电池湿法

摘要：通过优化湿法工艺，可保证有效去除多孔硅，提高太阳能电池片合格率。从对酸槽药液配比、碱槽药液浓度及自动配比、碱刀流量及位置、机械手抓片位置调整及辅助动作的优化等方面，探讨了湿法多孔硅去除工艺的优化。

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引言

　　　太阳能电池片拥有领先一步的工艺技术，制造出高于市场平均效率的产品，对于企业在激烈的国际国内市场竞争中有极大的优势。因此，在现有工艺的基础上不断提高电池片各工艺段的产品质量十分必要。目前技术工艺路线：酸制绒→扩散制结→湿法切边→PECVD镀减反射膜→丝网印刷。湿法切边在实际电池片生产中会出现一定比例的金边或黄斑片，此类片在丝网印刷时会出现背场不良片；电学性能中表现为串阻高、电流和效率低。严重影响产线的电池片质量与输出功率，降低产线的合格率。
　　在现有的太阳能电池片制作工艺中，多孔硅的形成主要是在湿法工艺段，包括湿法制绒与湿法切边，不过不同于电化学原理制作多孔硅，湿法工艺通HNO3与HF酸纯化学腐蚀形成多孔硅，所形成多孔硅相对杂乱无章。多孔硅其中一个特性是其电阻率偏高，一般会高于衬底5个～6个数量级。

　　因多孔硅的电阻率较高，对于电池片工艺而言，电阻率过高会导致电池片串阻变大、填充变低，最终功率输出较低。此外，背面多孔硅残留会造成丝网印刷背场效果较差，导致开压电流降低。现主要从以下几个方面优化湿法工艺，保证有效去除多孔硅，提高电池片合格率。

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酸槽药液配比的优化

　　从多孔硅形成的原理分析，当药液是富HF酸时，由于HNO2酸作为催化剂浓度较低，此时药液会优先选择腐蚀坑底，容易形成较深的多孔硅，且腐蚀坑不均匀，即多孔硅分布不规则；当药液是富HNO3酸时，由于此时催化剂足够多，药液腐蚀决定于HF酸的扩散速度，而孔壁的扩散速度大于坑底的，因此形成的多孔硅较浅，且腐蚀坑大小均匀，表面光滑平整。所以从源头上控制，可优先选择富HNO3酸的药液配比。
　　针对富HNO3药液配比做三类实验，分别是HF:HNO3=1:4、HF:HNO3=1:5、HF:HNO3=1:6，然后产出各500片到丝网印刷测试其电学性能的稳定性，同时使用显微镜观察电池片背面结构（见图1）。

　　依表1数据分析，HF与HNO3比例越小，串阻越小，填充越大，同时开压也会有所提高，最终转换效率会增加0.03%，分析其原因主要因为比例越小，HNO3越多，多孔硅厚度较薄，而且平整光滑，在湿法后续碱去除多孔硅时去除比较彻底。从数据中还能看出当比例在1:5与1:6时两者效率相差不大，但在显微镜下显示，1:6的下表面腐蚀坑相对较大也平滑。因此选择1:6配比作为最终药液配比[1]。

　　在配比确定为1:6后，刻蚀量的大小直接影响多孔硅的厚度，在一定范围内刻蚀量越大多孔硅厚度越大，当前工艺刻蚀深度规定范围在1.3μm～2.5μm，鉴于设备各轨之间的差异，刻蚀量重新规定为1.3μm～2.0μm，而且在保证刻蚀达到要求的同时，各轨均匀性较好的设备刻蚀可尽量保证在平均值1.65μm附近。

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碱槽药液浓度及自动配比优化

　　现有电池湿法工艺中，多孔硅去除的方法是通过碱液与硅反应，碱浓度过低会造成多孔硅去除不干净；过高则会出现背面黑圈，引入过多的金属离子，导致漏电增大，同时碱浓度高，中间反应物过多不能及时扩散走，反而抑制反应。因此如何保证合适的碱浓度是保证电池片质量的关键。

　　为找出最合适碱药液浓度，分别选取水与碱配比56:5、56:4.5、56:4三组测试各1000片，其中二槽药液配比选取上述HF:HNO3比例1:6且刻蚀量选取上限2.0μm。观察背面及侧面黄斑及金边片的情况。经测试，结果显示56:4可保证多孔硅去除干净。在确定初配的药液浓度后，将自动配液的碱液与水比例由2500:500降至2500:300，测试1周，验证自动补液是否合理，经测试运行稳定，下表面外观符合工艺标准；依此类推经过不断优化最后确定自动补液比例可以定为2500:300[2]。

