金属催化化学刻蚀多晶黑硅材料及其太阳电池的制备

摘要

黑硅是一种具有纳米陷光结构的新型半导体光电材料。近年来，因其在可见光范围反射率极低，从而在硅太阳电池领域受到世界各国科研单位广泛的关注和研究。然而，至今尚未有黑硅电池大规模产线生产的报道，主要的原因在于：大部分的研究尚处于实验室阶段；所报道黑硅电池的光电转换效率未超过现有产线效率；少数有潜力的黑硅制备技术（如等离子体干法刻蚀）需要比现有产线技术复杂、昂贵的设备，成熟技术移植到产线尚需时日。从产业化应用的角度看，目前黑硅太阳电池面临的主要问题在于两个方面：一个是光电转换效率问题，一个是生产成本问题。特别地，多晶硅电池占晶硅电池（多晶、单晶、非晶薄膜）九成左右的产量，光损失比单晶更严重，因此研发高效多晶硅黑硅技术意义重大。
　　因此，本文在多晶硅太阳电池现有产线技术的基础上，研发一种低成本、与现有酸式制绒工艺兼容性好的金属催化化学刻蚀技术，从而制备出具有微纳复合绒面结构、反射率较低的黑硅材料；通过微纳复合绒面结构的优化，并基本沿用现有电池片的制备工艺制备出多晶黑硅电池，希望通过大幅增加电池片的光吸收能力，从而有效提高其光电转换效率。主要的研究结果如下：
　　第一、多晶黑硅材料的制备工艺。重点研发多种溶液配方，每个配方具有特定的功能：硝酸银（催化剂）、氢氟酸（刻蚀剂）和双氧水（氧化剂）混合的化学溶液，能够刻蚀出孔状或线状纳米结构；残留金属粒子去除溶液，能够较彻底地消除纳米结构中纳米金属粒子；纳米结构修正刻蚀溶液，能够对最终纳米结构的深度和黑硅的表面积进行调控。通过大量系统的实验优化工作，我们已经能够在商品级多晶硅电池原片上制备出尺度、形态可控的纳米结构。
　　第二、具有微纳复合绒面结构多晶硅黑硅电池片的制备工艺。经过常规电池的制绒工艺，在表面形成微米绒面，电池片的反射率为25%左右。在此基础上，增加一道多晶黑硅材料的制备工艺，从而在微米绒面上形成纳米结构。通常，单一的纳米绒面需要很深的结构才能获得较低的反射率，相应地大幅增加的电池片表面积是载流子的复合中心，不利于电池片的光电转换效率。本工作所实现的双尺度绒面结构可以降低纳米绒面结构的深度，并能够将电池片的反射率控制在5-15%的范围。
　　第三、多晶黑硅电池片的流片结果。本文中多批次制备的多晶黑硅电池片均在苏州阿特斯阳光电力科技有限公司生产线完成，除了制绒工艺有所不同外，其他工艺步骤（如扩散、SiNx-PECVD、丝网印刷）均基本沿用产线工艺。每批次流片完成后，我们深入研究了电池片效率与反射率、少子寿命、方块电阻、杂质浓度分布、微结构等参数之间的内在联系。从而在下批次电池制备过程中加以修正。结果表明，纳米绒面结构对电池片的效率起着决定性的作用。我们最好一批次的多晶黑硅太阳电池（300片）的平均效率达到17.5%，个别电池的效率达到18%，均高于产线17.2%的平均效率。我们认为，多晶黑硅电池效率的提高主要归因于电池片光吸收效率的提高，同时对纳米绒面结构进行适当的修正刻蚀，改善了后续pn结的形成条件并实现了SiNx的有效钝化。
　　综上，我们在实验室和产线上证实了基于低成本的金属催化化学刻蚀技术制备高效多晶黑硅电池的可行性，并对微纳复合绒面提高电池片效率的物理机制进行了深入的阐述。本文的研究内容对提升我国光伏行业应用基础研究和产业化应用具有重要的意义和推动作用，多晶黑硅电池技术具有十分光明的应用前景。

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第一章 引 言

1.1 黑硅的简介

1.2 太阳能电池简介

1.3 黑硅太阳能电池的研究进展

1.4 本文的研究意义和主要内容

第二章 黑硅太阳能电池的制备方法及表征原理

2.1 黑硅的制备

2.2 黑硅太能电池的制备

2.3 黑硅及黑硅太阳能电池的表征

第三章 AgNO3、H2O2和HF刻蚀系统制备黑硅

3.1 催化刻蚀反应原理分析

3.2 AgNO3百分比和浓度对黑硅表面绒面的影响

3.3 H2O2体积分数对黑硅表面绒面的影响

3.4 HF体积分数对黑硅表面绒面的影响

3.5 本章小结

第四章 黑硅太阳能电池的制备

4.1 黑硅太阳能电池的初步分析

4.2 不同清洗方法的研究

4.3 本章小结

第五章 黑硅太阳能电池制备工艺的优化

5.1 酸修正刻蚀方法的研究

5.2 碱修正刻蚀方法的研究

5.3 本章小结

第六章 总 结

参考文献

攻读硕士期间公开发表的论文和专利

致谢