單晶硅太陽(yáng)電池的分步制絨工藝研究

摘 要：制絨工藝是單晶硅太陽(yáng)電池制備過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其對(duì)于提升太陽(yáng)電池的整體電性能至關(guān)重要。在工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)中，單晶硅太陽(yáng)電池的制絨工藝主要依托于氫氧化鈉溶液體系。該溶液體系巧妙利用了單晶硅不同晶面間顯著的腐蝕差異性特點(diǎn)。當(dāng)與低濃度氫氧化鈉溶液接觸時(shí)，這種腐蝕差異性得以充分發(fā)揮，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)單晶硅表面演化出類(lèi)似“金字塔”結(jié)構(gòu)的微米級(jí)絨面形態(tài)。提出了不同于常規(guī)一步制絨工藝的分步制絨工藝，通過(guò)調(diào)整制絨槽的連接方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)絨面的再處理。針對(duì)不同制絨工藝對(duì)單晶硅片表面參數(shù)、微觀形貌、膜層厚度及PERC太陽(yáng)電池電性能的影響進(jìn)行了對(duì)比分析。分析結(jié)果顯示：1）相較于采用常規(guī)制絨工藝，采用分步制絨工藝后，單晶硅片表面的絨面高度、反射率均出現(xiàn)了下降，且出絨率有所提升；2）由分步制絨工藝得到的硅片表面“金字塔”結(jié)構(gòu)較為密集，“金字塔”大小較為均勻，優(yōu)于常規(guī)制絨工藝得到的“金字塔”；3）與采用常規(guī)制絨工藝后制備得到的PERC太陽(yáng)電池相比，采用分步制絨工藝后制備得到的PERC太陽(yáng)電池在光電轉(zhuǎn)換效率、短路電流、填充因子方面均存在優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)尉Ч杼?yáng)電池；制絨工藝；分步制絨；絨面優(yōu)化；電性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0" 引言

太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率提升一直是光伏行業(yè)關(guān)注的核心議題。晶體硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率與其表面“金字塔”織構(gòu)的均勻性密切相關(guān)。在晶體硅太陽(yáng)電池制備過(guò)程中，通過(guò)化學(xué)制絨技術(shù)形成的“金字塔”結(jié)構(gòu)可以顯著增強(qiáng)硅片對(duì)太陽(yáng)光的吸收，降低反射損失，進(jìn)而提高光電轉(zhuǎn)換效率。然而，若“金字塔”織構(gòu)分布不均或形態(tài)各異，可能會(huì)導(dǎo)致硅片局部區(qū)域的光吸收率和載流子收集率降低，增加光生載流子的復(fù)合概率，從而影響到太陽(yáng)電池的整體電性能，表現(xiàn)為光生電流減小、開(kāi)路電壓下降，最終導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率降低。因此，對(duì)“金字塔”織構(gòu)進(jìn)行精密控制是提升晶體硅太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率的重要途徑之一。當(dāng)前的研究正致力于開(kāi)發(fā)更為精細(xì)、可控且均勻的織構(gòu)化技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)硅片表面微結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控，從而在有效提升太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)降低成本[1]。

制絨工藝是通過(guò)在硅片上形成微米尺度的凸起來(lái)減小硅片對(duì)太陽(yáng)光的反射，增加硅片對(duì)太陽(yáng)光的吸收，達(dá)到提高硅片光學(xué)性能和電學(xué)性能的效果。目前，單晶硅片制絨工藝得到的絨面均為“金字塔”形狀，但基于這種絨面的太陽(yáng)光反射率值較為固定，限制了太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率提升空間。因此，為了使太陽(yáng)電池具備更高的光電轉(zhuǎn)換效率，需要對(duì)單晶硅片制絨絨面形貌進(jìn)行深入研究，以獲得更有利于吸收太陽(yáng)光的絨面形貌?；诖?，本文提出不同于常規(guī)的一步制絨工藝的分步制絨工藝，并針對(duì)不同制絨工藝對(duì)單晶硅片表面參數(shù)、微觀形貌、膜層厚度及PERC太陽(yáng)電池電性能的影響進(jìn)行分析。

