太阳能光伏技术与应用：表面制绒处理及清洗

表面制绒腐蚀是晶体硅光伏电池制作工艺的第一步。在制绒加工前，先要腐蚀去除硅片表面由线切割时造成的10μm左右厚度的机械损伤层［1］。通常使用20%左右的NaOH或KOH溶液，在90℃条件下腐蚀0．5～1min，以去除这一机械损伤层。

单晶硅表面制绒采用含有一定乙醇含量的1%～2%低浓度的碱溶液（NaOH），它在各种晶面上具有不同的腐蚀速率（各向异性腐蚀）。一般说来，晶面上的原子密度越高，也就越难腐蚀，因此各向异性腐蚀趋向于终止在原子密度最高的（111）晶面上。实际上这种低浓度的碱溶液在（111）晶面上的腐蚀速率是（100）晶面上的几百倍。溶液中乙醇的作用是帮助形成一定数量的金字塔的顶端，并在腐蚀的过程中保护这些金字塔顶端。因此，制绒腐蚀最终导致在（100）晶向的硅片表面产生许多密布的表面为（111）面的四面金字塔，如图6．3（a）所示。由于腐蚀过程的随机性，方锥体的大小不等，以控制在1～4μm为宜。

图6．3　单晶绒面结构（a）和多晶绒面结构的SEM照片（b）

近年来，制绒技术的工艺研究产生出很多的制绒添加剂产品，最先是保证完美无缺陷的绒面表面，后来又发展为控制产生小尺寸的金字塔，因为较小尺寸的金字塔可以提高电池的短路电流密度Jsc。近来，最新的制绒添加剂甚至完全取代了乙醇，这样减少了化学药品的成本以及废液处理的成本。

由于多晶硅中的晶粒具有各种晶向，不能用上述各向异性腐蚀方法制绒。因此多晶硅表面的制绒通常采用HNO3和HF混合溶液，在低温下对硅片进行各向同性腐蚀，它利用切片机械损伤处腐蚀较快的原理，在硅片表面形成凹槽状的绒面结构，如图6．3（b）所示。(www.xing528.com)

晶体硅的折射率很高（折射率为3．8），使其表面反射率高达35%以上，绒面表面是为了降低硅表面的反射。图6．3（a）中的金字塔的（111）表面与（100）硅片表面的夹角是54．7°。如图6．4所示，垂直入射光在金字塔的斜坡面上有65%进入硅片，其他35%被反射后仍然以约20°角向硅片方向前行，直到再次到达另一个金字塔的斜坡面上第二次进入硅内，从而使硅表面的反射率下降到12%左右。多晶硅的表面只有一部分区域可以实现这种二次吸收，但它的反射也能大大降低到小于20%。另外，如图6．4所示，进入硅片的光线也改变了垂直射入的方向，在更接近硅表面发射区的区域被吸收，这相当于增加了有效少数载流子扩散长度（收集长度），从而有助于提高光生电流。

图6．4　垂直入射光在硅片绒面表面被反射后有第二次机会进入硅片

在表面制绒之后，需要对硅片进行清洗，去除表面的金属沾污以及残余的制绒溶液中的NaOH和硅酸钠。研究表明5%的HCl稀释液去除金属离子的效果很好，所以大规模生产中常常使用HCl稀溶液清洗硅片后，再用稀HF去除氧化膜。