硅片表面污渍对铜辅助化学蚀刻的影响

摘要

太阳能电池制造过程中的硅片切割是一个关键步骤，但此过程往往会污染硅片表面。因此，本文系统地研究了硅片表面典型白点污渍的成分、来源和清洁方法。EDS和XPS结果表明，白点污渍含有CaCO3和SiO2，与粘性硅锭胶的填料成分一致。研究了污渍对铜沉积和铜辅助化学刻蚀的影响。铜沉积和刻蚀后，白点污渍仍附着在硅片表面。这些污渍影响了铜颗粒在硅片表面上的均匀沉积，也阻碍了铜颗粒的催化刻蚀。最后，将KOH溶液与超声波场相结合，去除硅片表面的污渍。这项研究为去除硅片污染物提供了重要指导，以制造高效率的太阳能电池。

一、介绍

稳定的能源供应支持人类的生存和社会的可持续发展。自工业革命以来，诸如煤炭和石油之类的化石能源已被大量消耗，但这也产生了诸如大量温室气体排放之类的环境污染，从而引发了全球变暖和气候变化等问题。因此，诸如光伏和风能之类的可再生能源得到了快速发展。全球光伏装机容量从2010年到2021年增长了21倍，到2021年底达到965千兆瓦。预计到2022年，光伏装机容量将进入太瓦级规模，到2030年将达到近5太瓦。

硅材料在整个光伏产业中占据着主导地位。在基于硅的光伏产业链中，硅片的制造是最基本的步骤。金刚线切割是主要的硅片切片技术，其中高硬度钻石附着在钢丝上，通过高速线性摩擦将硅片切成薄片。在硅片制造过程中，制造设备、辅助材料和粗心操作都可能产生硅片表面污渍。在硅片切割过程中，由于金刚线与硅片的反复摩擦，硅片表面会产生大量的脆性损伤和塑性损伤。由此，悬挂键的密度必须非常高，这些悬挂键具有高反应性和强活性。受损的表面经常吸附周围的各种分子或原子，从而污染硅片表面。这些污渍主要是通过物理吸附和化学吸附产生的。物理吸附的污渍主要是由于硅废料、灰尘颗粒、胶水等不与硅片反应的物质造成的。硅片通过范德华力与这种类型的污渍结合。化学污渍主要是由于加工设备中的污染物以及切割液中脱落的小金属颗粒和金属离子而形成的。这种类型的污渍通过化学键（如离子键和共价键）与硅片结合。

二、材料和方法

对白点污染硅片进行测试与分析

白点污渍在太阳能电池的生产过程中经常遇到。硅片的大小为210毫米×210毫米，n型晶体硅片厚度为150±5微米。电阻率为1-3 Ω。塑料板、粘性硅锭胶和金刚石线是从生产太阳能电池的企业获得的。使用配备Oxford EDS的钨丝扫描电子显微镜，详细表征白点污渍、塑料板、粘性硅锭胶和金刚石线的形态和元素分布。使用X射线光电子能谱分析白点污渍的表面状态。

沉积和蚀刻

蚀刻溶液由2.76 M HF、1.2 M H2O2、0.05 M Cu(NO3)2和去离子水组成。将此溶液放入特氟龙烧杯中，并在水浴中加热至40℃。将有白点污渍的硅片放入蚀刻溶液中反应7分钟。蚀刻后，将样品用蒸馏水冲洗干净并用氮气干燥。镀膜溶液由2.76 M HF、0.05 M Cu(NO3)2和去离子水组成。将此溶液置于室温下的特氟龙烧杯中。将带有污渍的硅片放入镀膜溶液中反应10秒。镀膜后，将样品用蒸馏水冲洗干净并用氮气干燥。实验结束后，使用扫描电子显微镜（SEM）对蚀刻和镀膜前后的白点污渍的形态进行了研究。

晶片清洗

清洁溶液由10wt％的氢氧化钾组成。在室温下，将带有污渍的硅片放入含有200 W、53 kHz超声场的清洁溶液中进行清洁。每清洗一分钟，使用金相显微镜观察污渍脱落情况。

三、结果和讨论

图1a显示了白点污渍硅片的照片。照片中三个黄色框中可见白点污渍。通过扫描电子显微镜（SEM）观察到白点污渍的不规则形态，如图1b所示。该斑点长约144微米，宽约155微米。该物质的表面分布着不同大小的亮点。图1c-f显示了EDS元素图谱，表明白点污渍含有C、Ca、O和Si元素。C的含量最高，因此推测白点污渍可能是有机物。

图1 (a)白斑染色硅晶片的照片，白斑染色硅晶片的(b) SEM图像，(c)、(d) C、(e) Ca、(f)和(c)的元素分布

四、结论

本研究使用EDS和XPS对硅片表面白点污渍的成分和来源进行了分析。结果表明，污渍含有CaCO3和SiO2，这与粘性硅锭胶填充物的成分分析一致。因此，本文推断白点污渍来自金刚线切割过程中附着在金刚线表面的胶体。在HF/Cu(NO3)2/H2O2系统中进行金属铜催化蚀刻处理后，白点污渍仍留在硅片表面，显示出良好的耐酸腐蚀性。污渍的存在影响了铜颗粒的均匀沉积，阻碍了硅片的表面纹理化。最后，提出了使用KOH溶液结合超声场来去除硅片表面污渍的方法，并在5分钟内完全去除。本研究为清洗受污染的硅片表面提供了重要指导，这在制造高效太阳能电池方面非常重要。