1" 單晶硅片制絨原理

在單晶硅太陽(yáng)電池制備過(guò)程中，未經(jīng)過(guò)制絨工藝的原單晶硅片表面的反射率在40%左右，為了減少太陽(yáng)光的反射損失，提高硅片對(duì)太陽(yáng)光的吸收率，需利用氫氧化鈉溶液對(duì)硅片迎光面進(jìn)行反應(yīng)腐蝕，使其形成織構(gòu)。在一定濃度的氫氧化鈉溶液中，硅片的腐蝕反應(yīng)表現(xiàn)出各向異性，由于（100）晶面最先被腐蝕，因此得到圍繞（111）晶面的“金字塔”絨面。由于絨面凹凸不平的結(jié)構(gòu)特性，太陽(yáng)光在硅片表面的反射率降低，更多的太陽(yáng)光被硅片吸收，從而提高了單晶硅太陽(yáng)電池的短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率[2]。

常規(guī)的制絨工藝屬于一步制絨工藝，雖然該工藝已相對(duì)成熟，但其在硅片表面反射率和表面復(fù)合率方面已接近極限，且此種工藝得到的絨面均勻性和反射率周期穩(wěn)定性均較差。因此，本文提出的制絨工藝屬于分步制絨工藝，是在常規(guī)制絨工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將并聯(lián)的制絨1#槽、2#槽、3#槽改成制絨1#槽和2#槽并聯(lián)后再串聯(lián)制絨3#槽，即以制絨1#槽或2#槽作為第1步制絨，目的是低減重成核；以制絨3#槽作為第2步制絨，目的是修飾絨面。兩種制絨工藝的流程圖如圖1所示。

分步制絨工藝是在常規(guī)制絨工藝（得到的硅片表面反射率為10%）基礎(chǔ)上，通過(guò)采用分步制絨，提高了“金字塔”成核密度，降低了硅片表面反射率，提高了絨面均勻性，進(jìn)而有助于提高太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

2" 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1" 性能測(cè)試設(shè)備

本文采用超景深顯微鏡（如圖2所示）測(cè)量實(shí)驗(yàn)所需的“金字塔”數(shù)據(jù)，包括絨面大小、絨面高度、出絨率，且所有結(jié)果均可由該顯微鏡的測(cè)量軟件自動(dòng)測(cè)算得出[3]；采用型號(hào)為REF300的反射率測(cè)試儀測(cè)量硅片表面的反射率數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)均由測(cè)試儀自動(dòng)測(cè)得；采用型號(hào)為日立SU8600的掃描電子顯微鏡（SEM）掃描“金字塔”形貌。

2.2" 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)用硅片采用晶澳太陽(yáng)能科技股份有限公司生產(chǎn)的由直拉法制備的p型摻鎵單晶硅片，硅片尺寸為 182.2 mm×182.2 mm，硅片厚度為150 μm，原硅片的電阻率為0.4～1.1 Ω·mm。

采用德國(guó)RENA公司生產(chǎn)的槽式制絨機(jī)進(jìn)行制絨工藝，制絨工藝流程是將硅片依次放入如圖1所示的各個(gè)槽中，從而完成制絨。

選取相同制備條件下的單晶硅片4000片，均分為a、b兩組，每組2000片；a組硅片采用常規(guī)制絨工藝，b組硅片采用分步制絨工藝。兩種制絨工藝均按照表1中的參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行制絨，制絨后均按照常規(guī)PERC太陽(yáng)電池的制備流程制備太陽(yáng)電池，以便分析不同制絨工藝對(duì)太陽(yáng)電池電性能的影響。需要說(shuō)明的是，采用常規(guī)制絨工藝時(shí)，制絨1#～3#槽的參數(shù)一致；而采用分步制絨工藝時(shí)，制絨1#、2#槽的參數(shù)一致。所以表中只體現(xiàn)了制絨1#槽和3#槽的參數(shù)數(shù)值。

3" 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1" 不同制絨工藝對(duì)單晶硅片表面的參數(shù)的影響

分別對(duì)采用兩種制絨工藝后單晶硅片表面的總減重量、反射率、絨面大小、絨面高度及出絨率進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出：

