湿法黑硅技术 ——突破多晶硅电池效率限制

摘要：长期以来，多晶太阳电池表面反射率较高的难题一直得不到有效解决，制约了电池效率的进一步提升。湿法黑硅技术(metal Catalyzed Chemical Etching，MCCE)成功解决了这一难题，突破了这方面的效率限制。该技术既适用于砂浆切割硅片，也适用于金刚线切硅片，是降本增效的利器，将来势必成为多晶电池的标配技术。阿特斯历经3年自主研发，攻克多道技术难关，在2014年底成功量产，开辟了湿法黑硅技术产业化的新纪元。本文主要从技术优势、成本优势、关键技术、以及产业化进程几个方面介绍湿法黑硅技术。

关键词：湿法黑硅;MCCE;金刚线切割;电池效率;CTM

1、 引言

多晶电池效率的提升受制于表面反射率的降低。常规多晶主要采用酸制绒，形成蠕虫状的坑洞;而单晶采用碱制绒，形成金字塔结构的绒面。相比单晶电池，常规多晶电池的表面反射率高3%~5%(绝对值)。降低表面反射率是提高多晶电池效率的关键。成本方面，单晶硅片受益于金刚线切割工艺的推广，成本大幅下降;而多晶硅片金刚线线切的推广受制于电池制绒工艺的匹配，具体讲，金刚线线切多晶硅片使用常规制绒工艺后，反射率更高并有明显的线痕等外观缺陷，严重降低电池效率。阿特斯开发的湿法黑硅技术完美的解决以上问题，既能提升电池效率又能降低电池成本，是多晶电池继续进步的必由之路。

制备黑硅所采用的技术主要有：①激光刻蚀法;②气相腐蚀法;③反应离子刻蚀法(Reactive Ion Etching，RIE);④金属催化化学腐蚀法(metal Catalyzed Chemical Etching，MCCE)。目前，具有量产可能性的黑硅技术主要是RIE。但是，RIE黑硅由于需要昂贵的真空设备以及工艺均匀性较差等因素，尚未大规模进入量产。阿特斯历经3年的自主研发，攻克多道技术难关，于2014年12月成功将湿法黑硅技术推广到生产线，实现0.4%(绝对值)的电池效率增益，成为业界首家将该技术实现产业化的太阳能电池公司。如图1所示，这一技术大大加快了多晶电池效率的提升速度，使得多晶电池量产效率有望在2016年底提前达到19%。阿特斯开发的湿法黑硅成本优于RIE，反射率均匀性好，易于产线工艺升级。随着该技术的逐渐成熟，阿特斯的湿法黑硅技术势必将取代现有常规多晶制绒，为金刚线切割硅片的及时导入和多晶电池的降本增效提供原动力。

图1：业界主流多晶效率趋势

2、产业化黑硅电池技术概述

早在2004年，日本京瓷公司引入了RIE多晶制绒技术。在2008年，以韩国公司为代表的设备厂家开始在中国推广RIE技术。一些一线电池厂家对该技术也进行过小批量评估，由于较高的工艺成本以及组件功率收益不理想，该技术最终没能推广成功。近两年，基于硅片厂家对金刚线切片技术导入的预期以及电池、组件技术的快速发展，RIE黑硅技术又逐渐进入业内技术人员的视野。同时，国产RIE设备也促进了该技术发展。但RIE设备的综合性价比始终制约着该技术的大规模推广。

另外一种可大规模产业化的黑硅技术是湿法黑硅技术。早在2006年，德国的Stutzmann小组即提出了金属催化化学腐蚀的概念并在实验室进行了初步的研究;直到2009年，美国国家可再生能源实验室(NREL)的Branz博士提出了全液相黑硅制备方法，将湿法黑硅技术朝产业化方向又推进了一步。但是，他们一直未能解决好黑硅表面钝化难题，使得湿法黑硅技术一直停留在实验室阶段。湿法黑硅技术基本原理如图2所示，采用 Au、Ag等贵金属粒子随机附着在硅片表面，反应中金属粒子作为阴极、硅作为阳极，同时在硅表面构成微电化学反应通道，在金属粒子下方快速刻蚀硅基底形成纳米结构。

图2 金属催化化学腐蚀原理图

以上两种产业化黑硅技术比较如下。

与常规的多晶电池相比，湿法黑硅电池不同之处在制绒这一工序，由于同样采用湿法化学腐蚀工艺，与现有的常规电池工艺能很好的兼容。而RIE黑硅是在常规酸腐蚀后，再进行RIE形成纳米绒面，最后通过化学腐蚀去除硅片表面的残留物和离子轰击带来的损伤层。比常规多晶电池制程，增加了至少两道工序。

3 、阿特斯湿法黑硅电池技术进展

阿特斯早在2009年开始黑硅技术调研，并选用湿法黑硅技术作为黑硅技术的首选，一直致力于产业化湿法黑硅技术的开发。

湿法黑硅技术产业化最关键的技术难点在于：一、通过纳米微结构的优化以及后道工序匹配，解决减反效果与其带来的表面钝化问题之间的矛盾;二、开发适合产业化的稳定工艺流程以及成本控制，提高净收益。如何设计合适的设备，确保该工艺能够全天候稳定运行，是产业化必须面对的问题。

阿特斯开发的湿法黑硅技术，可以实现不同类型的纳米绒面。这些绒面包括：纳米正金字塔、纳米倒金字塔、纳米柱、纳米凹坑等，如图3所示。对于不同类型的纳米结构，其光学特性以及电学特性是不同的。光学特性主要是封装后光学多次反射的角度和路径不同，从而导致组件端光学增益的不同;电学特性主要是不同纳米结构的尺寸以及表面积不同，从而导致表面钝化的不同，进而影响最终电池的电性能。湿法黑硅的优势就在于，它可以调控不同类型的纳米微结构，通过光学和电学性能上的匹配，实现湿法黑硅组件功率的最大化。

图3 不同类型的湿法黑硅纳米绒面结构

2012年底，阿特斯在实验室实现湿法黑硅技术效率上的突破，随后在向产业化转移的过程中，通过不懈努力解决了诸多技术难题，于2014年12月将该技术成功推广到生产线，在世界上首次实现湿法黑硅技术的产业化，使电池平均效率提升达到0.4%。表1是阿特斯产业化湿法黑硅电池典型电性能数据(所列各项均为与常规电池参照组相比的绝对增益)。控制好电池工艺，确保效率提升和关键电性能参数的稳定，对黑硅电池效率转化成组件CTM至关重要。

湿法黑硅技术是通过提高电池的短波响应来提高光电流。图4是典型的湿法黑硅电池与常规多晶电池的量子效率以及反射率曲线。

图4 湿法黑硅电池与常规多晶电池的外量子效率以及反射率曲线

随着湿法黑硅技术的成熟，阿特斯已将此技术推广到多个生产基地。该技术已成为阿特斯多晶电池新增产能的标配技术。

4、结语

阿特斯注重自主研发，在世界上首次实现湿法黑硅技术产业化，在多晶技术领域走在了行业的前列。阿特斯的湿法黑硅技术为金刚线线切在多晶切片领域的大面积推广铺平了道路。湿法黑硅技术还可以融合其他硅片及电池产业化技术，从根本上提升多晶电池的转换效率，并降低光伏组件的成本。阿特斯开发的湿法黑硅技术势必取代常规多晶制绒，成为未来多晶电池制程的标配技术。