多晶硅太阳电池酸腐蚀绒面技术研究进展
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在酸腐蚀混合溶液的配方方面,季静佳[8]等人利用CrO,或者 K2Cr20。等铬的氧化物和氢氟酸混合液作为酸腐蚀溶液来制备 多晶硅片表面绒面,该酸腐蚀溶液腐蚀后的多晶硅片不仅可 以形成均匀的绒面,而且可以提高太阳能电池转化效率5%以 上,并已用于实际生产,但是由于铬离子及其盐类会对人和环 境造成很大污染,其大规模的应用受到一定限制;在控制反应 速度的缓冲剂方面,Efik[91等人在HF、HNO,和等离子水为腐
Fig.1
(c)腐蚀后(侧面) 图1 多晶硅制绒前后表面形貌 Surface structure of multicrystalline silicon before and
after acidic etching
物发生反应生成另一种络合物以促使反应进行,H:O(或
CH,COOH)是缓冲剂,主要起到减小腐蚀速率与缓和反应的作 用。图2为多晶硅制绒工艺流程示意图。
多晶硅太阳电池酸腐蚀绒面技术研究进展
张发云1,叶建雄2 (1.新余高等专科学校太阳能科学与工程系,江西新余338000
2.南昌工程学院机械与动力工程系,江西南昌330099)
摘要:高性价比优势使多晶硅成为光伏市场的主要材料。随着太阳电池向低成本化方向的发展,研究太阳电池多晶硅酸
腐蚀绒面技术有着重要的意义。综述了近年来多晶硅太阳电池酸腐蚀绒面技术的研究进展,着重阐述多晶硅酸腐蚀绒
工艺方法要求硅片厚度在200 pm以上,因为刻槽的深度一般 在50 um的量级上,所以对硅片的厚度要求很高,而这样的技 术会增加成本。等离子刻蚀制备出硅片表面陷光效果是非常 好的,但它需要相对复杂的处理丁序和昂贵的加1j系统。在硅 片表面织构的制作过程中,可能会引入机械应力和损伤,在后 处理中形成缺陷。而各向同性酸腐蚀技术可以比较容易地整 合到当前的太阳电池处理工序中,应用起来基本上是成本最 低的,在大规模工业化生产中,各向同性酸腐蚀是目前广泛应 用的多晶硅太阳电池绒面技术㈦1。
对于单晶硅来说,采用碱溶液的各向异性腐蚀即可以在 其(100)面得到理想的绒面结构;而多晶硅由于存在多种不 同晶向,采用上面的方法无法作出均匀的绒面,也不能有效降 低多晶硅的反射率。目前,多晶硅绒面技术主要有机械刻槽、 激光刻槽、等离子刻蚀(RIE)和各向同性酸腐蚀。机械刻槽的
收稿日期:2009-09—15 基金项目:江西省教育厅2010年科技项目资助(GJJ 10647); 09年江西省高校省级教改课题(JXJG一09—24—2)i 08年江西省新 余市自然科学基金(2008 zrkxkxji 02);08年校级重点课题(xj 0805) 作者简介:张发云(1967一)。男,江西省人,博士,主要研究方向 为光伏材料与先进轻合金材料制备技术及模拟仿真。 Biography:ZHANG Fa—yunfl967一),male,Ph D.
