晶硅太阳能电池表面织构制备技术及试验研究

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通过绒面处理减少光的反射损失是提高太阳能电池光电转换效率的一个重要方法,根据晶硅种类的不同,常用的绒面处理方式也不相同。对于单晶硅,多是利用其晶粒排列有序,在碱性溶液中(100)面和(111)面腐蚀速度差异较大的原理,获得金字塔绒面结构;对于多晶硅,由于晶粒取向不规则,各向异性腐蚀无法得到均匀的微观织构,一般采用HF/HNO3体系进行各向同性腐蚀,在材料表面获得凹坑状结构。所用HF和HNO3毒性大、挥发性强,对环境和人体健康危害大,而NaOH溶液性质稳定,使用更为安全,因此本文采用NaOH溶液作为制备两种晶硅绒面的腐蚀液。在采用碱性溶液对多晶硅进行腐蚀处理时,通过在硅片上施加电压,可以弱化多晶硅化学腐蚀过程中晶粒取向不规则的限制,使材料表面沿着纵向和横向两个方向进行腐蚀,从而获得均匀的微孔结构,达到降低表面反射率的目的。但是单独的化学或电化学腐蚀所制备的晶硅绒面反射率一般在10%以上,为进一步降低反射率,本文提出将激光刻蚀与电化学腐蚀相结合的制绒工艺,主要研究内容如下:(1)研究了激光刻蚀、电化学腐蚀制绒机理。具体包括激光与材料相互作用过程中光子、电子、声子、晶格之间的能量传递过程,并分析了库仑爆炸和相爆炸的材料去除机制,另外对硅在碱性溶液中表现为各向异性腐蚀的原因进行分析。(2)进行了激光绒面制备。设计并进行正交实验,使用皮秒脉冲激光在单晶硅和多晶硅表面进行绒面制备,采用极差分析法,优化了激光加工参数,并分析了加工过程中的扫描间距、激光能量、脉冲频率、扫描速度、元素次数、离焦量对绒面反射率及微观形貌的影响。激光织构处理使得晶硅表面反射率大大降低,在4001000nm波长范围内,采用优化后的工艺参数所加工的单晶硅绒面平均反射率为5.5%,多晶硅平均反射率为3%;(3)进行了激光刻蚀-电化学腐蚀实验研究。在优化后的工艺参数所加工绒面基础上,进一步的进行电化学腐蚀实验,研究了腐蚀电压、溶液浓度、腐蚀时间对激光制绒后的绒面反射效果的影响趋势。实验发现,激光绒面处理后进行电化学腐蚀,可以在激光制备的微米级孔结构内壁产生纳米级的褶皱状结构,此微-纳二级结构的复合可使晶硅绒面反射率进一步降低。电化学腐蚀后,在4001000nm波长范围内,所制得的单晶硅绒面平均反射率最低达4.3%,多晶硅绒面最低达2.4%,表明采用电化学腐蚀的方法可以进一步的降低绒面反射率。本文的研究成果为在晶硅太阳能电池表面制备出具有更低反射率的绒面结构奠定了理论和实验基础,促进了低反射率晶硅绒面在太阳能电池领域的发展和应用。
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