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摘要：在目前PERC电池技改背景下，对现有的刻蚀设备进行适当改造可以起到降本提效的作用。首先，增加最新的水膜保护工艺，可以降低刻蚀时化学气相腐蚀的几率，方阻提升较小，同时也避免了方阻提升的波动，保证了片间方阻的稳定性。在改造过程中同时引入抛光滚轮的改造，可以起到背面抛光的作用，更加平整的背面有利于其后的金属化工艺以及背钝化。如若将其应用于高效PERC电池，则将会大大改善钝化的效果和背反射效果，开路电压和短路电流将会进一步提升。同时，对刻蚀设备的改造除了可以提效以外，也可以带来降本的效果。经过适当改造后，刻蚀工艺可以在常温环境下进行。提高了反应温度后，腐蚀速率会增加，由此可以降低刻蚀液浓度从而控制反应速率，进而降低化学品用量。同时还可以降低冷水机的使用频率，进一步降低刻蚀成本。另外，由于多晶黑硅，单晶PERC等槽式制绒的应用，原本多晶链式制绒设备使用频率会下降。将多余的链式制绒设备经过适当改造完全可以达到刻蚀机的效果，由此也实现了降低运营成本的目的。 关键词：太阳电池；背抛；常温刻蚀； 1.引言 由于化石能源紧缺问题日益突出，加之对生态环境保护的意识和力度的加强，绿色能源的需求和使用范围越来越广。在这其中太阳能光伏是发展最为迅猛、使用最为广泛的新能源之一。晶体硅太阳电池是光伏发电的绝对主力。随着市场上对光伏发电的性能、成本等方面的要求逐步提高，使得提高太阳电池光电转换效率成为了光伏发展的重点。不断有新的产业化技术涌现。在这些技术中，最为突出的就是多晶'黑硅'技术和PERC技术。 对于常规太阳电池，通常只关注正面SiNx的光学减反射和钝化效果。背面虽然有铝背场的钝化，但是由于是金属和半导体的直接接触，仍然存在大量的复合中心。PERC技术将表面钝化从电池的正面扩展至背面，大大降低了载流子在表面的复合速率，提升了电池的转换效率。常见的PERC背钝化介质是AlOx/SiNx叠层。通常认为AlOx起到了主要的背钝化作用，SiNx起到了保护层的作用。一般使用PECVD或者ALD实现AlOx的沉积。这层AlOx薄膜可以在硅背面很好地饱和悬挂键；同时由于AlOx层内含有的较高密度的负电荷，在背面起到了极好的场效应钝化。 在沉积介质膜钝化的过程中，硅表面的状态一定程度上决定了介质膜的钝化质量。表面越平整，表面积就越小，表面缺陷就越小，同时也越有利于高质量介质膜的沉积，钝化效果越好。对于电池正面，由于要考虑入射光的反射问题，因此必须有绒面制备，无法使用抛光表面。但是对于背钝化而言，光学方面的要求没有正面来得苛刻，因此可以考虑引入背面抛光。特别是对于'黑硅'和PERC技术相结合时，可能背面保留下来的小尺寸表面形貌，无法被介质膜覆盖完全，导致钝化质量下降。因此，背面抛光在PERC工艺中就十分有必要。硅片在扩散后需经历刻蚀。常规的刻蚀目的仅在去除边缘结合背结，对于背面的腐蚀量和平整度要求并不高。要在尽可能小的成本下，引入背面抛光，在刻蚀工序中进行适当的改造是最可行的方案。本文就对适用于PERC背面抛光的刻蚀改造以及相关结果进行相应的阐述，并将刻蚀条件升级为常温。 2. 改造方案 2.1 刻蚀机背抛功能改造 常用的RENA刻蚀机主要采用支点式滚轮。刻蚀时，药液的水平液面与硅片支点有1.5 mm高度差。