1）采用常規(guī)制絨工藝后，單晶硅片總減重量為0.32 g，絨面大小為1.384 μm；而采用分步制絨工藝后，單晶硅片總減重量為0.32 g，絨面大小為1.380 μm；二者的差別不大。

2）采用常規(guī)制絨工藝后，單晶硅片絨面高度為1.10 μm；而采用分步制絨工藝后，單晶硅片絨面高度為0.98 μm，相較于采用常規(guī)制絨工藝時(shí)下降了0.12 μm。

3）采用常規(guī)制絨工藝后，硅片表面的出絨率為267507 mm2；而采用分步制絨工藝后，單晶硅片表面的出絨率為299843 mm2，相較于采用常規(guī)制絨工藝時(shí)提升了3萬(wàn)mm2左右。

4）采用常規(guī)制絨工藝后，硅片表面的反射率為10.0%；而采用分步制絨工藝后，單晶硅片表面的反射率為9.4%，相較于采用常規(guī)制絨工藝時(shí)下降了0.6%。

對(duì)比兩種制絨工藝下單晶硅片在392～987 nm波段范圍內(nèi)的反射率情況，如圖3所示。

由圖3可知：從波長(zhǎng)392 nm開(kāi)始，采用分步制絨工藝后單晶硅片的反射率就低于采用常規(guī)制絨工藝后單晶硅片的反射率，在392 nm時(shí)，分步制絨工藝得到的單晶硅片反射率較常規(guī)制絨工藝時(shí)低0.4%；隨著波長(zhǎng)的增長(zhǎng)，分步制絨工藝與常規(guī)制絨工藝下的單晶硅片反射率差值先增大，在630 nm時(shí)分步制絨工藝較常規(guī)制絨工藝下的單晶硅片反射率差值達(dá)到最大，為0.8%，之后隨著波長(zhǎng)的增加，二者的差值逐漸減??；在987 nm時(shí)分步制絨工藝較常規(guī)制絨工藝下的單晶硅片反射率差值縮小為0.35%。

3.2" 不同制絨工藝對(duì)單晶硅片表面微觀形貌的影響

利用SEM對(duì)采用兩種制絨工藝后的單晶硅片表面微觀形貌進(jìn)行掃描，掃描結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出：常規(guī)制絨工藝得到的硅片表面微觀形貌“金字塔”結(jié)構(gòu)較稀疏，且 “金字塔”大小也不均勻；而分步制絨工藝得到的硅片表面“金字塔”結(jié)構(gòu)較為密集，“金字塔”大小也較為均勻。由此可知，分步制絨工藝得到的“金字塔”結(jié)構(gòu)優(yōu)于常規(guī)制絨工藝。

3.3" 不同制絨工藝對(duì)單晶硅片膜層及外觀的影響

對(duì)分別采用兩種制絨工藝后的單晶硅片進(jìn)行鍍膜，并對(duì)鍍膜后的膜厚及折射率進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。需要說(shuō)明的是，膜厚均勻性的值越小，表明膜層均勻性越好。

由表3可知：相較于采用常規(guī)制絨工藝的單晶硅片膜厚平均值，采用分步制絨工藝的單晶硅片膜厚平均值降低了3.5 nm；相較于采用常規(guī)制絨工藝的單晶硅片膜厚均勻性，采用分步制絨工藝的單晶硅片膜厚均勻性提升了4.4%。

不同制絨工藝下，單晶硅片鍍膜后的正面外觀，如圖5所示。

從圖5可以看出：采用分步制絨工藝時(shí)，單晶硅片鍍膜后的正面外觀顏色，較采用常規(guī)制絨工藝時(shí)的深，這是因?yàn)槠洹敖鹱炙钡拇笮『托蚊哺鶆?，膜層也就更均勻，外觀顏色也就偏深。該結(jié)論與根據(jù)表3得到的“分步制絨工藝后單晶硅片膜厚偏低、均勻性相對(duì)更好”的結(jié)論相對(duì)應(yīng)。

