晶硅片制绒与清洗


单晶硅片清洗与制绒

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单晶硅片清洗与制绒
? ? ? ? ? ? ? HIT电池结构 HIT电池主要工艺 单晶硅片清洗制绒原因 单晶硅片清洗制绒 单晶硅片清洗制绒设备 操作安全、设备安全 部分产品缺陷介绍
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HIT电池结构

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HIT电池结构
? 上图表示HIT太阳电池的基本构造,其特征 是以光照射侧的p-i型a-Si膜( 膜厚5-10 nm) 和背面侧的i-n 型a-Si 膜( 膜厚5-10 nm)夹住单结晶Si 片(图中是250μm), 在两侧的顶层形成透明的电极和集电极, 构成具有对称构造的HIT 太阳电池。

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HIT电池结构
? 1、p-n结通过PECVD的方式,将本征非晶硅 和p型非晶硅层沉积到n型单晶硅层的衬底 上;
? 2、在另一侧,背面场结构由本征非晶硅和 n型非晶硅层构成。

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HIT主要工艺
1、硅片 的 清 洗 制绒
2、正面用PECVD 制备本征非晶硅 薄膜和P型非晶 硅薄膜 3 、 背 面 用 PECVD 制备本征非晶硅薄 膜和N 型非晶硅薄 膜

5丝网印刷制备 电极

4、在两面用溅射 法沉积透明氧化 物薄膜

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单晶硅片清洗制绒原因
清洗与制绒目的:
一、去除硅片表面机械损伤层; 二、清除表面油污、杂质颗粒及金属杂质 ; 三、形成起伏不平的绒面,增加硅对太阳 光的吸收。

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单晶硅片清洗制绒原因
硅片表面产生损伤层原因: 1、硅锭的铸造过程

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单晶硅片清洗制绒原因
硅片表面产生损伤层原因: 2、多线切割
金属线(钼线)

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单晶硅片清洗制绒原因
硅片表面产生损伤层原因: 3、机械损伤层
硅片 机械损伤层(10微米)

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单晶硅片清洗制绒原因
硅片表面产生损伤层方法:
? 线切割损伤层厚度可达10微米左右。 ? 一般采用20%的碱溶液在78℃条件腐蚀0.5~1min以达 到去除损伤层的效果,此时的腐蚀速率可达到6~10um/min 。 ? 初抛时间在达到去除损伤层的基础上尽量减短,以防硅 片被腐蚀过薄。 ? 对于NaOH浓度高于20%W/V的情况,腐蚀速度主要取决 于溶液的温度,而与碱溶液实际浓度关系不大。

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单晶硅片清洗制绒原因
硅片表面产生损伤层原因:
若损伤层去除不足会出现3种可能情况:残余缺陷、残余 缺陷在后续高温处理过程中向材料深处继续延伸、切割过 程中导致的杂质未能完全去除。 硅酸钠的热导性很差。一般硅酸钠超过一定的量时,腐蚀 产生的热量超过从溶液表面和容器侧面所散发的热量,使 溶液的温度持续升高。所以初抛液必须定期更换或排出部 分溶液。

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单晶硅片清洗制绒原因
清除表面油污、杂质颗粒及金属杂质: 1、清洗前去除晶硅片表面污渍,主要用 CH2COOH溶液通O3的方式然后通过超声波 清洗达到预定效果,主要防止表面物清洗 不干净影响到制绒效果; 2、制绒后通过QDR、纯水隔离等方式对硅片 残留物进行清洗;

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单晶硅片清洗制绒原因
3、制绒后酸洗 HCL作用 ? 中和残留在硅片表面残余碱液; ? 去除在硅片切割时表面引入的金属杂质。 ? 注:盐酸具有酸和络合剂的双重作用,氯 离子能与Fe3+、Pt2+、Au3+、Ag+、Cu+、 Cd2+、Hg2+等金属离子形成可溶于水的络 合物。
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单晶硅片清洗制绒原因
3、制绒后酸洗