酸液与硅片的接触主要是通过毛细与液体张力的作用，理论上液体与硅片仅仅是下表面接触，液体不会泛到到硅片正表面，即不会对硅片正表面存在影响。但是扩散后的片子由于有磷硅玻璃的存在，磷硅玻璃是亲水性的，因此液体仍有可能会沿着磷硅玻璃'吸'到正表面，由此对电池正表面产生一定的破坏，比如镀膜后的白点、EL黑点、黑边等，如图1所示。 通过对设备的改造，要消除刻蚀时对硅片正表面的影响。故需要对正表面进行保护。由于采取了保护措施，可以适当调整药液的配比，从而加大对背面的腐蚀量。采用的正面保护方法为水膜保护法。 采用的保护方法为水膜保护，在刻蚀端前新增水膜喷水装置，同时为了达到背抛光效果，改造刻蚀滚轮，另外增加一道吹干，要保证出料的绝对干燥，具体如表1所示。 由于硅片正面的磷硅玻璃的存在，水膜喷微量水后即可立即铺开，起到正面保护作用。 为达到出水量的精确控制，电池片通过入料感应器处被感应到，信号输出到PLC模块，再通过PLC模块输出指令，控制喷淋装置开始喷淋，喷淋的延迟时间长短可通过人机界面调整，如下图2、3、4所示。 增加深沟槽滚轮，提高减薄量均匀性，另外可起到背抛光效果。滚轮示意图如图5所示。 下传动滚轮改成被整支抛光深沟槽滚轮，避免了滚轮片焊接时的内应力导致的变形。 这种改造同样适用于5道和8道设备。对于8道刻蚀设备而言，更换浸泡区前后已磨损的传动支撑轨道，取消浸泡区中间支撑轨道，采用高精度水平调整。如图6、7所示； 经过改造后，各道出水量可以精确至0.1g；背抛后减薄量可满足0.25g；且刻蚀前后方阻提升不大于基准线。 2.2制绒设备改造刻蚀 由于电池片清洗工艺的优化升级，取消了部分链式制绒设备，为了节约成本充分利用资源，因此可以将制绒清洗机改为单面刻蚀清洗机再利用。同时在链式之中改造为单面刻蚀的过程中，可以同步增加背抛功能，具体改造方案如下。 2.2.1 KUTTLER制绒机改造方案 首先，对槽体进行改造，取消上压传动滚轮；下传动滚轮改成被抛光深沟槽滚轮；密封端盖、传动支撑座、齿轮组件更换，槽体壁板等改造；改成刻蚀槽后的结构示意如图8所示。 其次，添加水膜保护工艺，在入料感应器和2#槽之间增加水膜产生装置；定制喷淋装置（流量可调）；传动水平调试； 2.2.2 RENA制绒机改造方案 首先，进行槽体改造，取消上压传动滚轮；下传动滚轮改成被抛光深沟槽滚轮；增加主传动齿轮数量，更换主传动齿轮间隔套，重新制作50倍距的前后轨道支架；缩短工艺槽体工作现有的有效长度，缩短后的工艺有效长度为1400mm；修改原制绒槽进出液管路。改成刻蚀槽后的结构示意如图9所示。 其次，增加水膜保护工艺，在入料感应器和2#槽之间增加水膜产生装置（目的：保护上表面，减少过刻）；定制喷淋装置（流量可调）；每道喷淋时间可单独控制；传动水平调试。 2.2.3 Schmid制绒机改刻蚀机方案 首先进行槽体改造，取消上压传动滚轮；下传动滚轮改成被抛光深沟槽滚轮；增加隔液挡板，浸泡区长度由2600mm改为1400mm；增加液位调节板，液位高度由全浸泡降低为单面浸泡；传动水平调试：前后支撑轨道水平调试；泵浦出液流量调节。改成刻蚀槽后的结构示意如图10所示。 其次，增加水膜保护工艺，在入料感应器和2#槽之间增加水膜产生装置；定制喷淋装置（流量可调）；传动水平调试。 2.3 常温刻蚀改造 正常水膜刻蚀使用四支点滚轮。由于边缘无支撑，硅片因水膜和自重，边缘略低，有水与药液接触导致边缘腐蚀慢。