王忠强
北京大学东莞光电研究院广东东莞523008
摘要：高效率和低成本一直是太阳能电池研究的热点，本文介绍了一些晶体硅太阳电池清洗制绒过程中物料的用量控制方法，以期减少化学品的使用量，减少环境污染，并节约成本。
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关键词 ：多晶硅太阳电池；去损伤层；制绒
0 引言
随着化石燃料的大量使用，我们的环境污染越来越严重，雾霾及持续的高温已严重影响到人们的生活。对清洁及可再生能源的需求已越来越急迫，光伏发电就是一个很好的替代能源。然而，由于太阳电池组件的成本偏高，在我国还没能普及使用。关于降低光伏发电成本的研究，已深入到太阳能电池生产及应用的方方面面。晶体硅太阳电池的生产过程中用到大量的化学品，若能对这些化学品的用量进行合理控制，减少浪费，同样能起到降低成本同时减少环境污染的目的。
1 硅片清洗制绒工艺介绍
1.1 当前典型的晶体硅太阳电池生产工艺包括：一次清洗→扩散→周边刻蚀、二次清洗→PECVD→金属化→测试分选。
1.2 一次清洗是第一个工序，可分解成三个过程，分别是硅片的清洗、去除机械损伤层和制备绒面。
1.3 一次清洗的主要化学反应：
1.3.1 在一般的水溶液中，硅表面因生成了不溶性的氧化物而呈惰性；而在强碱溶液和HF 溶液中，硅的氧化物是可溶的。
在强碱溶液中化学反应如下：
SiO2+2OH-=2SiO32-+H2O
Si +2OH-+H2O=SiO32-+2H2
在HF 溶液中化学反应如下：
SiO2+4HF→SiF4↑+2H2O
常温下，晶体硅在纯HF 中的腐蚀速度很小，但在纯HF 中加HNO3 后腐蚀速度会大大增加。硅片酸洗去损伤层并制绒时用的酸就是HNO3 和HF 的混合酸。它们的化学反应过程可表述为:
Si+4HNO3+6HF=H2SiF6+4NO2+4H2O
1.3.2 化学反应的各向异性、各向同性及绒面制备原理：
根据反应的动力学模型，反应速率由表面晶格结构决定。单晶硅不同晶面的晶格结构的差异产生了不同的表面键密度、电子密度和表面自由能等差异，这些参数又决定着硅原子的溶解速率。
碱对硅片表面的腐蚀，由于（111）面的腐蚀速率最慢，最终的腐蚀面都将趋于（111）面。对（100）面的硅片腐蚀，由于对称性腐蚀得到的所有（111）面都与底面，即（100）面呈54.7°的角，腐蚀形貌为正四棱锥型。
用高浓度的硝酸和氢氟酸混合液，在低温下腐蚀较短时间，即可去除机械损伤层，由于酸腐蚀在各晶面上具有相同的腐蚀速率，在多晶晶界、晶格缺陷处腐蚀速度快，以此为圆心向外腐蚀，于是就制作出了多孔形貌的绒面结构（如图1，电子显微镜照片），用氢氧化钾去腐蚀表面的多孔结构，让其呈现蚕豆坑形貌（如图2）。
2 实际应用
2.1 本文所述的内容是在一台进口的一次清洗设备上展开的，有设备供应商提供的工艺及配方，多晶硅片一次清洗工艺步骤包括：上料→混合酸去损伤层并制绒→漂洗→碱洗→漂洗→去金属离子、去氧化层→漂洗、喷淋→吹干→下料。
设备供应商提供的化学试剂消耗参考用量如下：
设备供应商建议每生产20 万片更换一次槽液，以防止污染物浓度过高影响电池效率。根据设备供应商建议的工艺，我们在生产3个周期（计60 万片多晶156伊156mm 硅片）后，统计出一次清洗主要化学品的实际单耗为：HF (50%)-11.4ml/片，HNO3 (68%)-8.91ml/片，KOH (45%)-0.70ml/片，HCl (36%)-0.71 ml/片，同期电池平均效率17.2%。
2.2 用量控制
2.2.1 由于不同供应商及批次的硅片损伤层厚度可能不一致，我们在每批次取样，通过验室来确定。其测量步骤是：测量待测太阳能电池硅片的原始重量；将太阳能电池硅片正反面腐蚀减薄；测量腐蚀减薄后的太阳能电池硅片重量；将太阳能电池硅片表面钝化、测量少子寿命；重复步骤2耀4 直到测量的有效少子寿命不再提高为止；用太阳能电池硅片原始重量减去初次测得最大少子寿命时的重量，得出去除太阳能电池硅片双面损伤层的最佳减重量。
2.2.2 硅片减重量在线监控，每小时在线取5 片硅片，在上料及下料端分别称重，计算减重量，并与最佳减重量对比，通过在过程中引入统计过程控制方法（SPC），来微调化学品的补液量。
2.2.3 通过一洗后少子寿命监控，来确定换液时间。因为不同批次硅片的杂质不同，对槽液的污染程度也不同，通过少子寿命监控，即可保证质量，又可避免太早更换槽液而导致浪费。
2.3 应用结果
在我们采取上述措施近2 个月后，统计了5 个批次（计100 万片）156x156mm 的硅片一次清洗主要化学品的单耗为：
比供应商推荐的工艺配方用量平均降低了14.6%。而且采用我们改进的控制方法后，在后道工艺不变的情况下，电池平均效率达到17.5%，也比设备供应商推荐的方法提高了0.3%。
3 结论
在设备确定的情况下，引入过程控制，采取改善措施，如通过少子寿命测验获得不同批次的硅片机械损伤层厚度，并计算出对应的减重量，相应地调整化学品用量，可保证产品质量的同时，减少物料浪费，降低生产成本。
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参考文献：
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[2]孙晓峰.多晶硅绒面的制备及在太阳电池中的应用[D].郑州大学，2004（05）.
[3]赵汝强，沈辉，梁宗存，等.多晶硅太阳电池表面织构及背腐蚀先进工艺的研究[C].第十届中国太阳能光伏论文集，浙江大学出版社，2008：58.
作者简介：王忠强，男，汉，1971 年02 月28 日，本科，工程师，北京大学东莞光电研究院，任项目经理，参与光伏应用技术项目开发。