? HF的作用:
? ? 去除硅片表面二氧化硅层; 与硅片表面硅悬挂键形成Si-H钝化键。
SiO 2 ? 6HF ? H 2 ?SiF6 ? ? 2H 2 O

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单晶硅片清洗制绒原因
? 制备绒面的目的: 减少光的反射率,提高短路电流 (Isc),最终提高电池的光电转换效率。
? 陷光原理: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

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单晶硅片清洗制绒原因

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单晶硅片清洗制绒原因
正常片制绒后图片:

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单晶硅片清洗制绒
1、制绒前清洗 2、制绒前去除硅片表面损伤 3、硅片制绒 4、制绒后清洗 5、烘干

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单晶硅片清洗制绒
制绒前清洗: 原因:
? ? ? ?
硅片有手指印,在清洗前看不见,但是清洗后却清晰可见;

硅片切割后清洗工艺中的有机物沾污;
硅片表面的碳沾污; 硅片切割时润滑剂的粘污。如果润滑剂过粘,会出现无法有效进入刀 口的现象,如润滑剂过稀则冷却效果不好。这些润滑剂在高温下有可 能碳化粘附在硅片表面。

?

硅片经过热碱处理后提出在空气中,时间过长会与空气中的氧反应形 成一层氧化层,这层氧化层一旦形成就很难再清洗下去了。因此,在

碱清洗后不能在空气中暴露12秒以上。
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单晶硅片清洗制绒
制绒前清洗:
? ? ? ? 有机溶剂+超声——有机溶剂溶解有机物质 酸性液体去除法——如RCA工艺:热硫酸煮硅片 表面活性剂 NaOCl热处理——利用O自由基的强腐蚀

我们主要采用第一种方法: CH3COOH+O3+超声

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单晶硅片清洗制绒
污染片制绒:

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单晶硅片清洗制绒
去损伤层:
硅片在切割过程中表面留有大约10~20μm的锯后损 伤层,对制绒有很大影响,因此在制绒前必须将其除去。 单晶一般用碱与硅反应的方法除去。现在很多公司常用 NaOH,工艺参数有溶液温度、反应时间和溶液浓度。 NaOH浓度大于20%,反应速率主要取决于温度 NaOH浓度为20%,在90℃时候速率可以达到6—10um/Min 大部分采用: NaOH浓度为25%,温度85℃

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单晶硅片清洗制绒
制绒:
利用低浓度碱溶液对晶体硅在不同晶体取向上具有不同腐蚀速率的各 向异性腐蚀特性,在硅片表面腐蚀形成角锥体密布的表面形貌 ,就称 为表面织构化。角锥体四面全是由〈111〉面包围形成。

反应式为: 2NaOH+H2O+Si=Na2 SiO3+2H2 ↑ HRM

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单晶硅片清洗制绒
角锥体形成的原理
角锥体的密度和它们的几何特征同时影响着太阳 电池的陷光效率和前表面产生反射损失的最低限 。尺寸一般控制在3~5微米。 推测腐蚀反应期间的产物氢气泡的发展对角锥体 的形成起着重要的作用 。气泡粘附在硅片表面, 它们的掩蔽作用导致了溶液的侧向腐蚀,这是角 锥体形成过程的要素 。
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单晶硅片清洗制绒
? IPA的作用: ? 降低硅片表面张力,减少气泡在硅片表面的粘附,使硅片 的金字塔更加均匀一致。 ? 硅酸纳作用: ? 硅酸钠在溶液中呈胶体状态,大大的增加了溶液的粘稠度 。对腐蚀液中OH离子从腐蚀液向反应界面的输运过程具有 缓冲作用,使得大批量腐蚀加工单晶硅绒面时,溶液中 NaOH含量具有较宽的工艺容差范围,提高了产品工艺加工 质量的稳定性和溶液的可重复性。 硅酸钠在制绒溶液中的含量从2.5%~30%wt的情况下,溶 液都具有良好的择向性,同时硅片表面上能生成完全覆盖 角锥体的绒面。 HRM 26

