金剛線添加劑原理及調試方法概述

2017-11-01 15:37:49 摩爾光伏　點擊量：評論 (0)

摘要：通過金剛線添加劑對金剛線多晶硅片的制絨實驗，本文不僅總結出金剛線添加劑降低制絨反射率的原理，還歸納出不同金剛線添加劑量所需的最佳HF HNO3 DI初配及自動補加的調試方法，此方法不僅可以使得金剛線添

摘要：通過金剛線添加劑對金剛線多晶硅片的制絨實驗，本文不僅總結出金剛線添加劑降低制絨反射率的原理，還歸納出不同金剛線添加劑量所需的最佳HF/HNO3/DI初配及自動補加的調試方法，此方法不僅可以使得金剛線添加劑制絨后反射率達到最低值（添加劑的極限），還能避免不必要的HF和HNO3等化學品的浪費。

引言：隨著金剛線切割技術的發展及單多晶競爭的日益激烈，預計2019年前多晶硅片將全部由砂漿線切割轉變為金剛線切割。不過由于金剛線切割多晶硅片的損傷層淺、線痕明顯等問題，常規砂漿線的酸制絨難以在其表面刻蝕出有效的減反射絨面。目前，針對金剛線多晶硅片制絨的難題，主要解決辦法包括：金剛線直接添加劑法、干法黑硅（RIE）及濕法黑硅（MCCE）等，由于RIE和MCCE成本及工藝等原因，目前大多數企業以金剛線直接添加劑法制備金剛線切割多晶硅片的減反射絨面，當然由于添加劑法制備的電池轉換效率低等因素，決定其只是金剛線切割多晶硅片全面推廣的一個過渡階段。

金剛線添加劑制絨原理

金剛線切割多晶硅片利用二維切割方法，通過電鍍或樹脂固定的方法將金剛石顆粒鑲嵌在不銹鋼絲上，直接利用其高速運轉對硅片進行磨削切割，具有切割效率高、環保、適合于薄片切割及硅料利用率高等優點，但表面損傷層淺且有較多粗線痕；砂漿線切割多晶硅片利用三維切割方法，采用不銹鋼絲將SiC微粉及聚乙二醇等帶入切割區進行磨削切割的方法，具有表面損傷層較深且基本無線痕優勢，但產量低、硅料損耗大、環境污染大等。由于金剛線多晶硅片與砂漿線硅片損傷層等差異較大，因此利用砂漿線酸制絨的方法對金剛線多晶硅片進行制絨時反射率達到28%左右，平均Eta比常規砂漿線低0.2%左右，主要是由于其制絨后反射率過高，從而導致Isc下降。

目前，許多添加劑廠家都開發出金剛線切割多晶硅片用添加劑，可以直接用砂漿線多晶硅片的酸制絨機臺，制絨后反射率比砂漿線高2%左右，轉換效率約比砂漿線低0.05%，成本低且與產線100%兼容。一般來說，按照金剛線添加劑廠家建議的HF/HNO3/DI初配，沒有加入添加劑時減重較高，反應較劇烈，氣泡較大較少，反射率高，絨面會較大較淺；加入添加劑后減重會明顯降低，反應變慢，但氣泡較小較多，反射率變低，表面整體變暗，絨面普遍較小較深，這是因為：金剛線添加劑會降低制絨藥液的表面張力，有利于氣泡、反應的含硅絡合物等形成的"掩膜"脫離硅片表面，尤其是對硅片底部的作用效果較為顯著，因此在金剛線添加劑作用下促進絨面縱向發展，這樣制絨時縱向反應速度與橫向反應速度差異比無金剛線添加劑時小很多，從而有利于硅片的絨面變小變深，達到降低反射率的目的。由此表明：金剛線添加劑首先是抑制制絨反應的進行，使得整體反應速度變慢，同時通過控制絨面寬度和深度降低反射率，達到陷光效果。下圖即為有無金剛線添加劑條件下3D絨面照片，對比可發現：有金剛線添加劑時絨面明顯更小，出絨率更多，這是由于添加劑相對促進硅片縱向反應的結果。

金剛線直接添加劑法所需HF/HNO3理想配比的實現方法

目前各廠家金剛線添加劑直接制絨法的初配比例差異較大，一方面是由于市場上金剛添加劑的種類繁多，添加劑配方差異較大；另一方面是因為多數添加劑及電池廠家都僅在常規砂漿線多晶硅片初配的基礎上進行適當調整，并沒有調試出一個很好的初配比例，這樣會造成制絨后的反射率難以達到添加劑所能達到的最低值，不利于提高電池的轉換效率，同時會造成大量HF和HNO3的浪費。

根據金剛線添加劑特性及原理，我認為任何一款金剛線添加劑都只是相對的降低制絨反射率，因此都有其所能達到的最低反射率。如果金剛線添加劑的用量偏少而HF/HNO3用量過多，不僅會造成化學品的浪費，而且很難達到降低金剛線多晶硅片制絨反射率的目的。尤其是HNO3對反射率較為敏感，HNO3稍多就會造成表面發白，反射率迅速增加，HF過多會造成黑絨及整體反應加速等現象。如果添加劑用量偏多，不僅造成其浪費，還不利于提高電池轉換效率（金剛線添加劑含有有機物等），同時也難以界定HF/HNO3用量是否達到合適配比，不利于獲得更低的制絨反射率。因此，我認為金剛線添加劑制絨初配時首先需要考慮合適的金剛線添加劑的用量，然后通過工藝調整得到最佳的HF/HNO3/DI配比，這樣才能得到最低的反射率，提高金剛線多晶電池的Isc和Eta。

那么，怎么通過調試獲得最佳的工藝配比呢？通過金剛線添加劑實驗發現：在適當的初配比例下，可通過逐步的工藝調整得到理想藥液配比（包括添加劑量，HF、HNO3及DI用量，甚至帶速、溫度等、循環流量等）。工藝調試過程中遵循單一變量的原則，并重點監控絨面、反射率（表面敏感程度）、減重及外觀黑絲狀況等參數，通過每次工藝調整后各監控參數的變化分析藥液中各化學品量狀態（過量還是少量），尤其注意一些突變性的變化，這有助于快速幫助我們把握某些化學品的量是否適宜。配合對金剛線添加劑原理的理解及各種化學品的作用，可建立一個金剛線多晶硅片制絨反應的模型，通過對工藝調試過程中各監控參數變化進行邏輯推理，可得到理想的金剛線添加劑藥液配比。針對不同用量的金剛線添加劑，可調試出不同的相適宜的HF/HNO3/DI配比，同時此方法亦可調試出最佳的HF/HNO3自動補加比例。

總結：由于單多晶的成本競爭日趨激烈，低成本的金剛線多晶硅片已迅速取得砂漿線多晶硅片，受限于濕法黑硅及干法黑硅技術及成本壓力，目前大多數電池廠商利用金剛線添加劑解決金剛線多晶硅片制絨難問題。雖然添加劑制備的電池轉換效率低，但最近1-2年金剛線添加劑還是會成為解決制絨難題的主要方法，因此作為電池技術人員理解金剛線添加劑制絨原理并通過工藝調整得到最近的制絨反射率及最佳的藥液配比十分重要。通過自身的實驗經驗及相關文獻，本文總結了金剛線添加劑制絨的原理及理想配比的調試方法，借此拋磚引玉，希望得到各位行業同仁的批評與指正。