多晶硅太陽電池絨面反射率的研究

中節能太陽能科技(鎮江)有限公司 ■ 許禮 王麗婷

0 引言

近年來，為提高多晶硅太陽電池的轉換效率，一種簡單又重要的方法是在硅片表面進行修飾，形成絨面結構，入射光在硅片表面經過多次反射增加了光的吸收，同時吸收的眾多光子在p-n結附近生成更多的光生載流子。硅片表面絨面的形成增加了p-n結的面積，從而可提高短路電流，效率也會相應提高。但太陽電池片表面的織構化也增加了光生載流子的表面復合速率。

目前，多晶硅形成絨面結構的方法有物理方法和化學方法。物理方法有：激光刻槽[1,2]、機械刻槽[3]和酸腐蝕制絨[4,5]、反應離子體刻蝕[6-8]。但是這些方法在實際生產中成本較高、可行性較差。因此，可利用化學酸腐蝕法在硅片表面形成大小各異、凹凸不平的眾多腐蝕坑。硅片表面腐蝕坑的大小和深度的差異導致硅片表面反射率不同。因此，反射率可作為評價絨面好壞的一個標準。

硅片表面的反射率是影響太陽電池效率的一個重要因素，通過工藝的優化可有效降低硅片表面的反射率， 從而提高電池片效率。

1 實驗方案與材料

1.1 實驗材料

實驗選用市場在售硅片，硅片面積為156 mm×156 mm，電阻率為 1～3 Ω·cm，厚度為200±20 μm；采用RENA制絨機進行酸腐蝕制作絨面；用千分之一天平檢測硅片的減重；采用3D顯微鏡觀察硅片腐蝕后絨面的形貌；用RENA自帶反射率測試儀(型號：1.0.9.0)測定硅片絨面的反射率；采用熱擴散爐進行擴散形成p-n結；用刻蝕機去除硅片表面磷硅玻璃和硅片邊緣p-n結；用管式等離子CVD爐進行減反射膜的制備；絲網印刷機進行絲網印刷。

1.2 實驗設計

原始多晶硅片的表面有一定的花紋，這些花紋代表了多晶硅的晶粒大小。由于多晶鑄錠在制備過程中晶粒生長的不均勻，導致同一鑄錠不同位置的晶粒不統一，多晶硅片晶粒的大小會影響電池片的效率。因此，實驗硅片需根據花紋進行分類，保證實驗的準確性和統一性。

選取同一型號的多晶硅片7000片，按照硅片表面的花紋進行分組，分為a、b、c、d、e、f、g共7組硅片，確保7組硅片的花紋基本相同。7組已挑選好的多晶硅片在同一臺機械的酸腐蝕溶液中進行制絨，并通過調節制絨槽的藥液比例、溫度、反應時間使電池片的減重均控制在0.38～0.39 g之間。

在實驗過程中，除了各組實驗的反射率不同外，控制實驗過程中的其他因素均保持一致。在實驗過程中需控制的因素有：在擴散階段，均使用同一臺擴散爐，擴散工藝均采用PV-17F-95工藝；在刻蝕階段，使用同一臺刻蝕機，刻蝕減重均控制在0.15～0.16 g；在PECVD鍍膜階段，均使用同一臺PECVD爐，鍍膜工藝均用DL-S1工藝；在絲網印刷階段，使用同一臺絲網印刷機、同種型號的背電極、背鋁、正電極和同種型號的網版。

采用3D顯微鏡分析不同反射率的酸腐蝕后絨面的形貌，觀察絨面的形貌隨絨面反射率的變化規律；對比不同反射率的電池片效率，觀察多晶硅片絨面反射率與電池片效率之間的變化規律，確定制絨后多晶硅片絨面的最佳反射率范圍，同時解釋電池片效率隨絨面反射率變化的原因。

2 實驗結果與討論

2.1 不同反射率對絨面形貌的影響

實驗通過調節制絨工序酸腐蝕溶液中HF與HNO3的比例，以改變多晶硅絨面的反射率。將實驗前分好的7組不同花紋的硅片分別制備為7組不同反射率范圍的絨面。用3D顯微鏡觀察制絨后7組不同反射率的硅片的形貌如圖1所示。

圖1 多晶硅制絨后不同反射率對應硅片絨面的3D顯微鏡圖

由圖1可知，隨著反射率的增加，絨面上腐蝕坑逐漸變大，單位面積內腐蝕坑的數量逐漸減少。此外，反射率在17.5%～18.0%的絨面明顯異于其他反射率的絨面形貌，此絨面中有多條較深的溝壑，也就是絨面的織構化，這將增加多晶硅表面的陷光性能，繼而導致絨面反射率偏低。

硅片上絨面腐蝕坑的形狀基本為橢圓，利用3D顯微鏡可自動測出硅片絨面上腐蝕坑的平均深度、平均寬度、平均長度，以及單位面積內腐蝕坑的數量，這些參數的變化規律如圖2所示。

