多晶硅太阳电池片气相刻蚀制绒反应动力学研究

There has been for long time a lack of ideal anti-reflection texturization technology for multicrystalline silicon solar cell wafers; and for the emerging diamond-wire-sawn multicrystalline silicon wafers, no feasible texturization technology is available yet. The present group proposed in recent year a HF-HNO3 vapor based low cost vapor etching texturization method, which has the potential of solving the texturization problem for the diamond-wire-sawn multicrystalline wafers, and offering a significantly improved texture for normal multicrystalline silicon wafers. However, its further development for application encountered serious barriers in stability and uniformity. Comprehensive and deep understanding of the reaction kinetics involved is essential for overcoming these barriers. The present project proposal originates from this concern. It includes experimental studies of the effects of vapor source composition, temperature, vapor pressure and silicon substrate temperature on the etching kinetics and morphology; correlation of the etching spot preference with original surface morphology and sub-surface crystalline defects; thermodynamic computation analysis of the chemical reactions and the mechanism analysis of the etching process, leading to general modeling of the vapor etching texturization process. This model will cover the above effects of the multiple factors. The present fundamental study aims at supporting our technical innovation for development of photovoltaic industry.

普通砂浆切割多晶硅太阳电池片长期以来缺乏理想的表面减反射刻蚀制绒技术，而近年出现、颇具发展优势的金刚石线锯切割多晶硅片则迄今还没有可行的制绒技术。本研究组近年来提出一种基于氢氟酸－硝酸蒸气刻蚀作用的低成本气相制绒方法，具有显著优于现行氢氟酸－硝酸湿法制绒的效果，有望同时解决金刚石切割多晶硅片的制绒障碍和普通多晶硅片制绒效果不理想问题。然而该方法的应用尚存在严重稳定性和均匀性障碍，切需在系统深入了解其相关反应过程动力学的基础上克服。本项目即缘此而起。其主要内容包括蒸气源成份、温度、蒸气压强和硅片温度对刻蚀形貌和刻蚀速率的影响，表面原始形貌和次表层晶体缺陷结构与刻蚀区域选择性的关联；反应热力学计算分析和刻蚀机理分析，建立包含以上各种影响因素的多晶硅太阳电池片气相刻蚀制绒反应动力学综合模型。本项目旨在以扎实的基础研究支持技术创新，为推进光伏业发展作出贡献。

普通砂浆切割多晶硅太阳电池片长期以来缺乏理想的表面减反射刻蚀制绒技术，而近年出现、颇具发展优势的金刚石线锯切割多晶硅片则还没有同时满足减反射效果、去切割纹效果、经济可行和环保的制绒技术。本项目前期基于初步尝试结果提出一种基于氢氟酸－硝酸-水溶液蒸气刻蚀作用的低成本气相制绒方法，具有显著优于现行氢氟酸－硝酸湿法制绒的效果，有望同时解决金刚石切割多晶硅片的制绒障碍和普通多晶硅片制绒效果不理想问题。然而该方法的应用尚存在严重稳定性和均匀性障碍，切需在系统深入了解其相关反应过程动力学的基础上克服。本项目即缘此而立。其主要内容包括蒸气源成份、温度、硅片衬底温度和硅片表面状态对刻蚀形貌和刻蚀速率的影响；体系各组分蒸发动力学与分析、刻蚀动力学实验与分析和刻蚀机理分析。研究揭示了基于氢氟酸－硝酸-水溶液蒸气的所谓气相刻蚀制绒实质为这种热蒸气在硅片表面凝结形成的微液滴造成的局部刻蚀制绒，进而提出微液滴刻蚀（MDE）制绒新概念；进一步研究发现，氢氟酸－硝酸-水溶液的液滴在其边缘由于气-液-固三相区的存在而具备比溶液全面润湿浸没区域明显更强的刻蚀能力，解释了MDE制绒机理。关键数据是：1）当硅片温度接近水的沸点而使混合酸溶液无法凝结时，硅片基本不发生刻蚀，显示气体刻蚀作用相对很小；2）在抛光单晶硅片表面，湿法刻蚀很慢，而且不能产生不均匀刻蚀，而一个液滴则可以较快地造成从内部到边沿明显加深的蚀坑。氢氟酸－硝酸-水溶液体系与晶体硅之间的化学交互作用是硅半导体和纳米科技领域一个长期课题，利用该体系溶液蒸气进行硅晶体刻蚀虽也已有实验研究，然而都实际上将反应看作气-固反应看待，本项目研究将其拓展到了一个新的空间，其中主要存在凝聚微纳米尺度液滴的刻蚀作用，特别是其三相界面的加速作用，而一般设想的气-固反应反而是次要的。