3.4" 不同制絨工藝對(duì)PERC太陽(yáng)電池電性能的影響

對(duì)采用不同制絨工藝的單晶硅片按照PERC太陽(yáng)電池制備工藝完成太陽(yáng)電池制備，并對(duì)太陽(yáng)電池進(jìn)行電性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出：與采用常規(guī)制絨工藝后制備得到的PERC太陽(yáng)電池相比，采用分步制絨工藝后制備得到的PERC太陽(yáng)電池在光電轉(zhuǎn)換效率、短路電流、填充因子方面均存在優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)?，采用分步制絨工藝形成的“金字塔”結(jié)構(gòu)能夠有效減少硅片對(duì)太陽(yáng)光的反射，使硅片表面反射率降低，更多的太陽(yáng)光在多次反射后被太陽(yáng)電池吸收，從而提高了短路電流；此外，良好的絨面結(jié)構(gòu)有助于提高硅片表面的鈍化效果，減少表面缺陷導(dǎo)致的載流子復(fù)合，這有利于提高太陽(yáng)電池的填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率。

4" 結(jié)論

本文提出了不同于常規(guī)的一步制絨工藝的分步制絨工藝，通過(guò)調(diào)整制絨槽的連接方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)絨面的再處理。針對(duì)不同制絨工藝對(duì)單晶硅片表面參數(shù)、微觀形貌、膜層厚度及PERC太陽(yáng)電池電性能的影響進(jìn)行了分析。分析結(jié)果顯示：1）相較于采用常規(guī)制絨工藝，采用分步制絨工藝后，單晶硅片表面的絨面高度、反射率均出現(xiàn)了下降，且出絨率有所提升；2）由分步制絨工藝得到的硅片表面“金字塔”結(jié)構(gòu)較為密集，“金字塔”大小較為均勻，優(yōu)于常規(guī)制絨工藝得到的“金字塔”；3）與采用常規(guī)制絨工藝后制備得到的PERC太陽(yáng)電池相比，采用分步制絨工藝后制備得到的PERC太陽(yáng)電池在光電轉(zhuǎn)換效率、短路電流、填充因子方面均存在優(yōu)勢(shì)。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] 陳哲艮，鄭志東. 晶體硅太陽(yáng)電池制造工藝原理[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2017：152-153.

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RESEARCH ON STEP-BY-STEP MAKING PROCESS OF

MONO-Si SOLAR CELLS

Cao Wenxue，Guo Wangdong，Sun Jinghong，Yan Haigang，

Wang Huifang，Zhang Shengliang

（YiWu JingAo Solar Co.，Ltd.，Jinhua 322000，China）

Abstract：The velvet making process is an important step in the preparation of mono-Si solar cells，which is crucial for improving the overall electrical performance of solar cells. In large-scale industrial production，the velvet making process of mono-Si solar cells mainly relies on the sodium hydroxide solution system. This solution system cleverly utilizes the significant corrosion differences between different crystal planes of mono-Si. When in contact with low concentration sodium hydroxide solution，this corrosion difference is fully utilized，which drives the evolution of micro scale textured morphology similar to a \"pyramid\" structure on the surface of mono-Si. Unlike the conventional one-step velvet making process，this paper proposes a step-by-step velvet making process that achieves the reprocessing of the velvet surface by adjusting the connection method of the velvet making groove. Some analyses are conducted on the effects of different velvet making processes on the surface parameters，microscopic morphology，film thickness of mono-Si wafers，and PERC solar cell electrical performance. The analysis results show that：1） Compared with the conventional velvet making process，the use of a step-by-step velvet making process resulted in a decrease in the velvet height and reflectivity on the surface of the mono-Si wafer，and an increase in the velvet yield. 2） The surface \"pyramid\" structure of the silicon wafer obtained by the step-by-step velvet process is more dense，and the size of the \"pyramid\" is more uniform，which is better than the \"pyramid\" obtained by the conventional velvet process. 3） Compared with PERC solar cells prepared by step-by-step velvet processing，PERC solar cells prepared by stepwise velvet processing have advantages in photoelectric conversion efficiency，short-circuit current，and fill factor.

Keywords：mono-Si solar cells；velvet making process；step-by-step velvet making；suede optimization；electrical performance