碳化硅太陽(yáng)能電池的濕式化學(xué)處理

引言

濕法化學(xué)工藝廣泛用于晶體硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)，主要用于表面紋理和清潔目的。盡管過去的研究主要集中在過程開發(fā)上，但是在過程控制技術(shù)方面幾乎沒有進(jìn)展。本文討論了當(dāng)前最先進(jìn)的濕化學(xué)生產(chǎn)工藝，并提出了工藝控制和質(zhì)量保證程序(晶片的化學(xué)、光學(xué)和電學(xué)特性)。先進(jìn)表征技術(shù)的目的是提高工藝質(zhì)量和高質(zhì)量產(chǎn)品產(chǎn)量。此外，未來的工業(yè)高效電池處理需要成本有效、高質(zhì)量的清潔工藝，尤其是在任何表面鈍化步驟之前。

在制造硅太陽(yáng)能電池的工業(yè)生產(chǎn)鏈中，濕化學(xué)應(yīng)用的質(zhì)量保證和過程控制變得越來越重要。為了克服基于操作員經(jīng)驗(yàn)的工藝操作以及延長(zhǎng)普通蝕刻槽的總操作時(shí)間，在線表征和控制的新發(fā)展將是強(qiáng)制性的。這種質(zhì)量控制具有顯著降低成本的潛力，因?yàn)楦鼡Q浴混合物或縮短加工時(shí)間之間的持續(xù)時(shí)間得到了優(yōu)化。對(duì)于工藝開發(fā)，從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模向工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備轉(zhuǎn)移高效電池工藝出現(xiàn)了新的要求。尤其是在電池工藝的不同階段需要更高的晶片和表面清潔標(biāo)準(zhǔn)；盡管如此，生產(chǎn)成本和工藝復(fù)雜性必須保持盡可能低。

實(shí)驗(yàn)

對(duì)于不同的晶體取向，用氫氧化鈉(NaOH)或氫氧化鉀(KOH)進(jìn)行的堿性蝕刻具有不同的蝕刻速率，因此對(duì)于(100)取向的單晶硅晶片，這種各向異性導(dǎo)致具有隨機(jī)分布在晶片表面上的正方形基底的小金字塔。為了改善蝕刻過程的橫向均勻性和各向異性，向蝕刻溶液中加入異丙醇(IPA)。紋理化后，晶圓通常在鹽酸和氫氟酸中清洗，中間在去離子水中沖洗。堿性紋理化通常在批處理過程中進(jìn)行，其中晶片被保持在允許化學(xué)物質(zhì)潤(rùn)濕整個(gè)表面的載體中。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)工藝控制，在蝕刻之前和之后對(duì)載體進(jìn)行稱重，以確定平均蝕刻深度。典型的工藝溫度在70至80℃之間，接近異丙醇的沸點(diǎn)(82℃)?？梢杂^察到蝕刻過程中異丙醇不斷蒸發(fā)，這代表了主要的工藝不確定性，導(dǎo)致需要定期重做。為了簡(jiǎn)化添加劑的重做和獲得初始異丙醇濃度的更高再現(xiàn)性，應(yīng)該測(cè)量和控制它。這可以通過高效液相色譜(HPLC)作為直接方法或表面張力作為間接方法來實(shí)現(xiàn)，如圖1。異丙醇具有表面活性，降低溶液的表面張力。由于異丙醇被頻繁重做，紋理浴的異丙醇濃度可以達(dá)到恒定。

圖1 IPA濃度通過HPLC分析得到的IPA濃度和IPA濃度，以及由常規(guī)IPA給藥的表面張力和NIR在堿性紋理溶液中計(jì)算出的IPA濃度

結(jié)果和討論

只有少數(shù)更先進(jìn)的太陽(yáng)能電池技術(shù)已經(jīng)被引入工業(yè)生產(chǎn)。這些高效方法中的一個(gè)重大技術(shù)問題是在鈍化步驟之前準(zhǔn)備晶片表面。干凈的表面對(duì)于氧化和介電層鈍化是重要的，否則在隨后的高溫步驟中，表面污染物可能擴(kuò)散到主體中。由于先前的蝕刻步驟造成的晶體損傷的淺層顯著降低了后者的鈍化質(zhì)量。此外，與微電子相反，工業(yè)太陽(yáng)能電池的表面由于各向異性損傷蝕刻或紋理化工藝而通常粗糙。與光滑光亮的蝕刻表面相比，研究粗糙的表面結(jié)構(gòu)是否會(huì)限制光學(xué)和電學(xué)性能非常重要。除了這些更基本的表面清潔處理問題，還需要將高效的清潔順序轉(zhuǎn)移到工業(yè)應(yīng)用中。根據(jù)氧化或PECVD表面鈍化工藝之前的清潔效率，比較了不同的濕化學(xué)溶液和順序。在本文中，從微電子學(xué)已知的標(biāo)準(zhǔn)RCA工藝順序(見圖2)被順序修改和簡(jiǎn)化。

圖2 用于表面清潔的RCA清潔順序，所有步驟均在大型工業(yè)濕法蝕刻系統(tǒng)上進(jìn)行

簡(jiǎn)化是通過用去離子水進(jìn)一步稀釋清潔混合物來完成的，并測(cè)量了對(duì)所得清潔效率的影響。通過準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)(QSSPC)技術(shù)，在Dn = 1*1014 cm-3的注入水平下，確定了作為清潔措施的有效載流子壽命。蝕刻Fz-和KOH saw損傷蝕刻Cz-Si測(cè)試晶片，隨后用PECVD非晶硅層進(jìn)行雙面沉積。因此，稀釋會(huì)導(dǎo)致兩種材料類型的測(cè)量壽命不斷縮短(見圖3)，這里給出的數(shù)字是與實(shí)驗(yàn)室類型的熱硝酸+氫氟酸溶液清洗順序相比的絕對(duì)變化。因此，必須在清潔潛力和后期電池效率改善或損失以及總工藝成本之間進(jìn)行權(quán)衡。

?圖3 在對(duì)稱處理的壽命試驗(yàn)樣品上進(jìn)行非晶形硅沉積的清洗工藝研究。壽命變化被歸一化為硝酸+HF清潔

總結(jié)

介紹了當(dāng)前最先進(jìn)的濕化學(xué)工藝，激發(fā)了未來對(duì)更精細(xì)的質(zhì)量保證和過程控制的需求。特別是在線或基于在線的化學(xué)表征技術(shù)非常重要，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S與過程本身的持續(xù)和短的反饋循環(huán)，例如。通過快速調(diào)整劑量參數(shù)。要全面描述紋理化過程，不僅紋理化浴的化學(xué)信息很重要，而且紋理化表面的光學(xué)和電學(xué)質(zhì)量也很重要。不同的在線表征技術(shù)已經(jīng)被提出用于表面形態(tài)的研究，進(jìn)一步的研究和開發(fā)將是必要的，以將這些光學(xué)和電學(xué)信息與紋理浴的化學(xué)成分相關(guān)聯(lián)。

對(duì)于高效加工中的高級(jí)清潔目的，PV的目標(biāo)應(yīng)該是逐步簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)室濕式工作臺(tái)中使用的常見清潔順序，實(shí)現(xiàn)單一步驟、高效的表面清潔。

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