶硅片的制绒方法，包括如下步骤：
S01.第一次制绒：使用氩离子气体对单晶硅片进行反应离子刻蚀，得到一次处理硅片；所述氩离子气体包括氩气15sccm，反应离子刻蚀功率为200w，时间为100s。
S02.第二次制绒：将所述一次处理硅片使用化学腐蚀液进行化学腐蚀过程，得到二次处理硅片；其中所述化学腐蚀液包括按重量计的以下组分：水120份，氢氧化钠2份，异丙醇3份；化学腐蚀过程时间为16min，温度为72℃；化学腐蚀过程还包括异丙醇补充过程，所述异丙醇补充过程的速度为1份/min。
S03.第三次制绒：使用氟离子气体对所述二次处理硅片进行反应离子刻蚀，得到制绒后硅片；氟离子气体包括四氟化碳25sccm，氧气3sccm，反应离子刻蚀功率为200w，时间为40s。
对比例一：
在本对比例中，用于单晶硅片的制绒方法与实施例三不同之处在于，不包括步骤S01。
对比例二：
在本对比例中，用于单晶硅片的制绒方法与实施例三不同之处在于，不包括步骤S03。
对比例三：
在本对比例中，用于单晶硅片的制绒方法与实施例三不同之处在于，不包括步骤S01以及步骤S03。
对比例四：
在本对比例中，用于单晶硅片的制绒方法与实施例三不同之处在于，步骤S01在步骤S02之后，且在步骤S03之前。
将实施例一、二、三、四以及对比例一、二、三、四制得的硅片进行测试，结果如下表所示。
表1
其中：
外观质量：将硅片的制绒效果好坏分为以下级别：
优秀：硅片表面纹理均匀、规则，有适当的粗糙度，光泽度适中。表面颜色均匀，无明显的缺陷，如划痕、裂纹、晶粒堆积等，硅片绒面的一致性较高。
良好：硅片表面纹理较均匀、规则，有适当的粗糙度，光泽度较为一致。表面颜色较为均匀，可能存在轻微的缺陷，但不影响整体外观，硅片绒面的一致性较好。
一般：硅片表面纹理稍显不均匀或规则性较差，粗糙度可能不够均匀。表面颜色可能不够一致，存在一些轻微的缺陷，但不影响整体外观，硅片绒面的一致性一般。
差：硅片表面纹理不均匀或规则性较差，粗糙度不够均匀。表面颜色不够一致，存在一些明显的缺陷，如划痕、裂纹、晶粒堆积等，对外观质量有一定影响，硅片绒面的一致性不够理想。
极差：硅片表面纹理不均匀或规则性很差，粗糙度不均匀。表面颜色明显不一致，存在大量明显的缺陷，如划痕、裂纹、晶粒堆积等，严重影响外观质量，硅片绒面的一致性很差。
对比实施例一、二、三、四的结果，发现实施例三参数下制得的硅片，其绒面具有优秀的外观质量。对比实施例三以及对比例一的结果，发现未进行第一次制绒的硅片，其绒面质量处于一般的水平。对比实施例三以及对比例二的结果，发现未进行第三次制绒的硅片，其绒面质量处于差的水平，也能够说明第三次制绒对绒面质量的提升要更由于第一次制绒。对比实施例三以及对比例三的结果，发现均未进行第一次、第三次制绒的硅片，其绒面质量处于极差的水平，说明了第一次制绒和第三次制绒具有一定的协同效应，均有助于提升绒面质量。将对比例一以及对比例四的结果进行比对，发现将第一次制绒放在第二次制绒之后，与不进行第一次制绒的效果相同，可以得出第一次制绒必须在第二次制绒之前进行才能产生效果。
进一步的，将实施例一、二、三、四以及对比例一、二、三的硅片制得的太阳能电池进行测试，结果如下表所示：
表2
其中：
短路电流（Isc）是指当太阳能电池的正负极直接连接时，电池产生的最大电流。它代表了太阳能电池在光照较强时的电流输出能力。单位为mA/cm2。
开路电压（Voc）是指当太阳能电池的正负极未连接时，电池的输出电压。它代表了太阳能电池在光照较弱时的电压输出能力。单位为V。