圖2 不同反射率多晶硅片絨面腐蝕坑的平均長度、平均寬度、平均深度及單位面積內腐蝕坑的數量的變化圖

由圖2可知，多晶硅片絨面上腐蝕坑的平均深度逐漸減小，平均寬度和平均長度呈上漲趨勢，單位面積內腐蝕坑的數量呈下降趨勢。當反射率為18.0%～18.5%時，腐蝕坑的平均寬度、長度達到最小，分別為2.939和4.309 μm，其平均深度和單位面積內腐蝕坑的數量分別為1.788 μm和91752個/mm2。當反射率為20.5%～21.0%時，腐蝕坑的平均寬度和長度達到最大，分別為3.162和4.639 μm，其平均深度和單位面積內腐蝕坑的數量達到最小，分別為1.512 μm和81659個/mm2。絨面反射率為17.5%～18.0%的腐蝕坑的平均寬度和平均長度比反射率為18.0%～18.5%的大，且絨面反射率為17.5%～18.0%的單位面積腐蝕坑數量比反射率為18.0%～18.5%的小，這些異常現象是由于反射率范圍為17.5%～18.0%的絨面表面有較多較深的腐蝕溝壑，這些溝壑雖可提高多晶硅表面的陷光性能，降低反射率，但是并未降低腐蝕坑的平均大小，也未增加單位面積內的腐蝕坑數量。

2.2 反射率對電池片效率的影響

制絨后不同反射率的多晶硅片所制備的電池片的效率、短路電流、開路電壓、填充因子等如圖3所示。由圖3可看出，電池片的效率隨反射率的增加先增后減。當反射率在18.0%～18.5%時，電池片的效率達到最大值為17.71%。由此可知，多晶硅制絨的最佳反射率應控制在18.0%～18.5%。當反射率在20.5%～21.0%時，對應電池片效率達到最差，效率僅有17.53%。因此，制絨后硅片的反射率對電池片效率有一定的影響，其效率相差0.2%。

電池片的效率由電池片的短路電流、開路電壓和填充因子共同決定。由圖3中可知，電池片的短路電流隨著反射率的增加先增后減。當反射率在18.0%～18.5%時，電池片的短路電流達到最大值8.752 mA，短路電流的變化趨勢與電池片效率的變化趨勢相同，且變化范圍較大，在8.653～8.752 mA之間。因此，可推斷電池片短路電流的變化對效率的影響較大。此外，電池片開路電壓的變化趨勢與效率的變化趨勢相反，但是開路電壓的變化范圍較小，僅在0.626～0.628 mV之間變化，因此對電池片的效率影響微弱；電池片填充因子的變化范圍也較小，僅在78.65～78.69之間變動，對電池片的效率影響較小。由此可見，在研究硅片反射率對電池片效率的影響時，電池片的短路電流是關鍵因素。

圖3 制絨后不同反射率硅片的電池片效率、短路電流、開路電壓、填充因子

多晶硅片的不同反射率對電池片短路電流的影響原因可從硅片的絨面形貌分析。由圖2可知，隨著反射率的增加，硅片絨面上腐蝕坑的深度逐漸減小，腐蝕坑的大小逐漸變大，單位面積內腐蝕坑的數量逐漸減少。絨面上腐蝕坑越深則對光的吸收越多，單位面積內腐蝕坑的數量越多，絨面的表面積增加越多，繼而增加了擴散后p-n結的面積，從而增加載流子和空穴的數量，因此可達到提高短路電流的效果。但是，在未添加任何緩蝕劑的情況下，將硅片的反射率降到足夠低，在17.5%～18.0%范圍內時，絨面上出現了較多的溝壑。由圖1可知，絨面上溝壑的深度都遠超腐蝕坑的深度，因此這些溝壑具有很強的陷光能力，從而造成反射率偏低。但這些溝壑在擴散后，將會導致載流子與空穴的大量復合，從而很大程度上降低了電池片的短路電流，進而降低電池片效率。

3 結論

用3D顯微鏡分析多晶硅絨面表面形貌得出：腐蝕坑的平均深度和單位面積內腐蝕坑的數量都隨反射率的增加而減小；腐蝕坑的大小隨反射率的增加而增大。通過對比不同反射率的多晶硅片制備的電池片效率得出：電池片效率隨反射率的增加先增后減；多晶硅片反射率在18.0%～18.5%范圍時，電池片效率最高；多晶硅片反射率的變化對電池片短路電流的影響較大，對開路電壓及填充因子的影響較小。多晶硅表面反射率影響電池片效率的原因是：硅片表面腐蝕坑的平均深度的增加、單位面積內腐蝕坑數量的增加及腐蝕坑面積的減小，均可大幅度提高電池片的短路電流；電池片短路電流的增加可提升電池片效率。

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