多晶硅太阳电池新腐蚀液的研究及其应用

摘要

能源是人类社会向前发展的基础,环境是人类可持续发展的必要条件.传统能源日益紧张,人们不断探求新的洁净能源.各种新能源都有其优劣,光伏发电作为新能源的一个分支,越来越引起人们的关注.最近几年,太阳能电池的产量以前所未有的速度增长,晶体硅电池依然占据市场的主流,其中多晶硅占据市场的53﹪.在晶体硅电池-制造工艺中,酸液腐蚀技术越来越多的应用于多晶硅太阳电池工业化生产.但酸液的自催化性使其在应用过程中出现可控性差、重复性差等问题,人们不得不用一些辅助设备以保证其大规模生产,增加了生产成本. 本论文首次提出了用弱碱氨水(MH<,3>·H<,2>O)控制氢氟酸(HF)/硝酸(HNO<,3>)/水(H<,2>O)体系腐蚀硅片速度的新思路.用正交试验的方法研究了新型腐蚀液(HF/HNO<,3>/NH<,3>·H<,2>o/H<,2>O体系)中各成份对腐蚀速度的影响,氨水的加入并不影响HF、HNO<,3>、H<,2>O在硅片腐蚀过程中所起的作用.重点讨论了氨水对腐蚀速度的影响.氨水含量增大的过程中,腐蚀速度先增大后减小.定量计算了新型腐蚀液的成份,并将Pitzer理论应用于离子活度系数的计算.结合化学反应速度理论可以看出,氨水增大过程中HNO<,3>浓度和活度系数的减小是腐蚀速度降低的主要原因.通过比较腐蚀过程中铵离子的消耗量、硅片的消耗量和硝酸根的消耗量可以看出,硅片腐蚀过程中,硝酸铵(NH<,4>NO<,3>)不断分解产生一氧化二氮(N<,2>O)气体,这是本文得出的最重要的结论.建立了三相体系模型,大量N<,2>O气体附着在硅片表面,起到气泡掩蔽作用,增加了硅腐蚀的动力学阻.而且,大量的N<,2>O气体增加了HF的传质阻,降低了腐蚀速度.另外,用气体搅拌模型讨论了N<,2>O在升起的过程中起到的搅拌作用.气体搅拌降低了HF的扩散阻力、HF的浓度梯度及扩散层的厚度,增加了腐蚀速度.氨水体积增加的过程中,HNO<,3>的浓度及活度系数、N<,2>O气体的阻止作用及HF的扩散性质共同影响了硅片的腐蚀速度.研究了硅片腐蚀速度随时间的变化规律.硅片在酸液中的腐蚀速度与反应放热、体系与外界的交换热、溶液中的氟离子浓度有关.硝酸铵在腐蚀过程中的分解是造成HF/HNO<,3>/H<,2>O体系和HF/HNO<,3>/NH<,3>·H<,2>O/H<,2>O体系对硅片腐蚀情况不同的根本原因. 将新型腐蚀液应用于多晶硅太阳能电池表面织构工艺.NH<,4>NO<,3>不断分解产生的N<,2>O气体有利于腐蚀坑结构的形成.得到的多晶硅表面均一,晶向依赖性小.与其它方法制备的多晶硅表面相比,虽然300-1200nm波段范围内的反射率不是最低,但制备的电池性能最好.从电压、电流和填充因子等方面分析了电池性能不同的原因.新型腐蚀液在应用过程中稳定、可控性好、重复性好,不需要温控设备和循环设备,降低了生产成本. 介绍了背腐蚀法分离p-n结的原理,将新型腐蚀液应用于晶体硅太阳能电池背腐蚀技术.其对腐蚀速度的抑制作用,可有效消除腐蚀过程中对正面n+层的破坏.设计了一种碱液腐蚀法,对电池背场进行检测.与等离子刻蚀方法比较,背腐蚀背场均一,长波的光谱响应较高,电池输出电压明显提高.背腐蚀法得到电池的背反射器平坦,长波反射后的光程减小,反射率降低,电流降低.从综合效果上来看,背腐蚀法得到的电池性能较等离子刻蚀法明显改善了. 最后,本文提出了一些后续工作的建议,希望新型腐蚀液早日应用于晶体硅太阳能电池的工业化生产.

目录

文摘

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第一章绪论

1.1太阳能电池产业的发展情况

1.2晶体硅太阳能电池新技术的发展情况

1.3研究酸液腐蚀对太阳能电池的意义

1.4本文研究的主要内容

第二章新型腐蚀液对硅腐蚀机理的研究

2.1硅片在HF体系中的腐蚀

2.1.1硅片在HF体系中的腐蚀机理

2.1.2影响硅片在HF体系中腐蚀速度的因素

2.2反应速度理论

2.3电解质溶液活度系数的计算方法

2.4硅片在HF/HNO3/NH3·H2O/H2O体系中反应规律初探

2.4.1正交试验及其设计

2.4.2正交试验的结果及分析

2.5氨水加入量对反应速度的影响

2.5.1实验及结果

2.5.2溶液成份及活度系数对腐蚀速度的影响

2.5.3三相体系的建立及对腐蚀速度变化规律的解释

2.5.4气体搅拌原理对腐蚀速度的解释

2.6硅片腐蚀速度随反应时间的变化

2.6.1实验部分

2.6.2加氨水后腐蚀速度及溶液温度随反应时间的变化规律

2.6.3腐蚀液中氟离子的测试及其随反应时间的变化规律

2.6.4腐蚀速度随反应时间变化规律的解释

2.6.5加氨水酸液与不加氨水酸液对硅片腐蚀的比较

2.7本章小结

第三章新型腐蚀液在多晶硅太阳能电池绒面制备上的应用

3.1多晶硅绒面制备的研究概况

3.2几种腐蚀液制备多晶硅表面的比较

3.2.1实验及结果

3.2.2氨水存在情况下腐蚀坑的形成机理

3.2.3不同腐蚀液处理多晶硅表面反射率的比较

3.3不同腐蚀液处理多晶硅所制备电池性能的比较及分析

3.4本章小结

第四章新型腐蚀液在晶体硅太阳电池p-n结分离方面上的应用

4.1 p-n结分离工艺研究概况

4.2背腐蚀法分离p-n结的原理

4.3不同p-n结分离方法所制备电池性能的比较

4.4背腐蚀工艺对电池电压的影响

4.4.1背腐蚀法对硅片电压的影响

4.4.2铝背场对电池电压的影响

4.5背腐蚀工艺对电池电流的影响

4.6背腐蚀工艺在多晶硅太阳能电池上的应用

4.7本章小结

第五章总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢

博士阶段所做的工作及发表论文情况