硅酸钠在太阳能电池单晶硅表面织构化的作用

第33卷第12期硅酸盐学报Vol.33,No.12　2005年12月J OURNAL OF T H E CHIN ESE CERAMIC SOCIET Y December,2005硅酸钠在太阳能电池单晶硅表面织构化的作用杨志平1,杨　勇1,2,励旭东2,许　颖2,王文静2(1.河北大学物理科学与技术学院,河北　保定　071002;2.北京市太阳能研究所,北京　100083)摘　要:在单晶硅太阳电池的制备过程中,通常利用晶体硅[100]和[111]不同晶向在碱溶液中各向异性腐蚀特性,在表面形成类似于“金字塔”的绒面结构,使得入射光在硅片表面多次反射,提高入射光吸收效率,可提高单晶硅太阳电池的转换效率。

实验探索了一种廉价的硅织构化腐蚀技术,即单独采用Na2SiO3代替传统的氢氧化钠和异丙醇溶液,以减少价格较高的异丙醇的用量,降低成本。

不采用异丙醇或其他机械消泡的条件下,用质量分数为5%的Na2SiO3溶液在80℃腐蚀120min,单晶硅片表面可获得最佳反射率为12.56%的减反射绒面。

虽然与传统的氢氧化钠和异丙醇溶液效果相比,单独使用Na2SiO3溶液腐蚀单晶硅片表面的反射率和均匀性略差,但在传统的氢氧化钠和异丙醇体系中加入质量分数为0.1%的Na2SiO3也会促进腐蚀反应的进行,获得更加均匀的减反射绒面。

关键词:单晶硅;绒面;硅酸钠;太阳能电池中图分类号:T K514 文献标识码:A 文章编号:04545648(2005)12147205EFFECT OF SODIUM SIL ICATE ON TEXTURE OF SING L E CR YSTALL INESI L ICON WAFER FOR SOLAR CE LLYA N G Zhi pi ng1,YA N G Yong1,2,L I X udong2,X U Ying2,W A N G Wenj ing2(1.Science and Technology College,Hebei University,Baoding　071002,Hebei;2.Beijing Solar Energy Research Institute,Beijing　100083,China)Abstract:In the production process of single crystal silicon solar cells,a pyramid type suede structure on the single crystal sili2 con wafer is formed by anisotropic corrosion of the[100]and[111]dirctions of single crystal silicon in the alkaline solution. This structure can enhance the efficiency of the solar cell because its multi2reflection results in the increase of the absorptivity of incidence light.A cheaper solution of Na2SiO3is used instead of the conventional solution of NaO H+IPA(isopropyl alcohol)in the c2Si wafer etching process.A wafer with a suede structure and a mean reflectivity of about12.56%was obtained after cor2 rosion with5%(in mass)Na2SiO3solution at80℃for120min without mechanical de2bubbling.The reflectivity and uniformity on the surface of wafers corroded by using Na2SiO3solution only are not as good as those corroded by using the NaO H+IPA solution.Furthermore,the addition of a small quantity of Na2SiO3into a conventional sodium solution of NaO H+IPA can greatly promote the etching reaction in the process and obtain a more homogeneous anti2reflection texture.K ey w ords:single crystal silicon;texture;sodium silicate;solar cell 如何提高硅片转换效率是太阳电池研究的重点,而有效地减少太阳光在硅片表面的反射损失是提高太阳电池转换效率的一个重要方法[1]。

在晶体硅太阳能电池表面沉积减反射膜或制作绒面是常用的两种方法,其中在硅片表面制作绒面的方法以其收稿日期:20050328。

修改稿收到日期:20050822。

第一作者:杨志平(1957～),男,教授。

工艺简单、快捷有效而备受青睐。

化学腐蚀单晶硅片是根据碱溶液对硅片的[100]和[111]晶向的各向异性腐蚀特性,通过在单晶硅表面形成随机分布的金字塔结构绒面,增加光在硅片表面的反射吸收次数,从而有效地降低R eceived d ate:20050328.Approved d ate:20050822.First author:YAN G Zhiping(1957—),male,professor.E m ail:yangzhiping786@太阳电池的表面反射率[2]。

在工业生产领域,单晶硅表面腐蚀采用的是氢氧化钠和异丙醇溶液体系,表面反射率可以控制在12%以下。

当前国内外有许多研究小组在从事关于单晶硅表面碱溶液腐蚀的研究,所采用的多为NaO H ,KO H 或K 2CO 3等碱溶液[3～5],但需加入异丙醇或乙醇作为添加剂,以获得较理想的表面反射率和实验重复性。

