La contrainte de contamination par les métaux dans le traitement du silicium solaire
La gravure du silicium de qualité solaire-à l'aide de mélanges d'acide nitrique (HNO₃) et d'acide fluorhydrique (HF) élimine les dommages causés par la scie et texture les surfaces des plaquettes pour piéger la lumière. La contamination par des métaux traces, en particulier du fer, au cours de cette étape de gravure réduit la durée de vie des porteurs minoritaires et l'efficacité des cellules solaires. Les réchauffeurs PFA remplis de carbone offrent une résistance mécanique et une conductivité thermique améliorées, mais peuvent extraire le fer des particules de charge de carbone dans le mélange acide agressif. L'analyse quantitative de 12 lignes de production de cellules solaires montre que des taux d'extraction du fer supérieurs à 0,15 ug/cm²·jour réduisent l'efficacité des cellules de 0,4 % à 0,7 % absolu, tandis que des taux inférieurs à 0,05 ug/cm²·jour ne montrent aucun impact mesurable sur l'efficacité par rapport au PFA non chargé.
Mécanisme d'extraction du fer à partir de PFA rempli de carbone
Les composés PFA chargés en carbone-contiennent 10 à 25 % en poids de particules de noir de carbone ou de graphite pour améliorer la conductivité thermique et la résistance au fluage. Les charges de carbone commerciales contiennent par nature des traces de fer provenant de résidus de catalyseurs utilisés dans la fabrication du noir de carbone (généralement 50 à 500 ppm de fer dans la charge). Dans les mélanges concentrés HNO₃/HF, l’acide oxydant attaque les surfaces carbonées, libérant des ions fer dans l’agent de gravure. Les tests d'extraction selon la méthodologie SEMI F57 à 25 degrés dans 70 % HNO₃/5 % HF montrent que le PFA chargé de carbone-avec 300 ppm de fer dans la charge libère du fer à des taux de 0,12 à 0,28 ug/cm²·jour en fonction de la charge de charge et de la qualité de la matrice polymère. Le PFA non chargé extrait le fer à raison de 0,01 à 0,03 ug/cm²·jour du catalyseur de polymérisation résiduel, un ordre de grandeur inférieur.
Qualité des charges et variabilité de la libération du fer
Le taux d'extraction du fer à partir des PFA chargés en carbone-varie de plus d'un facteur 10 entre les sources de charges. Le noir de carbone fabriqué par procédé au four contient de 200 à 500 ppm de fer provenant de matières premières de mazout lourd. Le noir thermique produit à partir du gaz naturel ne contient que 20 à 50 ppm de fer. Les fournisseurs utilisant du noir thermique atteignent des taux d'extraction de 0,03 à 0,06 ug/cm²·jour, se rapprochant des performances du PFA non chargé. Les noirs de carbone lavés à l'acide, où la charge est traitée avec du HCl avant le mélange, réduisent la teneur en fer en dessous de 30 ppm et les taux d'extraction en dessous de 0,04 ug/cm²·jour. Les fabricants de cellules solaires doivent exiger une documentation sur la teneur en fer de la charge de carbone et sur l'historique de lavage, en spécifiant un maximum de 50 ppm de fer dans la charge et un taux d'extraction maximal de 0,06 ug/cm²·jour dans 10 % HF/70 % HNO₃ à 25 degrés selon la norme ASTM C871.
Effets sur l’épaisseur de paroi et la surface
Le fer total extrait d'un appareil de chauffage PFA dépend de la surface mouillée, et non directement de l'épaisseur de la paroi. Une paroi PFA plus épaisse du même matériau chargé de carbone-contient plus de fer total dans la matrice polymère, mais seul le fer situé à environ 50 microns de la surface est accessible à l'extraction acide pendant la durée de vie typique du bain de gravure. Le profilage de la profondeur d'extraction par élimination successive des couches superficielles montre qu'après 30 jours dans HNO₃/HF, l'extraction pénètre de 35 à 45 microns dans la surface du PFA. Pour les épaisseurs de paroi supérieures à 1,0 mm, le taux d'extraction par unité de surface est indépendant de l'épaisseur totale de la paroi. Un radiateur rempli de carbone-de 2,5 mm extrait le fer au même taux par centimètre carré qu'un radiateur de 1,5 mm de composition identique. Les ingénieurs préoccupés par la contamination par le fer ne peuvent pas réduire l'extraction en augmentant l'épaisseur des parois ; seule la qualité de remplissage et le traitement de surface comptent.
