硅晶納米表面成膜涂層工藝與生產系統(tǒng)研究

［摘 要］隨著納米技術的快速發(fā)展，硅晶納米材料因其獨特的物理和化學性質而受到廣泛關注。硅晶納米表面成膜涂層作為一種新型的功能性涂層，具有優(yōu)異的耐磨、耐腐蝕、抗氧化等性能，因此在多個領域具有廣闊的應用前景。隨著全球對可再生能源需求的日益增長，光伏技術作為光伏能利用的主要方式之一，正受到越來越多的關注。硅晶作為光伏行業(yè)的基礎材料，其表面性能對于提高光伏器件的光電轉換效率和使用壽命至關重要。文章對硅晶納米表面成膜涂層的工藝和噴涂設備進行研究，以推動硅晶納米技術的發(fā)展。

［關鍵詞］硅晶納米；光學；活性；耐磨；傳感

［中圖分類號］O657.3 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）07–0055–03

1 硅晶納米技術在光伏鍍膜中的應用研究

光伏鍍膜通常使用多層膜的結構，其中每一層都有不同的光學特性。通過調節(jié)每層膜的厚度和折射率，可實現(xiàn)對特定波長的光線的抑制，減少反射。這樣可增加光線的穿透深度，提高光伏電池對光的吸收。光伏鍍膜的設計目標之一是增加光線透過電池表面的比例。通過選擇合適的材料和膜層結構，使得光線在膜層之間發(fā)生多次反射，從而增加透過率。光伏鍍膜可通過特殊的納米結構減少光線在表面的反射。這種納米結構可模擬自然界中一些生物的表面，如蝴蝶翅膀和蜻蜓翅膀，降低光線的反射并增加吸收。總之，光伏鍍膜通過優(yōu)化光學性能，降低反射率，提高透過率和吸收率，從而提高光伏電池的光電轉換效率。這有助于提高光伏能發(fā)電系統(tǒng)的性能和效益。

光在硅表面的反射損失率高達35% 左右，減反射膜可提升電池片對光伏光的利用率，有助于提高光生電流密度，進而提高轉換效率，同時薄膜中的氫對于電池片表面的鈍化降低了發(fā)射結的表面復合速率，減小了暗電流，提升了開路電壓，提高了光電轉換效率；在燒穿工藝中的高溫瞬時退火斷裂了一些Si-H、N-H 鍵，游離出來的H 進一步加強了對電池的鈍化。由于光伏級硅材料中不可避免的含有大量的雜質和缺陷，導致硅中少子壽命及擴散長度降低，從而導致電池的轉換效率下降，H 能與硅中的缺陷或雜質進行反應，從而將禁帶中的能帶轉入價帶或者導帶。減反膜可減少光在硅表面的反射損失率，提高光生電流密度和轉換效率。薄膜中的氫可降低發(fā)射結的表面復合速率，減小暗電流，提升開路電壓，增加光電轉換效率。在燒穿工藝中的高溫瞬時退火會斷裂一些鍵，釋放的氫進一步加強對電池的鈍化作用。此外，光伏級硅材料中的雜質和缺陷會降低硅中的少子壽命和擴散長度，從而降低電池的轉換效率。氫可與硅中的缺陷或雜質發(fā)生反應，將禁帶中的能帶轉入價帶或導帶，改善雜質和缺陷對電池性能的影響。

2 硅晶納米涂層在光伏電池表面成型工藝應用研究

在光伏電池的制造過程中PECVD（增強等離子體化學氣相沉積）是一種常用的技術，用于在硅片表面制備氮化硅（Si3N4）減反射膜。在平板式微波PECVD 中，硅烷（SiH4）和氨氣（NH3）是常見的反應氣體，通過微波激發(fā)等離子體反應，這些氣體可生成1 層均勻的氮化硅減反射膜。這種方法不僅可提高光伏電池的光吸收效率，還可以改善其光電轉換性能。但是在硅烷和氨氣反應的過程中，除了在硅片表面生成氮化硅外，也可能在反應腔室的其他部分如出氣口中生成。這些生成的氮化硅可能會長時間存在于反應腔室和出氣口的內部，逐漸形成塊狀或團簇狀沉淀，覆蓋在硅烷和氨氣的出氣口上，從而影響工藝效果。為防止這種情況，通常需要在反應腔室內設置高效的氣流循環(huán)系統(tǒng)和過濾裝置，定期清理反應產物，以確保反應系統(tǒng)的正常運行。

因此，提出一種創(chuàng)新的技術方案，即光伏電池增強等離子體化學氣相沉積工藝。該工藝主要步驟如下。

（1）將硅片放入反應舟中，并在微波增強等離子體化學氣相沉積設備內進行處理。

（2）通過通入硅烷和氨氣，利用微波激發(fā)等離子體，在硅片表面生成氮化硅減反射膜。

（3）在硅烷和氨氣通入30～45 min 后，停止通入硅烷和氨氣，改通入與硅烷和氨氣氣體體積總量相同的三氟化氮氣體（NF3）。

NF3氣體會在等離子體環(huán)境中產生F- 離子，這些F-離子會與沉積在出氣口的氮化硅發(fā)生反應，形成粉末狀的SiF4，然后通過泵抽的方式將其抽走，從而實現(xiàn)清洗出氣口的目的。同時，殘余的F- 離子也對硅片表面產生了鈍化的效果，這有助于保護硅片免受腐蝕和其他損害。這樣的過程可有效地在硅片表面形成1層氮化硅減反射膜，從而提高光伏電池的光吸收效率。這是一種具有廣闊前景的創(chuàng)新技術，有助于提高光伏電池的能量轉化效率，使其更加適用于各種應用場景。

