太陽能電池中晶體硅絨面的制作研究

李志遠，常美茹

(中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津 300220)

硅系列太陽能電池中，單晶硅太陽能電池轉換效率最高，技術也最為成熟。現(xiàn)在太陽電池的種類已有很多，但是，近幾年來，單晶硅和多晶硅太陽電池仍然占據(jù)光伏市場的主導地位，在世界光伏市場的電池和組件中，單晶硅和多晶硅的比例超過80%。高性能單晶硅電池是建立在高質量單晶硅材料和相關已成熟的加工處理工藝基礎上。

1 單晶硅絨面制備實驗

1.1 單晶絨面的制作原理和前期準備實驗

在太陽能電池的生產(chǎn)過程中主要應用硅晶體的各向異性對晶體進行腐蝕，在單晶硅片表面形成類似金字塔的結構，同一束光經(jīng)過多次反射，利用了絨面的減反射效果，從而增加了光的吸收，提高電流密度。

單晶硅表面金字塔絨面的實驗原理在高溫下硅與堿發(fā)生如下化學反應：

因而通常是利用堿和醇的混合溶液對硅片進行腐蝕。一般來說主要是應用NaOH、Na2SiO3、的混合溶液在80℃恒溫條件下進行反應制作絨面。發(fā)生的化學反應如下：

在實際生產(chǎn)當中加入硅酸鈉的目的是作為緩沖劑，其機理為化學平衡：

反應剛剛開始進行時，OH-的濃度高，是上式中反映向左進行，使反應速率降低；隨著反應的進行，OH-不斷消耗，促進反應向右進行，維持OH-濃度保持原來的水平，使反應傾向于原來的速率進行，從而控制了反應速率，維持了反應速率的均勻。

在生產(chǎn)中加入CH3CHOHCH3(異丙醇)的目的是CH3CHOHCH3(異丙醇)通過降低液體的表面張力使得腐蝕反應生成的H2氣泡盡可能快地脫離硅片表面。另外CH3CHOHCH3(異丙醇)除了具有消泡的作用還有調節(jié)晶體各向異性因數(shù)的作用，使硅片表面各個晶向的腐蝕速率，對金字塔的形成很有幫助。CH3CHOHCH3(異丙醇)可以降低(111)面的腐蝕速率，對(100)面的腐蝕速率的影響不大。

由于各個廠家的化學品的純度和質量都相對來說有一定的差異，以及各個不同硅片生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)工藝，原料來源的不同，會對實驗結果造成一定的影響，還有其它各種因素(如腐蝕時間溫度等)的影響，就以上情況做了幾組如下對比實驗。

1.1.1 化學藥品的對比實驗及結果分析

在實驗當中主要應用到兩種化學藥品：NaOH和CH3CHOHCH3。關于NaOH的對比實驗，選擇兩個化學藥品生產(chǎn)廠家：A廠家和B廠家的產(chǎn)品；關于CH3CHOHCH3的對比實驗，選擇了C廠和D廠的產(chǎn)品。

實驗在同一個恒溫槽中，這樣就保證了溫度的一致性。分別用兩種試劑在2個燒杯中配制兩份相同濃度(15%)的NaOH溶液，把燒杯放入到恒溫槽中，使得燒杯中溶液的溫度為80℃。為保證實驗結果的可靠性，實驗中采用了相同的片源，均采用E廠家生產(chǎn)的硅片，精確測量厚度后，分別放入溶液中腐蝕，腐蝕反應時間為60s、120s，腐蝕反應后再測量厚度，計算腐蝕反應過程中的減薄量。表1和2為不同腐蝕反應時間后得到的反應結果。

表1 腐蝕時間為60s后的反應結果

表2 腐蝕時間為120s后的反應結果

實驗采用 1.2%的 NaOH，0.7%的 Na2SiO3，時間為20 min，兩種不同廠家的CH3CHOHCH3，濃度為7%來制備絨面，實驗結果如表3。

表3 CH3CHOHCH3對比實驗結果

在上述兩種不同的溶液中，補加10 mL相對應 的異丙醇，制備絨面20 min，結果如表4。

表4 補加10 mL異丙醇后的絨面制備結果

經(jīng)過上述的對比實驗可以看出，由于實驗采用了單變量方法，可信性強。通過分析可以得到以下結論：

對比實驗一：通過表格的比較，可以直觀地看出用B廠家生產(chǎn)的NaOH腐蝕硅片的減薄量比較大，經(jīng)過HF清洗去除殘留的Na2SiO3后用風機迅速吹干，兩個試驗條件下表面的質量差別不是很明顯。通過減薄量分析得出B生產(chǎn)的NaOH的純度比較高，而且在反應當中反應速率很平穩(wěn)。而A廠家生產(chǎn)的在制絨效果上與B廠家生產(chǎn)的差別不是很大，在以后的實驗當中選用的是A廠家生產(chǎn)的NaOH。因為一般損傷層的厚度≤10μm，所以時間選擇上選擇大概0.5 min左右即可。

