光伏电力是最具发展前景的清洁能源。光伏电力发展的主题之一依然是降低成本。国内外光伏电力主要基于硅片太阳电池。近年来发展的金刚石线锯切割硅片技术相对传统的砂浆线锯切割技术使成本有可观幅度的降低,2014年以来已全面应用于单晶硅太阳电池硅片生产。然而多晶硅太阳电池片却迄今不能得益于这项技术进步。其原因是金刚石线锯切割的多晶硅片与现行酸性湿法制绒技术不能兼容,国内外迄今仍没有理想的低成本替代技术。本研究组前期研究开发了一种基于氢氟酸-硝酸混合酸溶液热蒸气刻蚀作用的气相刻蚀制绒方法(简称VE制绒),对金刚石切割硅片具有良好的制绒效果,但其均匀稳定性尚不够理想,需要深入研究理解其绒面形貌的形成机理和控制方法,以发展成为一项有生产应用前景的技术。这是本文研究的主要意义和目的。近年来美国开发出一种低成本的直接生长法多晶硅片,同样面临与传统多晶硅酸性湿法制绒不兼容问题,本文对这种硅片也进行了VE制绒初步研究。对蒸气源混合酸溶液的配比、溶液温度、硅片预热保温方式、刻蚀时间等VE制绒工艺条件对刻蚀动力学和制绒效果的影响进行了系统的实验研究,采用失重分析考察刻蚀动力学,采用光反射率、表面粗糙度和表面微观形貌表征制绒效果。结果显示,VE制绒初期一般快速形成10微米以上直径的大而浅的刻蚀坑,且沿线痕方向连接成浅沟槽坑,绒面光亮,反射率较高;随后会形成大量1-5微米直径的小刻蚀坑,刻蚀坑深宽比增大,反射率降低;继续进行下去则又会出现复杂纳米尺度蚀坑。各工艺条件都能够影响从初期到后期不同阶段的时间和发展程度,从而影响到最终所得绒面蚀坑的形貌、大小、均匀性及稳定性。研究发现并提出VE制绒的“微液滴刻蚀机理”:晶体硅表面的VE刻蚀制绒,实际上并非是由酸溶液蒸气刻蚀而是由它在硅片表面凝结形成的微液滴的局域刻蚀作用而产生的;刻蚀过程中的反应放热及其对硅片温度的影响和演变对刻蚀效果有着关键作用。常温下开始制绒的硅片的VE过程大致分为以下三个阶段:初期液膜刻蚀阶段:初期硅片温度尚较低,酸蒸气在硅片上冷凝成片且迅速扩展润湿硅片表面形成液膜,以液膜为载体刻蚀硅片,去除表面损伤层,淡化切割痕带来的表面性质差别,此为第一阶段‘液膜刻蚀阶段’。此阶段类似于湿法酸刻蚀,与之有着一致的刻蚀反应机理和刻蚀形貌。中期微液滴刻蚀阶段:随刻蚀反应大量放热,硅片升温,液膜蒸发收缩破裂成微液滴,以及不断凝结新生的微液滴,以微液滴为载体刻蚀硅片,形成均匀分散的微米级蚀坑。这种局域刻蚀点的分布由外来凝结点决定,而不是循硅片表面切割纹分布,因此它能解决金刚石切割多晶硅片的制绒问题,消除表面切割纹。后期复杂循环刻蚀阶段:随着刻蚀继续进行,硅片局部或整体温度高于酸蒸气温度,微液滴细化至纳米尺度及至消失,过程中产生亚微米或纳米尺度蚀坑,反应放热减缓,使硅片温度下降,到一定程度后微液滴的凝结复而发生,而刻蚀亦复而进行…如此不断往复循环,形成亚微米或纳米尺度蚀坑形貌。这一过程中硅片温度处在酸蒸气的凝结-蒸发临界点附近,刻蚀形貌具有由临界现象带来的复杂特征。复杂纳米结构能够大幅提高表面减反射效果,但同时却使后续电池工艺困难,其利用需慎重对待。目前本VE制绒技术不包括这一阶段。基于上述“微液滴刻蚀机理”和VE三阶段特性,通过大量实验验证,本文对金刚石线锯切割多晶硅片表面VE制绒的形貌控制提出了一系列的工艺条件,并显著改进了其均匀稳定性,形成了一种刻蚀时间60秒的有量产前景的VE制绒工艺,所得绒面为均匀密布的微米级蚀坑,其平均光反射率低于18%。研究发现VE制绒对直接生长法多晶硅片也具有良好效果,平均光反射率可降低到15%。所提出的微液滴制绒机理和三阶段特性依然适用,与金刚石切割硅片的区别是其液膜刻蚀阶段较短,缩短了整体刻蚀制绒时间。VE可望为新兴的直接生长法硅片提供高效低成本制绒技术。