填充因子（FF）是指太阳能电池实际输出功率与最大可能输出功率之间的比例。它是由短路电流、开路电压和电池的工作电压-电流曲线形状决定的，可以反映太阳能电池的电流和电压特性之间的平衡程度。无量纲。
转换效率（η）是指太阳能电池将太阳光能转化为电能的能力。它是通过太阳能电池输出的电能与入射到电池上的太阳光能之间的比率计算得出的，通常以百分比表示。转换效率越高，太阳能电池的性能越好。单位为%。
从表中结果可知，硅片绒面质量的与其最终制得的太阳电池的性能基本呈正相关，表明更好的绒面，其形成的纹理结构增加了表面积和光线的散射，从而增强了硅片对太阳光的吸收能力。更好的制绒质量意味着更有效的光吸收，提高了太阳能电池的光电转换效率。并且更好的绒面可以减少硅片表面的反射，使更多光线进入硅片内部。较好的制绒质量可以降低光线的反射损失，使更多光线被捕获和利用，提高太阳能电池的效率。
实施例五
在本实施例中，与实施例一不同之处在于，单晶硅片的制绒方法还包括如下步骤：
S04.对所述制绒后硅片进行酸洗，时间为60s，所述酸洗步骤为，氢氟酸洗涤，然后去离子水洗涤，然后盐酸洗涤，最后去离子水洗涤。
对实施例五制得的硅片绒面进行观察，结果为优秀，说明在制绒后清洗硅片，还能够进一步提升其绒面质量。
此外，附图和描述中尽可能使用相同或类似的元件符号来指代相同或相似部分或步骤。附图是以简化形式呈现并且没有按精确比例绘制。仅为了方便和清楚起见，可以对附图使用诸如顶部、底部、左侧、右侧、向上、上方、上面、下面、下方、后面和前面的方向术语。这些和类似方向术语不应被解释为以任何方式限制本公开的范围。
Claims (8)
1.一种单晶硅片制绒方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01.第一次制绒：使用氩离子气体对单晶硅片进行反应离子刻蚀，得到一次处理硅片；
S02.第二次制绒：将所述一次处理硅片使用化学腐蚀液进行化学腐蚀过程，得到二次处理硅片；其中所述化学腐蚀液包括按重量计的以下组分：水100-200份，氢氧化钠1-5份，异丙醇1-10份；
S03.第三次制绒：使用氟离子气体对所述二次处理硅片进行反应离子刻蚀，得到制绒后硅片；步骤S01中，所述氩离子气体包括氩气40-80sccm；步骤S01中，反应离子刻蚀功率为150-400w，时间为50-150s。
2.根据权利要求1所述的一种单晶硅片制绒方法，其特征在于，步骤S03中，所述氟离子气体包括四氟化碳20-40sccm，氧气2-4sccm。
3.根据权利要求1所述的一种单晶硅片制绒方法，其特征在于，步骤S03中，反应离子刻蚀功率为150-400w，时间为20-100s。
4.根据权利要求1所述的一种单晶硅片制绒方法，其特征在于，步骤S02中，化学腐蚀过程时间为15-20min。
5.根据权利要求1所述的一种单晶硅片制绒方法，其特征在于，步骤S02中，化学腐蚀过程温度为70-75℃。
6.根据权利要求1所述的一种单晶硅片制绒方法，其特征在于，步骤S02中，化学腐蚀过程还包括异丙醇补充过程，所述异丙醇补充过程的速度为1-2份/min。
7.根据权利要求1所述的一种单晶硅片制绒方法，其特征在于，单晶硅片的制绒方法还包括如下步骤：
S04.对所述制绒后硅片进行酸洗，时间为30-60s。
8.根据权利要求7所述的一种单晶硅片制绒方法，其特征在于，步骤S04中，所述酸洗步骤为，氢氟酸洗涤，然后去离子水洗涤，然后盐酸洗涤，最后去离子水洗涤。
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