由于异丙醇的成本较高,不利于工业生产,寻找无须加入异丙醇的碱腐蚀溶液成为该领域的研究热点。

已有的研究包括席珍强等[6]报道的Na 3PO 4,Nishimoto 等[7]报道的Na 2CO 3,Na HCO 3混合液,Y ou 等[8]报道的TMA H (四甲基氢氧化氨)溶液等,但实验结果重复性差,同时有机物存在成本高、污染大的不足。

为此,采用Na 2SiO 3溶液作为腐蚀液,不加入异丙醇,在80℃,研究了不同腐蚀反应时间对单晶硅表面反射率的影响。

同时,研究了在传统的NaO H 和异丙醇体系中,加入少量的Na 2SiO 3对腐蚀反应的影响。

1　实 验1.1　原理在较高的温度下,碱性水溶液(均为水溶液)中的单晶硅会发生如下的腐蚀反应:Si +6O H -SiO 32-+3H 2O +4e4H ++4e2H 2↑总的反应方程式为Si +2O H -+H 2O SiO 32-+2H 2↑由于硅晶体不同晶向的硅原子排列间距有异,因此碱溶液的腐蚀速度也不相同。

一般说来,碱溶液浓度和温度较高时,在单晶Si 的[100]和[111]方向的腐蚀速度相似,常用于去硅片表面的机械损伤层。

碱溶液浓度较低时,晶体硅的[100]和[111]方向的腐蚀速度差别较明显,速度比值被称为“各向异性因子”(anisot ropic factor ,A F )。

因此,通过改变碱溶液的浓度和温度,可以有效地改变各向异性因子,使在[100]方向的腐蚀速度较快,而在[111]方向的腐蚀速度较慢,从而在硅片表面形成密集分布的“金字塔”结构的减反射绒面。

1.2　表面腐蚀和检测实验所用的样品是表面为[100]晶向单晶硅片,电阻率为3.2～4.0Ω・cm 。

首先将单晶硅片在85℃,20%(质量分数,下同)NaO H 溶液中反应约10min ,所得样品的各向异性因子约等于1,单晶硅各晶向均匀腐蚀,单面腐蚀厚度约30μm ,完全除去了硅片表面的机械损伤层。

在不使用机械鼓泡装置和异丙醇的条件下,配置适当浓度的Na 2SiO 3溶液,通过改变反应温度和时间,制备了单晶硅片的减反射绒面;在NaO H 和异丙醇(isopropyl alcohol ,IPA )腐蚀液中加入011%(质量分数,下同)Na 2SiO 3,研究了不同温度和时间条件下Na 2SiO 3对绒面制备的影响。

用Cary500Scan 测量制作绒面前后单晶硅片的表面反射率。

用J EM6301F 扫描电镜(scanning elect ron microscope ,SEM )观察样品绒面的表面形貌。

2　结果和讨论2.1　反应时间和浓度对反射率的影响图1所示是不加入IPA ,采用5%Na 2SiO 3溶液,分别在75,80℃和85℃反应15,30min 和60min 后,制作的样品的绒面的平均反射率。

图1　含5%Na 2SiO 3的水溶液腐蚀的单晶硅的平均反射率与反应温度和时间的关系Fig.1　Relationship of the average reflectivity corroded bythe water solution with 5%(in mass ,the same be 2low )Na 2SiO 3and the reaction temperatures and time1———85℃;2———75℃;3———80℃如图1所示:在不同的温度条件下,单晶硅片的平均反射率随时间增长而下降;在反应时间为15min 时,平均反射率比较接近,大约为16.5%,60min 时85℃制作绒面的反射率降低较小,80℃制作的绒面有较好的减反射效果,延长反应时间,反射率变化趋于平缓,在120min 时,平均反射率达到・3741・　第33卷第12期 杨志平等:硅酸钠在太阳能电池单晶硅表面织构化的作用12.56%。

Na 2SiO 3在水中存在以下的水解反应:Na 2SiO 3+2H 2O =Na H 3SiO 4+NaO H 2Na H 3SiO 4=Na 2H 4Si 2O 7+H 2O也可将水解反应写为2Na 2SiO 3+H 2O =Na 2Si 2O 5+2NaO HNa 2SiO 3水溶液具有较强的碱性,多次水解产物中包含有硅酸、多种硅酸盐和硅酸氢盐,其中存在大量的极性和非极性功能团,可以有效降低溶液的表面张力并改善单晶硅片表面的润湿效果,有利于在单晶硅片表面形成满足实验要求的绒面结构。