调控表面微结构提高多晶硅太阳电池的性能

摘要

多晶硅太阳电池具有很高的性价比（低成本、高效率），因而占据了光伏产业80％左右的市场份额。由于其体内的各种类型缺陷，如晶界、位错、微缺陷和切割损伤等，加之常规酸刻蚀得到的微米绒面所导致的高反射率，多晶硅太阳电池的光电转化效率较单晶硅太阳电池低约1.5%。近年来，本课题组研发的金属催化化学刻蚀（MCCE，Metal-catalyzed chemical etching）技术已经在多晶硅太阳电池生产中得到大规模应用，所制备的纳米绒面结构赋予了多晶硅电池优异的陷光性能，从而提升其光电转换效率~0.5%。
　　通常，需要对原硅片进行预处理去除切割损伤层（DRE，Damage-removal Etching），再进行MCCE工艺制备纳米陷光绒面。一般而言，对多晶硅片采用各向同性的HNO3/HF酸刻蚀去损伤层（H-DRE），但是过程中会释放大量腐蚀性气体，对人体和环境造成危害。相比之下，NaOH或KOH碱刻蚀能够快速去除损伤层，对环境污染较小；然而，由于各向异性刻蚀，碱刻蚀会导致相邻不同取向晶粒之间的晶界处不可避免地产生台阶，影响后续的丝网印刷电极等工艺。因此，通常情况下，碱刻蚀并不适用于多晶硅基片的制绒。
　　首先，我们尝试了基于NaOH的两步法碱刻蚀去损伤层（N-DRE）方法。实验结果表明：第一步，将砂浆线切多晶硅原片在NaOH溶液（5wt.%,60oC）中刻蚀90s。在此过程中，原片表面密布的切割缺陷将优先刻蚀，从而硅片表面不呈现出碱刻蚀的各向异性特征。第二步，在NaOH-NaClO混合溶液（2:1，80℃）中刻蚀6min。在此过程中，NaClO作为强氧化剂能够在硅片表面生成二氧化硅层，NaOH则刻蚀氧化层和硅；因而，通过两步法碱刻蚀DRE方法我们实现了多晶硅片的各向同性去表面损伤层，得到平整的微米绒面，且避免在晶界处形成台阶，有利于下一步的 MCCE工艺乃至最终电池的性能。
　　然后，本工作制备了一系列的常规酸制绒（H-DRE）工艺多晶硅电池、MCCE工艺H-DRE和N-DRE多晶硅电池，结果表明：相比常规太阳电池，MCCE太阳电池的效率可以提高0.5-0.6%。对于黑硅太阳电池，N-DRE Bmc-Si太阳电池的平均效率（18.63%）要高于H-DRE Bmc-Si太阳电池，H-DRE Bmc-Si太阳电池的开路电压比H-DRE mc-Si太阳电池低1.7mV，比N-DRE Bmc-Si太阳电池低2.7mV。本文为砂浆线切多晶硅片提供一个可行的制绒技术。
　　金刚线切多晶硅片替代传统砂浆线切是光伏行业技术发展的必要，然而金刚线切硅片表面具有非晶硅层和平行切割线痕，很难采用传统酸刻蚀获得理想陷光绒面并消除表面线痕，所制备的电池光电转换效率较常规砂浆线切电池低0.2%以上。因而，MCCE技术也是目前解决金刚线切多晶硅表面制绒难题的关键技术。本工作也开展了几种去除金刚线切多晶硅表面线痕和损伤的金属催化化学刻蚀技术，一步法Ag颗粒催化刻蚀和两步法Cu/Ag混合金属催化刻蚀能够去除硅片表面线痕和损伤，并分别在硅片表面形成亚微米级孔洞（400-600nm）结构和微米级孔洞（1-3μm）结构。

目录

声明

第一章 引 言

1.1 硅太阳电池的工作原理及制备流程

1.2 多线锯切割技术

1.3 多晶硅表面制绒技术研究

1.4 本文研究意义及主要内容

第二章 多晶硅片表面的刻蚀及表征方法

2.1 实验材料

2.2 砂浆线切多晶硅片表面制绒的实验过程及原理

2.3 铜颗粒催化刻蚀原理

2.4 实验表征

2.5 太阳电池的性能参数

第三章 砂浆线切多晶黑硅太阳电池制备与分析

3.1 NaOH刻蚀

3.2 NaOH-NaClO刻蚀

3.3 银催化化学刻蚀纳米制绒

3.4 实验结果分析

3.5 本章小结

第四章 金刚线切多晶硅片表面去线痕技术研究

4.1 两步法碱刻蚀

4.2 Ag颗粒催化刻蚀

4.3 Cu颗粒催化刻蚀

4.4 Cu/Ag颗粒催化刻蚀

4.4 本章小结

第五章 总 结

参考文献

攻读硕士期间公开发表的论文及科研成果

致谢