光伏硅晶体低反射率表面绒貌及加工工艺研究

摘要

太阳能作为人类取之不尽用之不竭的绿色清洁能源，硅作为主要使用的太阳能电池原料，通过降低太阳能硅电池表面的反射率，增加光子在硅片有源层内部的光程从而提高光电转化率是国内外研究的热点。传统的碱腐蚀法作为广泛使用的单晶硅表面制绒技术，可在其表面形成金字塔形绒貌，但受到单晶硅各向异性的限制，金字塔顶角为固定的70°，难以进一步降低其反射率。近来迅速发展的MAEE（金属离子辅助刻蚀法）可在硅表面形成黑硅结构，能够在全角度以及宽波长范围内对光线进行吸收，但是其较高的表面体积比带来的较高的表面重组效率，从而造成PCE（Power Conversion Efficiency）的降低，PCE与反射率的取舍是个问题。最近，硅作为半导体材料在MEMS（微电子机械系统），光电设备应用中扮演着重要角色，随着产品元件日益微细化，结构复杂化，以及更高精确度的要求刺激了微制造以及微细刀具的研究和发展。硅晶体的表面机械制绒正是在这种背景下产生，作为一种清洁的易于回收原料的制绒方法，研究硅低反射率表面机械制绒具有重要意义。
　　本课题在国家自然科学基金项目“硬质合金刀具微尺度刃口涂层技术与创成方法研究”（项目批准号:51475276）的资助下，开展的主要工作如下:
　　通过Matlab编程数值算法运用Fresnel方程，对光在太阳能硅电池表面由刀具加工形成的圆弧槽，矩形槽，半圆底矩形槽陷光微结构中的传播进行了模拟仿真，对反射率进行了计算和分析，另外，经过严格的几何推导，矩形槽微结构的反射规律公式被推导出，优化后结构的分析结果可以为后续的机械制绒提供指导。
　　通过对单晶硅塑性铣削理论的总结以及相应可实现塑性切削公式的推导，对不同晶向单晶硅切削的脆延转变切削厚度及对应的进给速度做出探讨和计算，并建立了单晶硅切削有限元模型，研究了不同刀具悬伸量时的固有频率以保证后续实验的顺利进行。
　　以单晶硅塑性铣削为理论指导，采用两种直径的金刚石涂层硬质合金刀具沿不同晶向在单晶硅进行矩形槽微结构铣削实验研究，探讨了单晶硅矩形槽微结构制备可行性和步骤，对磨损后的刀具进行了观察，分析了创成微结构的反射率。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 硅电池表面制绒研究现状

1．2．1 碱腐蚀法

1．2．2 酸腐蚀法

1．2．3 反应离子刻蚀法(RIE)

1．2．4 硅晶电池表面陷光结构研究

1．3 硅晶体微细加工的发展

1．3．1 微细切削刀具的发展

1．3．2 硅晶体塑性域加工研究

1．4 本文主要研究内容

第2章 不同槽型低反射率硅表面微结构仿真研究

2．1 引言

2．2 不同微结构反射率计算二维模型

2．2．1 矩形槽微结构二维模型

2．2．2 圆弧槽微结构二维模型

2．2．3 半圆底矩形槽微结构二维模型

2．3 计算模型及数值算法

2．4 反射率计算结果及讨论

2．4．1 光线数量n值的确定

2．4．2 r／H值及初始入射角对圆弧槽陷光微结构反射率的影响

2．4．3 α值及初始入射角对矩形槽陷光微结构反射率的影响

2．4．4 α值及初始入射角对矩形槽陷光微结构反射率的影响

2．5 本章小结

第3章 单晶硅切削有限元仿真

3．1 引言

3．2 单晶硅延性域铣削理论

3．3 有限元仿真

3．3．1 材料参数设置

3．3．2 网格划分和边界条件

3．3．3 切削分离准则

3．3．4 单晶硅二维切削仿真

3．3．5 主轴转速对切削力的影响

3．3．6 刀具悬伸量对加工的影响

3．4 本章小结

4．1．引言

4．2．实验准备

4．2．1 实验设备

4．2．2 实验所用微细刀具及硅片

4．3 实验设计

4．4 实验结果和讨论

4．4．1 较优的槽间宽度

4．4．2 较优的轴向切深

4．4．3 单槽多次铣削

4．4．4 反射率分析

4．4．5 刀具磨损

4．5 本章小节

总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文、参与课题及奖励情况