第一節　制絨工藝的目的與原理

1.制絨目的

晶硅電池一般是利用硅切片。由于在硅片切割過程中的損傷，使得硅片表面有一層10～20μm的損傷層。在光伏電池制備時，首先需要利用化學腐蝕將損傷層去除，然后制備表面絨面結構，這種結構比平整的化學拋光的硅片表面具有更好的減反射效果，能夠更好地吸收和利用太陽光線。當一束光線照射在平整的拋光硅片上時，約有30%的太陽光會被反射掉；如果光線照射在金字塔形的絨面結構上，反射的光線會進一步照射在相鄰的絨面結構上，減少了太陽光的反射；同時，光線斜射入晶體硅，從而增加太陽光在硅片內部的有效運動長度，增加光線吸收的機會。制絨工藝作用主要體現在以下幾個方面：

①去除硅片表面的機械損傷層和氧化層；

②去除硅片表面的油污、金屬離子等其他雜質離子；

③在硅片表面形成一層織構表面，增加對光的吸收，提高光電轉換效率。

2.制絨的原理

晶硅電池分為單晶硅電池和多晶硅電池。在電池片的制備工藝中，由于單晶、多晶的晶粒排列不同，制絨工藝的原理也不同，單晶主要采用各向異性堿腐蝕，多晶主要采用各向同性酸腐蝕。

（1）各向異性堿腐蝕

對于單晶硅而言，選擇擇優化學腐蝕劑，就可以在硅片表面形成金字塔結構，稱為絨面結構，又稱表面織構化。對于（100）的P型直拉硅片，最常用的是各向異性堿腐蝕，因為在硅晶體中，（111）面是原子最密排面，腐蝕速率最慢，所以腐蝕后4個與晶體硅（100）面相交的（111）面構成了金字塔結構。如圖2-1所示，為單晶硅制絨后的SEM圖，高10μm的峰是方形底面金字塔的頂。

制絨工藝的化學反應式為

Si+2NaOH+H2O Na2SiO3 +2H2↑

堿腐蝕過程中，常用的原材料如表2-1所示，主要儀器設備如表2-2所示。

堿制絨工藝方面，主要有以下要求：

①硅片減薄重量為0.25～0.45g；

②制絨后硅片目視當為黑色，不同角度觀察呈均勻絨面，無絨面不良現象；

③制絨后硅片在顯微鏡下觀察，金字塔分布呈均勻致密，相鄰金字塔之間沒有間隙。

（2）各向異性酸腐蝕

對于由不同晶粒構成的鑄造多晶硅片，由于硅片表面具有不同的晶向，擇優腐蝕的堿性溶液顯然不再適用。研究人員提出利用非擇優腐蝕的酸性腐蝕劑，在鑄造多晶硅表面可制造類似的絨面結構，增加對光的吸收。到目前為止，人們研究最多的是HF和HNO3的混合液。其中HNO3  作為氧化劑，它與硅反應，在硅的表面產生致密的不溶于硝酸的SiO2層，使得HNO3  和硅隔離，反應停止；但是二氧化硅可以和HF反應，生成可溶解于水的絡合物六氟硅酸，導致SiO2層的破壞，從而硝酸對硅的腐蝕再次進行，最終使得硅表面不斷被腐蝕。具體的反應式如下：

3Si+4HNO3 3SiO2+2H2O+4NO↑

SiO2+6HF H2（SiF6）+2H2O↑

經過腐蝕，在多晶硅片的表面形成大小不等的球形結構，從而使太陽光的光程增加，降低表面反射率，增加對光的吸收，圖2-2所示為多晶硅制絨后的SEM圖。酸腐蝕的化學式很簡單，但是球面絨面形成的機理仍然沒有解決。部分研究者認為，在硅與硝酸的反應中，除生成SiO2外，還生成NO氣體，在硅片表面形成氣泡，這是導致硅片表面產生球形腐蝕坑的主要原因。在實際工藝中，HF和HNO3的比例、添加劑、溫度和時間等因素，都對絨面結構產生影響。

（3）減反射原理

當一束光線照射在平整的拋光硅片上時，約有30%的太陽光會被反射掉；如果光線照射在金字塔形狀或球形結構的絨面上，反射光線會進一步照射在相鄰的絨面結構上，減少太陽光的反射；同時，光線斜射入晶體硅，從而增加太陽光在硅片內部的有效運動長度，也就是增加了光線被吸收的機會。原理如圖2-3所示。

（4）制絨過程中的影響因素

制絨過程中，制絨液的組分與配置、制絨的時間、溫度等都會對制絨造成影響。減薄量過大，硅片易碎；減薄量不足，對光的反射、吸收效果不佳。因此需要嚴格地控制制絨過程中的各個影響因素，得到理想的絨面結構。

單晶硅制絨過程中，為了提高絨面制作效果，在制絨液中添加異丙醇，不僅可以幫助解除氫氣氣泡在硅片表面的吸附，而且還可以促進大金字塔的形成，形成很好的金字塔結構。但是由于異丙醇的成本較高，而且伴隨有可能的工業污染，部分研究人員提出，利用碳酸鈉溶液或磷酸鈉溶液對單晶硅進行織構化處理。原理是利用C或P水解產生的OH-與硅反應，進行擇優化學腐蝕，而且水解產生的C、P或HC、HP還起著與異丙醇相同的作用，使得制備的絨面結構很好。但這些技術還需要進一步工業證實，目前并未在大規模生產中得以應用。

（5）其他制絨工藝

除化學腐蝕以外，還可以利用機械刻槽、激光刻槽和等離子刻蝕等技術，在硅片表面制造不同形狀的絨面結構，其目的就是降低太陽光在硅片表面的反射率，增加太陽光的吸收和利用。然而這些技術需要專門的設備，成本相對很高；而且在絨面制作過程中，可能會引入機械應力和損傷，在后處理中形成缺陷。