合作项目 | MSA接触角测量助力光伏硅片的质量控制

KRÜSS于1796年诞生于德国汉堡，是表面科学仪器领域的全 球领导品牌。先后研发了世界上第 一台商用全自动表面张力仪和第 一台全自动接触角测量仪，荣获多次国际工业设计大奖和德国中小企业最 具创新能力TOP100荣誉。其它产品还包括各类动态表面张力仪、泡沫分析仪、界面流变仪和墨滴形状分析仪等。

研究背景

太阳能是目前全 球可再生能源中发展最 快的一种，其年发电量已超过风能。诸如Fraunhofer硅光伏研究中心CSP的正在使用的这些设备，用于确保光电效应得到更有效、更经济的利用，从而进一步积极推动其发展。作为Fraunhofer CSP的研究员——Ringo Köpge正在主导一个优化晶圆制造和质量保障的项目，该项目同样包括了用于清洁控制的接触角测量过程。

便携式接触角测量仪的联机工作站

根据项目对象，将先进行建模，在成功完成后，可考虑将其用于晶圆质量控制的工业规模尺寸。由于样品体积大，且清洗后需立即进行测量，因此必须配备一台可以联机并快速工作的测量仪器。Köpge决定采用KRÜSS便携式表面分析仪–MSA，这是一款手持式的测量仪器，但也支持用于接入机器人系统。MSA软件的接口（API）允许通过其他软件远程启动润湿性测量和自动查询测量结果。

光伏硅片的清洁度控制

由二氧化硅构成的硅片是一般太阳能板的前体，在生产出原始硅片后，硅片会经历多个蚀刻过程，过程中其表面会受到污染的影响。因此，硅片的最 终清洁控制是质量保障中不可或缺的步骤。Fraunhofer CSP的项目经理Ringo Köpge为此制定了优化的任务。对于清洁度的测试方法，这位科学家决定使用接触角法测量润湿性，因为这种测试的方法是非接触、非破坏性的，在使用纯水的情况下甚至不会在敏感的表面留下任何痕迹。Köpge旨在解决两个重要问题：如何成功地对硅片进行最 终的清洁度检查，并覆盖尽可能多的样品？以及研究在过程中收集的接触角数据与成品太阳能电池的效率有什么关联？

Ringo Köpge正在评估联机接触角测量的结果

从硅元件到成品晶圆的过程

Fraunhofer CSP的设备可以根据面临的问题绘制整个晶圆的工艺链。首先，掺有外来原子的单晶硅（即所谓的晶锭），会与牺牲板结合，然后会通过多线切割机将两者切割成180至250µm厚的方形硅片。在这整个工艺过程中不同步骤的优化，包括牺牲板粘合剂的开发，已经成为研究项目的一部分。根据不同的问题，项目合作伙伴进行了分工：Wettenberg（德国黑塞州）的PVA TePla AG参与结晶方面，Erfurt（德国图林根州）的PV Crystalox Solar Silicon GmbH公司参与晶圆方面。

在进行预清洗步骤以溶解牺牲板粘合剂后，晶圆在自动清洗系统中通过一系列的超声波浴，以使其免受硅粉尘和有机污染物的污染，同时保证最 终成品免受清洁剂中表面活性剂的污染。

在随后的联机检查中，将其分为A和B类晶圆，并记录其厚度，接着使用相机检查光学质量，最 后进行接触角测量等。

行动指南

许多工艺步骤伴随着同样多的影响最 终产品的质量的因素。然而，决定性的单位面积电流产量只能在由测试过的晶圆制成的成品电池上检验。研究的核心问题是，哪些工艺参数和质量缺陷有什么影响，有多大影响，以及接触角对成品太阳能电池板的预期产量有什么影响。

想要可靠地确定众多独立影响因素的关联性，通常需要大量的数据。作为项目的一部分，数千块经过不同处理和清洁度的晶圆通过质量控制的联机工作站。为了评估和解释接触角的测量结果，Köpge和他的同事借鉴了数据科学的方法，并与来自德累斯顿（德国萨克森）的Kontron AIS公司合作。该项目成功完成后，其结果有望对光伏晶圆的优化和质量保障产生突破性影响。