单晶硅制绒溶液使用时间与金字塔尺寸、反射率之间的关系研究

单晶硅制绒溶液使用时间与金字塔尺寸、反射率之间的关系研究
摘要：本文给出了单晶硅制绒基本机理，分析了在稳定的制绒工艺下，单晶硅制绒溶液使用时间对硅片表面金字塔尺寸、反射率的影响。

通过对比实验，采用扫描电子显微镜（SEM）观察、D8积分式绒面反射仪、电子称与秒表来分析研究制绒溶液使用时间与实验硅片表面金字塔尺寸、反射率的关系，最终结论为制绒溶液在连续生产状态下，随着制绒溶液使用时间的延长，硅片表面金字塔尺寸变大，反射率提高。

连续生产状态下，制绒溶液的最佳使用时间为8小时，极限使用时间为16小时。

关键词：单晶硅；金字塔尺寸；反射率；溶液使用时间.
单晶硅制绒通常使用无机碱性溶液来腐蚀单晶硅片[1]。

在较高温度下，碱性溶液与硅会发生如下化学反应：Si+2OH-+H2O=SiO32-+2H2↑
由于单晶硅的特殊晶体结构，利用碱性溶液对单晶硅片的各向异性腐蚀特性，（100）晶面的单晶硅片经碱性溶液的各向异性腐蚀后最终在表面形成由（111）面组成的四方锥体，即为“金字塔”结构[2]。

各向异性腐蚀是指硅的不同晶向具有不同的腐蚀速率[3]。

晶体硅的（100）面与（111）面腐蚀速率之比称为各向异性因子[4]。

在较低浓度的碱性溶液中单晶硅（100）面和（111）面腐蚀速率的差别较大，（100）面的腐蚀速率是（111）面的腐蚀速率的10倍以上，有的各向异性因子甚至高达（100）[5]。

制绒后硅片表面布满了金字塔结构，由陷光原理可得知，当光入射到一定角度的斜面，光会反射到另一角度的斜面，形成二次或者多次吸收，从而增加吸收率，最终提高光生电流密度[6]。

1 单晶硅制绒工艺步骤
工艺步骤：
（1）制绒
上料→超声清洗→纯水隔离→制绒→QDR→纯水清洗→HF酸处理→纯水清洗→下料；
（2）酸洗
上料→HF处理→纯水清洗→HCl处理→喷淋→漂洗→下料。

制绒、酸洗分开是为了避免在硅片表面形成酸雾。

2 制绒溶液使用时间与硅片表面金字塔尺寸、反射率间关系的确定
目前单晶硅太阳能电池片生产过程中，采用碱性溶液对其表面进行腐蚀，形成金字塔结构绒面，生产工艺已经非常成熟、稳定。

随着制绒溶液使用时间的延长，硅片表面金字塔尺寸会发生变化，反射率也发生相应的变化。

本文给出一套稳定的制绒工艺，并对连续制绒过程不同时间段，制绒后单晶硅片表面金字塔尺寸、反射率进行测试分析。

实验选用宁电光伏硅材料有限公司的P型CZ单晶硅片，尺寸为125×125mm，厚度约为200±20μm，电阻率0.5～3Ω·cm，少子寿命1.15μs—2.03μs。

实验平台为中国电子科技集团公司第四十五研究所单晶制绒设备，制绒槽体液位容积约为150L，温度控制精度±1℃。

硅片表面形貌用扫描电子显微镜（SEM）观察、测试，硅片表面反射率D8积分式绒面反射仪测试，电子天平测试硅片的重量，秒表用于计时。

2.1 制绒工艺方案
任何一台制绒设备都需要设定一套与之相匹配的制绒工艺方案，下面是该实验所用的制绒工艺方案（见表1）：
表1 实验所用制绒工艺方案
2.2 制绒溶液使用时间延长对硅片表面金字塔尺寸的影响
2.2.1 试验方案不同时段的制绒后硅片表面金字塔尺寸作为对比，第一组连续生产第一个8小时硅片表面的金字塔尺寸，第二组连续生产第二个8小时硅片表面的金字塔尺寸，第三组连续生产16小时基础上延长2小时硅片表面的金字塔尺寸，每组一提篮（200片）（数据见表2）。

