太陽能電池中晶體硅絨面的制作研究

李志遠(yuǎn)，常美茹

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津 300220)

硅系列太陽能電池中，單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。現(xiàn)在太陽電池的種類已有很多，但是，近幾年來，單晶硅和多晶硅太陽電池仍然占據(jù)光伏市場的主導(dǎo)地位，在世界光伏市場的電池和組件中，單晶硅和多晶硅的比例超過80%。高性能單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關(guān)已成熟的加工處理工藝基礎(chǔ)上。

1 單晶硅絨面制備實驗

1.1 單晶絨面的制作原理和前期準(zhǔn)備實驗

在太陽能電池的生產(chǎn)過程中主要應(yīng)用硅晶體的各向異性對晶體進(jìn)行腐蝕，在單晶硅片表面形成類似金字塔的結(jié)構(gòu)，同一束光經(jīng)過多次反射，利用了絨面的減反射效果，從而增加了光的吸收，提高電流密度。

單晶硅表面金字塔絨面的實驗原理在高溫下硅與堿發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

因而通常是利用堿和醇的混合溶液對硅片進(jìn)行腐蝕。一般來說主要是應(yīng)用NaOH、Na2SiO3、的混合溶液在80℃恒溫條件下進(jìn)行反應(yīng)制作絨面。發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下：

在實際生產(chǎn)當(dāng)中加入硅酸鈉的目的是作為緩沖劑，其機(jī)理為化學(xué)平衡：

反應(yīng)剛剛開始進(jìn)行時，OH-的濃度高，是上式中反映向左進(jìn)行，使反應(yīng)速率降低；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，OH-不斷消耗，促進(jìn)反應(yīng)向右進(jìn)行，維持OH-濃度保持原來的水平，使反應(yīng)傾向于原來的速率進(jìn)行，從而控制了反應(yīng)速率，維持了反應(yīng)速率的均勻。

在生產(chǎn)中加入CH3CHOHCH3(異丙醇)的目的是CH3CHOHCH3(異丙醇)通過降低液體的表面張力使得腐蝕反應(yīng)生成的H2氣泡盡可能快地脫離硅片表面。另外CH3CHOHCH3(異丙醇)除了具有消泡的作用還有調(diào)節(jié)晶體各向異性因數(shù)的作用，使硅片表面各個晶向的腐蝕速率，對金字塔的形成很有幫助。CH3CHOHCH3(異丙醇)可以降低(111)面的腐蝕速率，對(100)面的腐蝕速率的影響不大。

由于各個廠家的化學(xué)品的純度和質(zhì)量都相對來說有一定的差異，以及各個不同硅片生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)工藝，原料來源的不同，會對實驗結(jié)果造成一定的影響，還有其它各種因素(如腐蝕時間溫度等)的影響，就以上情況做了幾組如下對比實驗。

1.1.1 化學(xué)藥品的對比實驗及結(jié)果分析

在實驗當(dāng)中主要應(yīng)用到兩種化學(xué)藥品：NaOH和CH3CHOHCH3。關(guān)于NaOH的對比實驗，選擇兩個化學(xué)藥品生產(chǎn)廠家：A廠家和B廠家的產(chǎn)品；關(guān)于CH3CHOHCH3的對比實驗，選擇了C廠和D廠的產(chǎn)品。

實驗在同一個恒溫槽中，這樣就保證了溫度的一致性。分別用兩種試劑在2個燒杯中配制兩份相同濃度(15%)的NaOH溶液，把燒杯放入到恒溫槽中，使得燒杯中溶液的溫度為80℃。為保證實驗結(jié)果的可靠性，實驗中采用了相同的片源，均采用E廠家生產(chǎn)的硅片，精確測量厚度后，分別放入溶液中腐蝕，腐蝕反應(yīng)時間為60s、120s，腐蝕反應(yīng)后再測量厚度，計算腐蝕反應(yīng)過程中的減薄量。表1和2為不同腐蝕反應(yīng)時間后得到的反應(yīng)結(jié)果。

表1 腐蝕時間為60s后的反應(yīng)結(jié)果

表2 腐蝕時間為120s后的反應(yīng)結(jié)果

實驗采用 1.2%的 NaOH，0.7%的 Na2SiO3，時間為20 min，兩種不同廠家的CH3CHOHCH3，濃度為7%來制備絨面，實驗結(jié)果如表3。

表3 CH3CHOHCH3對比實驗結(jié)果

在上述兩種不同的溶液中，補(bǔ)加10 mL相對應(yīng) 的異丙醇，制備絨面20 min，結(jié)果如表4。

表4 補(bǔ)加10 mL異丙醇后的絨面制備結(jié)果

經(jīng)過上述的對比實驗可以看出，由于實驗采用了單變量方法，可信性強(qiáng)。通過分析可以得到以下結(jié)論：

對比實驗一：通過表格的比較，可以直觀地看出用B廠家生產(chǎn)的NaOH腐蝕硅片的減薄量比較大，經(jīng)過HF清洗去除殘留的Na2SiO3后用風(fēng)機(jī)迅速吹干，兩個試驗條件下表面的質(zhì)量差別不是很明顯。通過減薄量分析得出B生產(chǎn)的NaOH的純度比較高，而且在反應(yīng)當(dāng)中反應(yīng)速率很平穩(wěn)。而A廠家生產(chǎn)的在制絨效果上與B廠家生產(chǎn)的差別不是很大，在以后的實驗當(dāng)中選用的是A廠家生產(chǎn)的NaOH。因為一般損傷層的厚度≤10μm，所以時間選擇上選擇大概0.5 min左右即可。