单晶硅片清洗制绒
? 随着硅酸钠含量的增加,溶液粘度会增加 ,结果在硅片与片匣边框接触部位会产生 “花篮印”, 一般浓度在30%以下不会发 生这种变化(NaOH浓度达到一定程度的基 础上)。 ? 硅酸钠来源大多是反应的生成物,要调整 它的浓度只能通过排放溶液。若要调整溶 液的粘稠度,则采用加入添加剂乙醇或异 丙醇来调节。
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单晶硅片清洗制绒
腐蚀速率快慢由下列三个反应速度来决定。
1、腐蚀液流至被腐蚀物表面的移动速率; 2、腐蚀液与被腐蚀物表面产生化学反应的反 应速率; 3、生成物从被腐蚀物表面离开的速率。

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单晶硅片清洗制绒
? 硅的刻蚀速率与表面原子密度、晶格方向 、掺杂浓度、腐蚀液成分、浓度、温度、 搅拌等参数有关
1、NaOH浓度 2、无水乙醇或异丙醇浓度 3、制绒槽内硅酸钠的累计量 4、制绒腐蚀的温度 5、制绒腐蚀时间的长短 6、槽体密封程度、乙醇或异丙醇的挥发程度

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单晶硅片清洗制绒
NaOH溶液浓度 制绒的根本 反应温度

IPA浓度
NaSiO3浓度 提高溶液浓稠度, 控制反应速度 提高反应物疏运速 度,提高氢气泡脱 附作用

氢气泡密度 及大小以及 在硅片表面 停留的时间

决定金字塔形貌

搅拌

硅片表面原始状态
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图4 氢气泡作用
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单晶硅片清洗制绒
? 制绒液中的乙醇或异丙醇、NaOH、硅酸纳 三者浓度比例决定着溶液的腐蚀速率和角 锥体形成情况。 ? 溶液温度恒定在80℃时发现腐蚀液NaOH浓 度在1.5~4%范围之外将会破坏角锥体的几 何形状 。 ? 当NaOH处于合适范围内时,乙醇或异丙醇 的浓度的上升会使腐蚀速率大幅度下降。
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单晶硅片清洗制绒
? 绒面的平均反射率随NaOH浓度的变化
0.16
Average Reflectance

0.15

0.14

0.13 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Concentration of NaOH (g/l)
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单晶硅片清洗制绒
? 经热的浓碱去除损伤层后,硅片表面留下了许多 肤浅的准方形的腐蚀坑。1分钟后,金字塔如雨后 春笋,零星的冒出了头;5分钟后,硅片表面基本 上被小金字塔覆盖,少数已开始长大。我们称绒 面形成初期的这种变化为金字塔“成核”。10分 钟后,金字塔密布的绒面已经形成,只是大小不 均匀,反射率也降到了比较低的水平。随着时间 的延长,金字塔向外扩张兼并,体积逐渐膨胀, 尺寸趋于均等。
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单晶硅片清洗制绒
? 影响绒面均匀性的因素: ? 1、原始硅片表面均匀性 ? 2、反应溶液均匀性

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HF去除硅片表面氧化层: SiO2+6HF = H2[SiF6]+2H2O
HCl去除硅片表面金属杂质:

盐酸具有酸和络合剂的双重作用,氯离子能与 Pt 2+、Au 3+、 Ag +、Cu +、Cd 2+、Hg 2+等金属离子形成可溶 于水的络合物。
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单晶硅片清洗制绒
? 硅片烘干:
? 硅片清洗的最后一个步骤就是硅片的烘干。 烘干的目的主要是防止硅片再污染及在硅片表面 产生印记。 ? 仅仅在去离子水冲洗后,在空气中风干是远 远不够的。一般可以通过旋转烘干,或通过热空 气或热氮气使硅片变干。另外的方法是通过在硅 片表面涂拭易于挥发的液体,如异丙醇等,通过 液体的快速挥发来干燥硅片表面。
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单晶硅片清洗制绒设备

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