(2)
整个腐蚀反应过程为:HNO,与si发生反应在硅片表面形成
了一层SiO:,然后这层SiO:在HF酸的作用下形成可溶性络
合物H:SiF。。通过搅拌可使溶解性络合物H2SiF。远离硅片,显 然HF的作用在于促进阳极反应,使阳极反应产物SiO:溶解 掉,不然所生成的SiO:就会阻碍腐蚀反应的进行。赵百川18等 人用HF、HNO,和CH3COOH混合溶液腐蚀的多晶硅片表面,得 到均匀的腐蚀坑,表面相对平整,反射率较低。在没有任何减 反射膜的情况下,在500 1 000 nrfl波长范围内,反射率在
但是,多晶硅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 少数载流子寿命比多晶硅材料的高;另一方面,单晶硅太阳电 池表面的陷光效果要优于多晶硅。因此,要减少光的反射提高 多晶硅电池转换效率,缩小多晶硅与单品硅太阳电池之间效率 上的差距,最常用的工艺方法是在多晶硅表面采用绒面技术。
it is significant to research acidic texturing technology of
multicrystalline silicon solar cells.The recent research progress of acidic texturing technology of multicrystalline
3数值模拟
随着计算机数值模拟技术的不断改进,计算机模拟技术 作为产品设计、生产、加工等主要的辅助手段,其应用范围不 断扩大,已开始应用于多晶硅太阳电池领域。由于制备多晶硅
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太阳电池的实验费用非常昂贵,而且实验的研制周期较长,并 造成人力物力的浪费,所以计算机对多晶硅绒面制备过程的模 拟将成为一个非常有价值的工具。采用数值模拟技术,根据不 同工艺方案对多晶硅反射率的影响进行数值模拟,确定最佳的 工艺方案,不但可以节省人力物力,而且可以缩短研制周期,提 高太阳电池的质量。目前,多晶硅绒面反射率的数值模拟分析 相关成果非常少见,少量研究成果主要集中于利用Virtual c++ 或Matlab工具研究了多晶硅形貌对光的反射率影响的数值计 算。邱明波呷]等人利用Virtual c++进行编程计算,研究了光陷 阱形貌及光线入射角对减反射效果的影响,提出了数值仿真计 算的方法跟踪每一条光线的反射过程计算加权出射系数,通 过计算分析复杂形貌绒面的减反射效果并给出合理的优化方 法,为制备高性能绒面结构提供理论依据。刘志凌[14]等人根据 酸腐蚀表面的形貌特征,提出了一种更为接近真实情况的模 型,用此模型计算了酸腐蚀多晶硅表面的光反射率,同时,模拟 计算了表面反射率与绒面深度的关系,并提出凹坑深度刚好 为球半径时的反射率最低。
silicon solar cells was introduced,the formation mechanism,the latest improved process and numerical simulation
were emphatically described,and the possible future development for acidic texturing technology of multicrystalline
加一些辅助技术方面。Tsujino[“]采用铂和银颗粒作为催化剂, 铂和银颗粒通过化学镀层技术沉积到多晶硅的表面,然后多 晶硅硅片采用HF溶液进行腐蚀制绒,有时也可以加入一些化 学氧化剂(如H:O:),这种方法获得的多晶硅绒面制备太阳电池 其效率达到1 6.6%。Ju【12】等人采用了一种新的技术——蒸气制 绒法(如图3所示),该工艺方法首先采用HF:HNO,: CH3COOH:DI水(质量比)为8:21:10:8,腐蚀时间3min, 腐蚀深度为4 pm,在多晶硅的硅片两侧进行腐蚀,同时,通入 蒸气,蒸气是通过在HF:HNO,(质量比)为7:3混合溶液中加 入8 g的硅产生的,这种工艺获得的绒面反射率大约为6.5%。
Fig.2
图2 多晶硅制绒工艺流程示意图 Schematic diagram of technical process of acidic
texturing for multicrystalline silicon
其反应方程式为
S+4HN03=Si02+4N02十2H20
(1)
Si02+6HF=H2[SiF6]+2H20
本文综合论述了近年来多晶硅太阳电池酸腐蚀绒面技术 的研究进展,着重阐述多晶硅酸腐蚀绒面形成机制、改进工艺 及其数值模拟技术,并展望了多晶硅太阳电池酸腐蚀绒面技 术的发展前景。