Limites quantitatives d’extraction du fer par type de cellule
| Technologie des cellules solaires et objectif d’efficacité | Taux d'extraction de fer maximal autorisé (ug/cm²·jour) | Matériaux de chauffage PFA acceptables | Méthode de test requise |
|---|---|---|---|
| PERC monocristallin, efficacité > 22 % | < 0.04 | PFA non chargé, rempli de noir thermique-(< 30 ppm Fe) | ICP-MS après 14 jours d'immersion |
| Norme monocristalline, efficacité 20-22 % | < 0.07 | Noir de carbone lavé à l'acide-(< 50 ppm Fe) | ICP-MS après 14 jours d'immersion |
| Multicristallin, efficacité < 20 % | < 0.15 | Noir de carbone standard (< 200 ppm Fe with surface seal) | ICP-OES après 7 jours d'immersion |
| Recherche/enseignement supérieur, pas de garantie d'efficacité | < 0.30 | PFA commercial-chargé en carbone, n'importe quelle qualité | Non spécifié |
Passivation de surface pour réduire l'extraction du fer
Pour les applications nécessitant des propriétés mécaniques du PFA chargé en carbone mais une faible extraction du fer, les traitements de passivation de surface réduisent la libération de fer en formant une couche barrière. La fluoration de la surface du PFA dans du fluor gazeux à 200 degrés crée une couche dense de fluorocarbone de 2 à 5 microns d'épaisseur qui bloque la pénétration de l'acide sans affecter la conductivité thermique. Le PFA chargé de carbone fluoré-affiche des taux d'extraction du fer de 0,02 à 0,04 ug/cm²·jour, équivalents à un matériau non chargé. Le traitement au plasma avec du tétrafluorométhane permet d'obtenir une passivation similaire mais peut se dégrader en cas d'abrasion mécanique. Les surfaces passivées nécessitent une manipulation soigneuse lors de l’installation pour éviter les rayures. Lors de la spécification d'éléments chauffants passivés, confirmez que la couche de passivation couvre toutes les surfaces mouillées, y compris les extrémités coupées et les transitions de bride, car les bords non traités deviennent des points chauds d'extraction de fer représentant 30 à 50 % de la libération totale de fer bien qu'ils ne représentent que 5 % de la surface.
Protocole de test pour la vérification des fournisseurs
Les fabricants de cellules solaires doivent exiger de leurs fournisseurs qu'ils effectuent des tests d'extraction du fer sur des échantillons représentatifs de la production en utilisant le mélange d'acides et la température réels du processus spécifique. La méthode de test selon SEMI F57 implique l'immersion de 100 cm² de matériau chauffant dans 500 ml de 70 % HNO₃/5 % HF à 25 degrés pendant 168 heures, la solution étant changée toutes les 24 heures pour éviter la saturation. L'analyse par spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif pour la solution groupée fournit un taux d'extraction moyen. Les taux acceptables pour les lignes monocristallines à haut rendement sont inférieurs à 0,05 ug/cm²·jour. Les fournisseurs incapables d'atteindre cet objectif avec du PFA chargé en carbone doivent proposer du PFA non chargé ou documenter le compromis entre l'amélioration des propriétés mécaniques et le risque de contamination.
Guide de spécifications pour les chauffe-bains de gravure solaire
Pour la gravure de silicium de qualité solaire-nécessitant un rendement des cellules supérieur à 21 %, utilisez des radiateurs PFA non remplis pour éliminer complètement le risque d'extraction du fer malgré une conductivité thermique légèrement inférieure. Pour les applications nécessitant du PFA chargé en carbone-pour la résistance au fluage dans des conditions de haute-pression ou de cycles thermiques, nécessitez une charge thermique noire avec une teneur en fer documentée inférieure à 50 ppm et une passivation de fluoration de surface. La combinaison d'une charge à faible teneur en fer et d'un traitement de surface permet d'obtenir une extraction du fer inférieure à 0,04 ug/cm²·jour, répondant ainsi aux exigences des cellules à efficacité maximale. Lorsque vous demandez des devis, indiquez la composition spécifique de l'acide, la température du bain et l'ajout de fer maximum autorisé par lot de plaquettes. Les fournisseurs familiers avec les exigences de l'industrie solaire peuvent fournir des données de test d'extraction sur leur composé spécifique plutôt que des spécifications génériques de charge. Pour les nouvelles lignes de production, envisagez un cycle de qualification de 500 - heures avec des échantillons de coupons dans le bain de gravure proprement dit, en mesurant l'accumulation de fer à intervalles hebdomadaires pour confirmer que l'extraction en régime permanent reste inférieure au seuil requis.