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碱刀流量及位置的优化

　　目前湿法设备碱槽采用喷淋的方式清洗刻蚀后的硅片，喷淋方式的缺点是无法覆盖整个硅片表面，受限于流量的大小，容易出现局部无法清洗干净的情况，尤其是硅片边缘。针对此情况，重新调整上下碱刀的流量大小，由于硅片边缘多孔硅不易情洗，需要上碱刀药液流经上表面溢流至四边清洗，但上表面存在磷硅玻璃，属于亲水性，液体流动速度慢，容易出现边缘多孔硅浸泡时间过短，清洗不干净的情况，基于此，调整上碱刀流量，直到药液可迅速溢流至硅片四边；下碱刀主要用来清洗下表面多孔硅，下碱刀因其向上喷碱，需克服碱液重力影响，因此下碱刀流量要求喷出高度达到2倍碱刀至硅片的距离。

　　上述提到碱刀流量控制，但因碱刀喷淋每道宽度有限且是孔结构，如果出现安装时位置偏离硅片一边，容易导致一侧清洗不彻底的情况，例如下表面一边黄斑或侧面金边。因此碱刀安装要求按照对称于硅片，保证药液流动的均匀性[3-5]。

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机械手抓片位置调整的优化

　　湿法设备自动加载端，硅片摆放依靠机械手程序设定，为简化碱刀安装程序，需要统一标准，规定机械手摆放硅片时需要沿着各轨道白线靠内1mm～2mm。

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辅助动作优化

　　湿法二槽刻蚀槽反应需要HNO2催化，每次交接班停机后，药液重新激活，在激活过程中刻蚀会偏低，此时可以调整速度来保证刻蚀量，尽量避免手动补液，容易出现药液激活后刻蚀超标的情况。
　　a)因二槽刻蚀槽刻蚀量过高且药液配比不合理，导致多孔硅厚且不均匀，再经碱槽清洗时会出现局部无法情洗干净。因此经降低刻蚀量、合理性地加适量硝酸解决；

　　b)下表面单边规则黄斑，首先位置出现在单边，优先考虑碱刀位置与硅片位置是否对齐；规则条状黄斑考虑碱刀局部堵塞。最后经调整机械手放片位置及碱刀位置、清洗碱刀解决[6]。

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结语

　　多孔硅去除对于电池片工艺来说是个很关键的步骤，多孔硅因其电学特性异常，对于电池片影响较大。经过此次工艺优化后，节约了生产成本，创造了更大经济效益。
　　a)提高产线合格率及电池片整体工艺质量。合格率方面按照实际产线金边片及背场发黄出现的比例计算，PECVD（镀减反射膜）不良片每周大概在3000片，合格率提升0.3%，按照不良片1元的差价，每周可节约3000元，每月1.2×104元，1a可节省14×104元；其中丝网每周导致降级片在200片左右，1a可节省1×104片，单片按照B片单价5元计算，1a产量计算可间接节省6×104元，总计20×104元；
　　b)节约化学品用量方面。碱槽初配每次可节省1L，按照80×104片更换1次频率，10台设备每月节省20L，1a节省120L；自动补液由2500∶500降至2500∶300，补液频率为300片，由此计算10台设备每天可节省320L碱，1月可节省9600L，1a可节省9.6×104L，按照工业碱3500元/t计算，1a可节省80×104元。
　　参考文献：
　　［1］邓丰，唐正林.多晶硅生产技术［M］.北京:化学工业出版社，2009.
　　［2］狄大卫，曹昭阳，李秀文，等.太阳能电池工作原理、技术和系统应用［M］.上海：上海交通大学出版社，2008.
　　［3］沈文忠.太阳能光伏技术与应用［M］.上海：上海交通大学出版社，2013.
　　［4］WenhamSR.应用光伏学［M］.上海:上海交通大学出版社，2008.
　　［5］丁玉兴.化工原理［M］.北京：科学出版社，2007.
　　［6］刘寄声.多晶硅和石英玻璃的联合制备［M］.北京：冶金工业出版社，2008.

梁玲，杨飞飞，张波
潞安太阳能科技有限公司