通过对表2中数据分析，随着制绒溶液使用时间的延长减薄略微增大、绒面金字塔变大，最后出现局部消亡现象。

2.2.2 表面形貌图2、图3、图4分别是连续生产状态下，不同时段取出的样本拍摄的SEM图样。

由图2可知，连续稳定生产的情况下，制绒溶液在使用第一个8小时，金字塔尺寸较小，尺寸在1—2μm之间，且均匀性较好处于布满状态。

由图3可知，连续稳定生产的情况下，制绒溶液在使用第二个8小时，金字塔在长大，尺寸在3—5μm之间，且均匀性较好处于布满状态。

图4是连续生产情况下，制绒溶液在使用16小时基础上延长2小时，此时的绒面情况。

图4显示硅片表面绒面均匀性差，局部金字塔已经完全消亡。

2.3 制绒溶液使用时间延长对硅片表面反射率的影响
2.3.1 试验方案不同时段的制绒后硅片表面反射率作为对比，第一组连续生产第一个4小时硅片表面反射率，第二组连续生产第二个4小时硅片表面反射率，第三组连续生产第三个4小时硅片表面反射率，第四组连续生产第四个4小时硅
片表面反射率，第五组连续生产16小时的基础上再延长2小时硅片表面反射率。

每组一提篮（200片），见表3。

通过对表3中数据分析可得知：①在连续生产的16小时中，第一个4小时和第二个4小时实验硅片减薄量相差不大，反射率也接近；连续生产的第三个4小时和第四个4小时实验硅片的减薄量和反射率在数值上无显著差异。

②在连续生产的16个小时中，前两个4小时和后两个4小时，实验硅片在减薄量和反射率方面存在明显差异；③连续生产16小时后延长2小时，实验硅片在减薄量和反射率方面比起连续生产的16小时实验硅片存在显著差异。

2.3.2 联系生产状态下，16小时不同时段实验硅片反射率分布图
图5是在不同时段的实验硅片反射率取样分布情况。

1区、2区、3区、4区分别表示第一、第二、第三、第四个4小时。

从图5可以看出1区、2区反射率波动小，且其数值都在12.5%左右；3区和4区的反射率波动较大，且数值在大部分在13%以上；随着时间的推移，硅片反射率整体呈上升趋势。

3 试验结论
本文主要研究分析了制绒溶液使用时间对硅片表面金字塔尺寸及反射率的影响，实验结论为①连续生产状态下，硅片表面的金字塔尺寸随生产时间的延长而逐渐增大，当溶液使用时间超过其极限寿命时，硅片表面金字塔出现局部消亡现象（抛光）；②连续生产状态下，制绒后硅片的反射率，随制绒溶液使用时间的延长而呈阶梯式上升；③连续生产状态下，单晶制绒溶液的最佳使用时间是8小时，工业化生产中考虑制绒后硅片表面绒面质量及生产成本的控制，可将制绒溶液使用寿命发挥到极致即极限使用寿命16小时。

参考文献：
[1] 安其霖等.太阳电池原理与工艺[M].上海：上海科学技术出版社，1984
[2] 【美】施敏著，赵鹤鸣.钱敏，黄秋萍译.半导体器件物理与工艺[M].苏州：苏州火学出版社，2002，72.74.
[3] 刘恩科，朱秉升，罗晋生.半导体物理学[M].西安：两安交通人学出版社，1998
[4]A.L.Fahrenbuch，R.H.Bube. Fundamentals of Solar Cells[M].New York：Academic Press，1983
[5]H.Seidel，L.Csepregi.A.Heuberger，H.Baumgartel.Anisotropic etehing of crystalline silicon in alkaline solution .J.Electro-chemical Soc 1994 114 963.
[6] E.L.Ralph.Recent advancements in low cost solar cell
processingInProceedingsofthe11thIEEEPhotovoltaicSpecialistsConference.Scottsdale ，Adz，USA.May1975：315-316.。