1 多晶硅表面绒面的形成机锋jlJ[5]
目前,多晶硅片表面[如图1(a)]的腐蚀广泛采用的 HF—HNO,腐蚀系统,它对多晶硅片进行的是各向同性腐蚀, 在硅的各个晶向上的腐蚀速度相同,因此可以在多晶硅表面 得到均匀的绒面【如图1(b)、图1(c)1。
面形成机制、最新的改进工艺及其数值模拟技术。弗展望了多晶硅太阳电池酸腐蚀绒面技术的发展前景。
关键词:多晶硅;酸腐蚀;绒面;数值模拟
中图分类号:TM 914.4
文献标识码:A
文章编号:1002—087 X(2010)03—0307—03
Research progress of acidic texturing technology for multicrystalline silicon solar cells
蚀液的基础上,采用磷酸(H3P04)与硫酸(H:s0。)为缓冲剂,室温 下,在制绒的初始阶段,经过切割的硅片表面裂纹演变为又深 又长的凹陷,这种绒面的反射率大约为15%。MacdonaldE1”等
人在HF—HNO,混合酸液中加入了硫酸(H:s04)和亚硝酸钠 (NaNO:),少量的NaNO: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:SO。对整个蚀刻溶液起到一种稳定作 用,得到的多晶硅太阳电池在没有沉积减反射膜时的反射率 为9.8%,并且把短路电流密度止提高到3 1.4 llzA/cm2;而在增
16%以下,有较好的表面陷光效果。郭志球[71等人在HF(质量分 数40%)和HNO,(质量分数70%)混合溶液中进行腐蚀,为了
控制反应速度,采用CHiCOOH稀释溶液,得到了绒面分布均 匀,反射率较低的多晶硅绒面。
2多晶硅酸腐蚀绒面改进技术
目前,多晶硅硅片酸腐蚀绒面的改进技术主要围绕以下
三方面进行研究:(1)酸腐蚀混合溶液的配方;(2)控制反应速度 的缓冲剂;(3)在现有的制绒工艺基础上,增加一些辅助技术。
一般来说,HF.HNO,腐蚀系统是南HF、HNO,和H:0(或 CH,COOH)按一定比例混合而成,其中HNO,是强氧化剂,在 反应中提供反应所需的空穴,HF是络合剂,与反应的中问产
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(a)腐蚀前(正面、倾斜45。) (b)腐蚀后(正面、倾斜45。)
4结论
目前,在多晶硅酸腐蚀绒面的研究领域虽然取得了一些 进展[15-20],但是仍然存在一些有待于解决的问题,还有许多研 究工作要做,如(1)探寻先进的多晶硅制绒技术;(2)新型腐 蚀液的配方研究;(3)多晶硅酸腐蚀绒面的形成机制,特别是 掌握不同的绒面形貌对其反射率的影响机制。然而,随着计算 机技术的飞速发展,通过运用数值模拟技术,研究不同多晶硅 酸腐蚀绒面形貌对光反射率的影响,分析和掌握多晶硅酸腐 蚀绒面的形成机制,为提高多晶硅太阳电池的质量,提供一种 强有力的技术辅助手段,同时,为光伏领域开拓了一个崭新的 研究方向。
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Si
蒸气制绒法的原理示意图
Fig.3 Schematic of vapor texturing method principle
Abstract:Due to its high ratio of performance to price, multicrystalline silicon becomes the main photovoltaic
materials.
With the decrease of solar cell cost,
silicon solar cells was reviewed in detail.
Key words:multicrystalline silicon;acidic etching;texturing;purification;numerical simulation
自1954年实用的太阳电池问世以来,晶体硅太阳电池一 直在世界光伏市场居统治地位,占太阳电池总产量的80%~ 90%。其中多晶硅太阳电池以其高性价比的优势,得到了迅速 的发展,市场占有率已达50%以上。
ZHANG Fa—yunl,YE Jian—xion92 f7.Department ofSolar Energy Science and Engineering,Xinyu College,Xinyu Jiangxi 338000,China; 2.Department ofMechanical and Power Engineering,Nanchang Institute of Technology,Nanchang Jiangxi 330099,China)