這種改進的等離子體化學氣相沉積工藝對于提高光伏電池性能和降低生產成本有著顯著的影響，是一項重要的技術進步，對于推動光伏能電池的發(fā)展有重要作用。這種方法不僅提高了光伏電池的性能，還提高了生產效率，并降低了成本，可為光伏能電池的發(fā)展帶來新的可能性。

3 硅晶納米涂層表面噴涂自動化研究

硅晶納米表面處理技術可解決常溫電子熔融問題，文章旨在將生產設備小型便捷化，降低生產成本和制造難度，除在光伏廠家完成噴涂外，還可以在現(xiàn)場對已使用的光伏電池進行清潔和噴涂修復的同工序完成施工，有效降低使用成本。其中，高壓便捷的納米噴涂設備顯得尤為重要，因此，提出一種新型高壓便捷式且可同時清潔和噴涂修復的噴射裝置。該裝置配有專用高壓噴水管、噴槍，工作時通過可控電壓泵利用管道壓力檢測器對噴射管路所受到的壓力進行監(jiān)測。根據噴射管道承受的壓力調整輸出功率，防止在管道工作過程中出現(xiàn)泄漏，從而保護管路的完整性。

3.1 噴涂設備設計

噴涂裝置示意如圖1 所示，其主要組成部分包括1 個可控制的壓電泵主體和1 個液體輸送泵體。壓電泵主體用于向液體輸送泵體內的傳輸介質施加壓力，使介質可以通過液體輸出口進入噴射管路內。而液體輸送泵體則有1 個液體輸入口和1 個液體輸出口，通過這種方式，壓電泵主體可控制流經其的壓電介質的壓力大小。此外，該裝置還包括了1 個電控盒，其可用于控制壓電泵主體的輸出功率。同時，管道壓力檢測器被安裝在噴射管道的一側，用來實時監(jiān)測噴射管道在工作時承受的壓力大小。

為了更好地使用，該噴涂裝置控制系統(tǒng)還包括了1 個方式選擇模塊，其可根據需要獲取噴射管道的連接方式信息。然后，中央處理器根據這些信息確定噴射管道所能承受的壓力極限差值。這個極限差值是根據管道類型和使用環(huán)境等因素綜合確定的，以確保在各種情況下，均能保證管道的安全運行。最后根據噴射管道當前的壓力值和極限差值，中央處理器會生成相應的調整指令，并發(fā)送至壓電泵主體，使其根據指令調整自己的輸出功率，從而確保在各種工況下，都能保證管道的安全運行。噴涂裝置控制系統(tǒng)示意如圖2 所示。

3.2 控制噴涂設備的軟件中央系統(tǒng)

噴涂裝置通過管道壓力檢測器實時監(jiān)測噴射管道的工作狀態(tài)，獲取實時的壓力數據。中央處理器會對這些實時的壓力數據進行處理，得到壓力準確值，并將壓力準確值與預設的壓力預警閾值進行對比分析。若壓力準確值高于或等于壓力預警閾值，說明管道正在正常工作，這時中央處理器會生成第一調整指令，通過壓電泵主體調整輸出功率，以保持管道的安全運行。反之，如果壓力準確值低于壓力預警閾值，說明管道存在異常情況，這時中央處理器會生成第二調整指令，通過壓電泵主體調整輸出功率，以避免進一步加劇異常情況。這些調整指令可通過調整壓電泵主體的輸出功率實現(xiàn)。壓電泵主體可通過增加或減少輸出功率的方式改變其工作效率，從而改變其在單位時間內對管道壓力的影響。

此外，該裝置還可以通過預定好的多種管道連接方式，獲取不同連接方式下的管道所能承受的最大壓力差值。不同連接方式所對應的管道連接處的承受壓力極限差值也會有所不同。中央處理器可通過調用這些數據，來更準確地預測并調整壓電泵主體的輸出功率。

中央處理流程如圖3 所示。通過實時監(jiān)測、壓力預警以及壓力準確值的調整，可在保證管道安全運行的同時，實現(xiàn)能源的高效利用。

4 結束語

硅晶納米表面成膜涂層性能研究面臨著制備工藝、性能表征、環(huán)境穩(wěn)定性、應用領域拓展以及長期性能穩(wěn)定性驗證等多方面的挑戰(zhàn)。解決這些挑戰(zhàn)需要深入研究硅晶納米涂層的制備技術、性能優(yōu)化機制以及實際應用需求，同時借助先進的測試技術和設備，為硅晶納米涂層在更多領域的應用提供可靠的理論基礎和技術支持。

參考文獻

[1] 王安琛. 氧化硅上硅晶薄膜結構的帶隙特征及其邊緣電子態(tài)研究[D]. 貴陽：貴州大學，2023.

[2] 陳強. 納微米高硅涂層的制備及性能研究[D]. 上海：上海應用技術大學，2017.

[3] 王懿喆，馬小鳳，周呈悅，等. 硅基納米結構光伏電池研究新進展[J]. 功能材料與器件學報，2010（5）：483-489.

[4] 張愿成，龐宏杰，郭群超，等. 納米技術在晶體硅光伏能電池中的應用[J]. 新材料產業(yè)，2011（12）：49-52.