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多晶硅太阳电池的酸腐蚀绒面技术

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收稿日期:2006-05-23

作者简介:王涛(1982—),男,山东省人,硕士生,主要研究方向为太阳能光伏技术;王正志(1945—),男,教授,博士生导师,主要研究方向为新能源。

Biography:WANGTao(1982—),male,candidateformaster;tutor:WANGZheng-zhi(1945—),male,professor,tutorfordoctor.

多晶硅太阳电池的酸腐蚀绒面技术

涛,王正志

(国防科技大学自动化学院,湖南长沙410073)

摘要:比较了几种多晶硅太阳电池的绒面技术,重点介绍了目前研究和应用较多的酸腐蚀技术。给出了该技术的基本原理、一般的绒面特征、常见的一些改进和对蚀刻时间的优化。这对于相关领域的研究人员具有参考价值。关键词:多晶硅绒面;酸腐蚀;表面特征中图分类号:TM914.4

文献标识码:A

文章编号:1002-087X(2006)12-1020-03

Summaryonacidictexturingofmulticrystallinesiliconsolarcells

WANGTao,WANGZheng-zhi

(AutomationCollege,NationalUniversityofDefenceTechnology,ChangshaHunan410073,China)

Abstract:Severaltexturingmethodsformulticrystallinesiliconsolarcellswerecompared.Theacidictexturingtechnologywereintroduced,whichwerewidelyappliedanddeveloped.Theessentialprincipleofthismethod,generalcharacteristicsofthevelvet,severalfamiliarimprovementsandoptimizationfortheetchingtimewereshown,whichwereusefulforthescientificresearcherswhoengagedintherelatedfield.Keywords:multicrystallinesilicontexture;acidicetching;surfacecharacteristic目前,太阳能光伏市场中多晶硅(mc-Si)太阳电池所占据的份额是最大的。根据PV-TRACofEUROPEANCOMMIS-SION发表的题为“AVisionforPhotovoltaicTechnologyin2005”的展望报告,mc-Si太阳电池在2005年的世界太阳电池市场中占的份额是58%[1],

见图1。但是,mc-Si太阳电池的效率总体上没有单晶硅太阳电池的高。这主要是由于两个原因:一方面单晶硅材料本身的有效少数载流子寿命比mc-Si材料的高;另一方面,单晶硅太阳电池表面的陷光效果要优于mc-Si。因为少数载流子寿命是由于材料本身的特性决定的,当材料选定后就很难改变,所以,要缩小mc-Si太阳电池与单晶硅太阳电池之间效率上的差距,提高mc-Si表面对光的吸收是最有希望的办法,也就是采用绒面技术。目前,已经出现的mc-Si绒面技术主要有机械刻槽[2]、等离子蚀刻[3 ̄5]和各向同性的酸腐蚀[6]。机械刻槽的绒面方法要求硅片厚度在200mm以上,因为刻槽的深度一般在50mm的量级上[7],所以它对硅片的厚度要求很高,这样的技术会增加材料成本。等离子蚀刻制备出绒面的陷光效果是非常好的,但是,它需要相对复杂的处理工序和昂贵的加工系统,不能满足大批量生产的要求[7]。酸腐蚀绒面技术可以比较容易地整合到当前的太阳电池处理工序中[8]

,它应用起来基

本上是成本最低的,是最有可能广泛应用的mc-Si太阳电池绒面技术。

1酸腐蚀法制备绒面的基本原理

目前广泛使用的酸腐蚀溶液是以HF-HNO3为基础的水溶液体系,为了控制化学反应的剧烈程度,有时还加入一些其他的化学品。但是,基本的化学反应是不变的,大致的蚀刻机制是HNO3(一种氧化剂)腐蚀,在硅片表面形成了一层SiO2,然后这层SiO2在HF酸的作用下去除[7]。酸对硅的腐蚀速度与晶粒取向无关,因此酸腐蚀又称为各向同性腐蚀。酸与硅的反应可以看作局部电化学过程,在反应发生的地方形成了阳极和阴极,反应的过程中有电流在它们之间流过。阳极是硅的溶解反应,阴极是HNO3的消耗反应,阳极、阴极及总的反应可

图1主要的太阳电池在2005年世界光伏市场中的份额

Fig.1Distributionofmainsolarcellsinworldphotovoltaic

mar

ketof2005

综述

2006.12Vol.30No.12

由下式表示[9]:

阳极:Si+2H

O+nh+→SiO2+4H++(4-n)e—

SiO2+6HF→H2SiF6+2H2O

阴极:HNO

+3H+→NO+2H2O+3h+

总体的反应式:

3Si+4HNO3+18HF→3H2SiF6+4NO+8H2O+3(4-n)h++

3(4-n)e—

其中,n表示分离一个Si原子平均需要的电荷数量,h+表示正电荷或者空穴,e—表示电子。

2酸腐蚀处理后的mc-Si片表面特征对于单晶硅片,使用碱性溶液的各向异性腐蚀得到的绒面是由随机分布的“金字塔”组成的[10]。但是,使用酸腐蚀在mc-Si片上得到的绒面是类似于半球形状的“凹陷”,这些“凹陷”的直径在0.5~1.0mm之间,另外,直径小于1mm的凹陷出现在大量的直径约为10mm的凹陷内[7]。为了制得均匀的多晶硅绒面,可以在酸腐蚀之前在硅片上生长一层有均匀小孔的氧化物作为掩膜,但是,这种方法不适合工业化生

产。文献[11]中使用了无掩膜的HF-HNO

酸腐蚀方法来制备mc-Si表面的绒面,mc-Si片表面的电子扫描电镜(SEM)照片在图2中给出,左边和右边分别是整体和局部照片。

酸腐蚀易在多晶硅表面形成一层彩色均匀的多孔硅膜[12]。这个多孔硅膜具有极低的反射系数,但是,它不利于p-n结的形成和印刷电极,所以,一般使用稀释的NaOH溶液来去除这个多孔硅膜[13]。

3一些改进的酸腐蚀绒面技术

最简单的酸腐蚀溶液是仅仅包含HF-HNO

的混合溶液,但是,这样的溶液发生的反应是剧烈的放热反应,必须控制它的反应温度。所以,经常要附加一些化学品。比如醋酸(CH3COOH),它并不参加反应,而是通过减小反应剂的浓度起

到缓和反应的作用[12]。文献[8]中使用去除离子的水[H

O(DI)],

磷酸(H

PO4)和硫酸(H2SO4)作为稀释剂,使得mc-Si片的反射

系数降低到15%。文献[11]中在原来的HF-HNO

混合酸液的

基础上加入了硫酸(H

SO4)和亚硝酸钠(NaNO2),少量的NaNO2作为催化剂来减少初始反应时间并且控制反应的剧烈

程度,H

SO4对整个蚀刻溶液起到一种稳定作用,得到的mc-Si太阳电池在没有沉积减反射膜时的反射系数为9.8%,

并且把短路电流密度J

sc

提高到31.4mA/cm2。

4蚀刻深度的优化

在酸腐蚀的绒面处理中,时间是一个非常重要的蚀刻参数。对蚀刻时间的控制直接影响到电池的性能。蚀刻时间长短

的直接表现是蚀刻深度。时间越长,蚀刻越深。如果蚀刻的时间很短,那么切割造成的硅片表面损伤就没有完全地被酸液去除掉,晶体缺陷层就仍然存在。这个晶体缺陷层降低了开路电压U

oc

和短路电流密度J

sc

,见图3和图4[14]。如果蚀刻时间过长,蚀刻出来的凹陷尺寸就变得太大,这样就会增加反射系

数(相应的减少J

sc

)和增加表面积(相应的减少Uoc)。这两种作用在蚀刻深度为4~5mm的时候可以达到最优,因此,在相同的蚀刻深度下效率也达到最优,见图5[14]。

5结束语

以HF-HNO

为基础的酸腐蚀技术制备出的mc-Si片的

图2无掩膜的酸腐蚀方法制备的mc-Si绒面

Fig.2mc-Sisurfacetexturedbymasklessacidic-etchedmethod

图3蚀刻深度与短路电流密度J

sc

的关系

Fig.3Relationshipbetweenetchdepthandshort-circuitcurrent

densityJ

sc

图4蚀刻深度与开路电压U

oc

的关系

Fig.4Relationshipbetweenetchdepthandopen-circuitvoltageU

oc

图5蚀刻深度与效率η的关系

Fig.5Relationshipbetweenetchdepthandefficiency

1021综述

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绒面是由很多半球形状的“凹陷”组成,这些凹陷具有很好的陷光作用,因此极大地提高了mc-Si太阳电池的性能。在应用这种技术时,需要控制化学反应的剧烈程度,以便更容易操作。蚀刻的时间也要进行优化,使得太阳电池的电学参数达到最优。

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