對比實驗二:通過采用相同的外界實驗條件，相同的實驗參數(shù)，加入不同廠家生產(chǎn)的CH3CHOHCH3制作單晶絨面，得到的效果不同，可以分析得出D廠家的CH3CHOHCH3是對于保持單晶硅各向異性很好，而且在絨面形成的過程當(dāng)中可以控制反應(yīng)的均勻性，得到大小比較平均的金字塔。

1.1.2 不同的片源制作絨面對比實驗及分析

對比實驗見表5。

表5 對比試驗數(shù)據(jù)

在實驗中采用了兩種不同廠家的片源，一種為E公司生產(chǎn)的硅片，另一種是F公司生產(chǎn)的硅片，晶體硅片的導(dǎo)電類型為P型，晶向為〈100〉，一般的電阻率為0.5～3 Ω·cm。少子壽命盡可能的長。由于各個生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)工藝，原材料采購的不盡相同導(dǎo)致硅片質(zhì)量的不同，在相同工藝條件下制作絨面的效果也是不同的。

實驗方案：1.1%的NaOH，0.8%的Na2SiO3，7%的CH3CHOHCH3來制備絨面。實驗溫度要求恒溫78℃。制絨時間為20 min。反應(yīng)結(jié)束后用去離子水沖洗干凈并吹干，用金相顯微鏡觀察并拍攝圖片。圖1為E公司的硅片在以上條件下制作絨面的照片。

圖1 E廠家的硅片20 min的制絨照片（500×）

圖2為F公司生產(chǎn)的硅片在上述條件下用20 min制作絨面的照片。

圖2 F廠家的20 min制絨照片（500×）

通過觀察實驗結(jié)果的圖片，與樣品照片對比進(jìn)行分析可以得到圖1制作絨面的密度比較大，金字塔都已經(jīng)長出來而且大小還比較均勻。圖2中制作的絨面的連續(xù)性不好，好多地方?jīng)]有絨面，金字塔大小不均勻。

通過上述實驗可以得到E公司出品的硅片在硅片切片工藝以及磨片工藝上較優(yōu)于F公司。而且實驗中還發(fā)現(xiàn)F公司的硅片上可以看到很多線痕。由于表面質(zhì)量較差，使得表面起伏，在反應(yīng)過程中也會使反應(yīng)存在起伏，反應(yīng)不穩(wěn)定，制作出的絨面就會很差。

2 結(jié)果分析討論

目前單晶硅主要采用堿各向異性腐蝕原理制作絨面。在單晶硅太陽電池的制備過程中,通常利用晶體硅〈100〉和〈111〉不同晶向在堿溶液中各向異性腐蝕的特性,在表面形成類似于“金字塔”的絨面結(jié)構(gòu),使得入射光在硅片表面多次反射,提高入射光吸收效率,可提高單晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。早期的研究認(rèn)為硅不同晶面的懸掛鍵密度可能在各向異性腐蝕中起主要作用，如〈100〉面的懸掛鍵密度比〈111〉面大 1倍，故〈100〉面比〈111〉面的腐蝕速率大。但根據(jù)不同晶面腐蝕速率的研究發(fā)現(xiàn)，單純依靠懸掛鍵密度是不能解釋各向異性腐蝕機(jī)理的。目前電化學(xué)一種觀點是各向異性腐蝕與各個晶面的激活能和背鍵結(jié)構(gòu)引起的。硅表面的懸掛鍵與晶體的取向有關(guān)。就目前的研究還有實驗探索了一種廉價的硅織構(gòu)化腐蝕技術(shù),即單獨(dú)采用Na2SiO3代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氫氧化鈉和異丙醇溶液,以減少價格較高的異丙醇的用量,降低成本。不采用異丙醇或其他機(jī)械消泡的條件下,用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的Na2SiO3溶液在80℃腐蝕120 min,單晶硅片表面可獲得最佳反射率為12.56%的減反射絨面。雖然與傳統(tǒng)的氫氧化鈉和異丙醇溶液效果相比，單獨(dú)使用Na2SiO3溶液腐蝕單晶硅片表面的反射率和均勻性略差,但在傳統(tǒng)的氫氧化鈉和異丙醇體系中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的Na2SiO3也會促進(jìn)腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行,獲得更加均勻的減反射絨面。

晶體的各向異性的存在，使得腐蝕在各個晶向上造成了腐蝕速率的差異，所以就造成了腐蝕的結(jié)果是使得硅片表面形成比較規(guī)則的結(jié)構(gòu)，形成了以〈111〉面為邊界的金字塔形貌。

3 結(jié)束語

在不同的實驗條件下，腐蝕液的濃度及配比的不同，得到的單晶硅表面織構(gòu)不同。在不同的濃度條件下的結(jié)果表明：NaOH決定著反應(yīng)速率，決定了硅片的減薄量，對表面織構(gòu)的影響非常巨大。實驗得到了可以制得最佳單晶硅表面織構(gòu)化的反應(yīng)條件，其中腐蝕液的濃度配比范圍為：NaOH的濃度在1.15%～1.2%、Na2SiO3的濃度為0.7%，CH3CHOHCH3的濃度為6%～7%；溫度控制在80℃左右；時間控制在20 min左右。

[1]趙玉文.光伏發(fā)電在本世紀(jì)我國能源發(fā)展中的戰(zhàn)略地位[C].2001年中國太陽能學(xué)會學(xué)術(shù)會議論文集，杭州，2001.

[2]左元淮.世界太陽電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢[C].陽光發(fā)電論壇論文集，2002.