单片腐蚀不均匀，边缘腐蚀量较少，因此需要减薄量要求高（0.12g），才能保证边缘结的全部去除，化学品单耗高，如下图11所示. 通过图5的滚轮改造，背面腐蚀的均匀性大大提升，刻蚀减薄量可以降低至0.06g即可将边缘结去除干净。在此基础上，刻蚀温度的上升可以进一步激发刻蚀药液活性，提升腐蚀速率，可以进一步达到背面抛光的目的。或者，在这样的情况下，达到相同腐蚀速率所需的浓度更低，进一步降低化学品单耗。 3. 改造后结果与分析 3.1 改造前后方阻提升量的变化 如图12所示，改造后由于水膜的保护，正面被气相腐蚀的几率下降，方阻提升很小，同时提升幅度也比较平稳。
由于刻蚀后方阻提升的稳定性更好，避免了某些刻蚀后方阻提升过大的情况，有利于电池转换效率的提升，对于常规156多晶电池而言，具体电性能如表2所示。
3.2 刻蚀背抛性能对比 表2中的结果除了是由于水膜保护导致方阻提升稳定，使得转换效率提升以外，在同样的刻蚀减薄量下，边缘会腐蚀更干净，因此大大降低了边缘漏电，使得并联电阻得到大幅度提升。这个效果是来源于滚轮的改造。如果在此基础上引入背抛化学配方，使得背面更加平整，电池效率将进一步提升。表3即给出了常规单晶电池上引入背抛工艺后电性能结果。
在常规单晶电池上转换效率有了0.05%abs.的提升。由于常规单晶电池背面还仅仅是铝背场，对于背面粗糙度要求还不算高。在此基础边缘较为可观的效率提升。如果将此背抛工艺引用于PERC电池中，则更为平整的表面将更加有利于背面介质膜的钝化与背反射，从而提升电池的开路电压和短路电流。 3.3 常温刻蚀结果 使用常温刻蚀后，由于水膜保护，担心的室温下硝酸、氢氟酸的气相腐蚀并未加剧。在常规多晶电池中低温和室温刻蚀效率对比如表4所示。 表4 低温和常温刻蚀电池电性能对比
因此常温刻蚀时可行的。 同时由于常温刻蚀加快了反应速率，于是可以适当降低药液浓度，已达到降低成本的目的。图13边给出了常温刻蚀下化学品用量情况。
除了化学品用量会降低以外，还可以降低刻蚀冷水机的使用，进一步降低刻蚀成本。 4. 总结 对现有的刻蚀设备进行适当改造可以起到降本提效的作用。首先，添加水膜保护工艺，可以降低刻蚀时化学气相腐蚀的几率，方阻提升较小，同时也避免了方阻提升的波动，保证了片间方阻的稳定性。从批量试制的过程中可以看到，该项改进可以是常规多晶电池效率提升0.03%abs.。在改造过程中同时引入滚轮的改造，可以起到背面抛光的作用，更加平整的背面有利于其后的金属化工艺以及背钝化。对于常规单晶电池而言，经过试制，背抛后转换效率提升0.05%abs.；如若将其应用于高效PERC电池，则将会大大改善钝化的效果和背反射效果，开路电压和短路电流将会进一步提升。 同时，对刻蚀设备的改造除了可以提效以外，也可以带来降本的效果。经过适当改造后，刻蚀工艺可以在常温环境下进行。提高了反应温度后，腐蚀速率会增加，由此可以降低刻蚀液浓度从而控制反应速率，进而降低化学品用量。同时还可以降低冷水机的使用频率，进一步降低刻蚀成本。另外，由于多晶黑硅等槽式制绒的推广，原本多晶链式制绒设备使用频率会下降。将多余的链式制绒设备经过适当改造完全可以达到刻蚀机的效果，由此也实现了降低运营成本的目的。 苏州昊建自动化系统有限公司
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