對比實驗二:通過采用相同的外界實驗條件，相同的實驗參數(shù)，加入不同廠家生產(chǎn)的CH3CHOHCH3制作單晶絨面，得到的效果不同，可以分析得出D廠家的CH3CHOHCH3是對于保持單晶硅各向異性很好，而且在絨面形成的過程當中可以控制反應的均勻性，得到大小比較平均的金字塔。

1.1.2 不同的片源制作絨面對比實驗及分析

對比實驗見表5。

表5 對比試驗數(shù)據(jù)

在實驗中采用了兩種不同廠家的片源，一種為E公司生產(chǎn)的硅片，另一種是F公司生產(chǎn)的硅片，晶體硅片的導電類型為P型，晶向為〈100〉，一般的電阻率為0.5～3 Ω·cm。少子壽命盡可能的長。由于各個生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)工藝，原材料采購的不盡相同導致硅片質量的不同，在相同工藝條件下制作絨面的效果也是不同的。

實驗方案：1.1%的NaOH，0.8%的Na2SiO3，7%的CH3CHOHCH3來制備絨面。實驗溫度要求恒溫78℃。制絨時間為20 min。反應結束后用去離子水沖洗干凈并吹干，用金相顯微鏡觀察并拍攝圖片。圖1為E公司的硅片在以上條件下制作絨面的照片。

圖1 E廠家的硅片20 min的制絨照片（500×）

圖2為F公司生產(chǎn)的硅片在上述條件下用20 min制作絨面的照片。

圖2 F廠家的20 min制絨照片（500×）

通過觀察實驗結果的圖片，與樣品照片對比進行分析可以得到圖1制作絨面的密度比較大，金字塔都已經(jīng)長出來而且大小還比較均勻。圖2中制作的絨面的連續(xù)性不好，好多地方?jīng)]有絨面，金字塔大小不均勻。

通過上述實驗可以得到E公司出品的硅片在硅片切片工藝以及磨片工藝上較優(yōu)于F公司。而且實驗中還發(fā)現(xiàn)F公司的硅片上可以看到很多線痕。由于表面質量較差，使得表面起伏，在反應過程中也會使反應存在起伏，反應不穩(wěn)定，制作出的絨面就會很差。

2 結果分析討論

目前單晶硅主要采用堿各向異性腐蝕原理制作絨面。在單晶硅太陽電池的制備過程中,通常利用晶體硅〈100〉和〈111〉不同晶向在堿溶液中各向異性腐蝕的特性,在表面形成類似于“金字塔”的絨面結構,使得入射光在硅片表面多次反射,提高入射光吸收效率,可提高單晶硅太陽電池的轉換效率。早期的研究認為硅不同晶面的懸掛鍵密度可能在各向異性腐蝕中起主要作用，如〈100〉面的懸掛鍵密度比〈111〉面大 1倍，故〈100〉面比〈111〉面的腐蝕速率大。但根據(jù)不同晶面腐蝕速率的研究發(fā)現(xiàn)，單純依靠懸掛鍵密度是不能解釋各向異性腐蝕機理的。目前電化學一種觀點是各向異性腐蝕與各個晶面的激活能和背鍵結構引起的。硅表面的懸掛鍵與晶體的取向有關。就目前的研究還有實驗探索了一種廉價的硅織構化腐蝕技術,即單獨采用Na2SiO3代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氫氧化鈉和異丙醇溶液,以減少價格較高的異丙醇的用量,降低成本。不采用異丙醇或其他機械消泡的條件下,用質量分數(shù)為5%的Na2SiO3溶液在80℃腐蝕120 min,單晶硅片表面可獲得最佳反射率為12.56%的減反射絨面。雖然與傳統(tǒng)的氫氧化鈉和異丙醇溶液效果相比，單獨使用Na2SiO3溶液腐蝕單晶硅片表面的反射率和均勻性略差,但在傳統(tǒng)的氫氧化鈉和異丙醇體系中加入質量分數(shù)為0.1%的Na2SiO3也會促進腐蝕反應的進行,獲得更加均勻的減反射絨面。

晶體的各向異性的存在，使得腐蝕在各個晶向上造成了腐蝕速率的差異，所以就造成了腐蝕的結果是使得硅片表面形成比較規(guī)則的結構，形成了以〈111〉面為邊界的金字塔形貌。

3 結束語

在不同的實驗條件下，腐蝕液的濃度及配比的不同，得到的單晶硅表面織構不同。在不同的濃度條件下的結果表明：NaOH決定著反應速率，決定了硅片的減薄量，對表面織構的影響非常巨大。實驗得到了可以制得最佳單晶硅表面織構化的反應條件，其中腐蝕液的濃度配比范圍為：NaOH的濃度在1.15%～1.2%、Na2SiO3的濃度為0.7%，CH3CHOHCH3的濃度為6%～7%；溫度控制在80℃左右；時間控制在20 min左右。

[1]趙玉文.光伏發(fā)電在本世紀我國能源發(fā)展中的戰(zhàn)略地位[C].2001年中國太陽能學會學術會議論文集，杭州，2001.

[2]左元淮.世界太陽電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢[C].陽光發(fā)電論壇論文集，2002.