硅晶納米表面成膜涂層工藝與生產(chǎn)系統(tǒng)研究

［摘 要］隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展，硅晶納米材料因其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)而受到廣泛關(guān)注。硅晶納米表面成膜涂層作為一種新型的功能性涂層，具有優(yōu)異的耐磨、耐腐蝕、抗氧化等性能，因此在多個(gè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著全球?qū)稍偕茉葱枨蟮娜找嬖鲩L，光伏技術(shù)作為光伏能利用的主要方式之一，正受到越來越多的關(guān)注。硅晶作為光伏行業(yè)的基礎(chǔ)材料，其表面性能對(duì)于提高光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率和使用壽命至關(guān)重要。文章對(duì)硅晶納米表面成膜涂層的工藝和噴涂設(shè)備進(jìn)行研究，以推動(dòng)硅晶納米技術(shù)的發(fā)展。

［關(guān)鍵詞］硅晶納米；光學(xué)；活性；耐磨；傳感

［中圖分類號(hào)］O657.3 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）07–0055–03

1 硅晶納米技術(shù)在光伏鍍膜中的應(yīng)用研究

光伏鍍膜通常使用多層膜的結(jié)構(gòu)，其中每一層都有不同的光學(xué)特性。通過調(diào)節(jié)每層膜的厚度和折射率，可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定波長的光線的抑制，減少反射。這樣可增加光線的穿透深度，提高光伏電池對(duì)光的吸收。光伏鍍膜的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一是增加光線透過電池表面的比例。通過選擇合適的材料和膜層結(jié)構(gòu)，使得光線在膜層之間發(fā)生多次反射，從而增加透過率。光伏鍍膜可通過特殊的納米結(jié)構(gòu)減少光線在表面的反射。這種納米結(jié)構(gòu)可模擬自然界中一些生物的表面，如蝴蝶翅膀和蜻蜓翅膀，降低光線的反射并增加吸收?？傊?，光伏鍍膜通過優(yōu)化光學(xué)性能，降低反射率，提高透過率和吸收率，從而提高光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率。這有助于提高光伏能發(fā)電系統(tǒng)的性能和效益。

光在硅表面的反射損失率高達(dá)35% 左右，減反射膜可提升電池片對(duì)光伏光的利用率，有助于提高光生電流密度，進(jìn)而提高轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)薄膜中的氫對(duì)于電池片表面的鈍化降低了發(fā)射結(jié)的表面復(fù)合速率，減小了暗電流，提升了開路電壓，提高了光電轉(zhuǎn)換效率；在燒穿工藝中的高溫瞬時(shí)退火斷裂了一些Si-H、N-H 鍵，游離出來的H 進(jìn)一步加強(qiáng)了對(duì)電池的鈍化。由于光伏級(jí)硅材料中不可避免的含有大量的雜質(zhì)和缺陷，導(dǎo)致硅中少子壽命及擴(kuò)散長度降低，從而導(dǎo)致電池的轉(zhuǎn)換效率下降，H 能與硅中的缺陷或雜質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)，從而將禁帶中的能帶轉(zhuǎn)入價(jià)帶或者導(dǎo)帶。減反膜可減少光在硅表面的反射損失率，提高光生電流密度和轉(zhuǎn)換效率。薄膜中的氫可降低發(fā)射結(jié)的表面復(fù)合速率，減小暗電流，提升開路電壓，增加光電轉(zhuǎn)換效率。在燒穿工藝中的高溫瞬時(shí)退火會(huì)斷裂一些鍵，釋放的氫進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)電池的鈍化作用。此外，光伏級(jí)硅材料中的雜質(zhì)和缺陷會(huì)降低硅中的少子壽命和擴(kuò)散長度，從而降低電池的轉(zhuǎn)換效率。氫可與硅中的缺陷或雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，將禁帶中的能帶轉(zhuǎn)入價(jià)帶或?qū)?，改善雜質(zhì)和缺陷對(duì)電池性能的影響。

2 硅晶納米涂層在光伏電池表面成型工藝應(yīng)用研究

在光伏電池的制造過程中PECVD（增強(qiáng)等離子體化學(xué)氣相沉積）是一種常用的技術(shù)，用于在硅片表面制備氮化硅（Si3N4）減反射膜。在平板式微波PECVD 中，硅烷（SiH4）和氨氣（NH3）是常見的反應(yīng)氣體，通過微波激發(fā)等離子體反應(yīng)，這些氣體可生成1 層均勻的氮化硅減反射膜。這種方法不僅可提高光伏電池的光吸收效率，還可以改善其光電轉(zhuǎn)換性能。但是在硅烷和氨氣反應(yīng)的過程中，除了在硅片表面生成氮化硅外，也可能在反應(yīng)腔室的其他部分如出氣口中生成。這些生成的氮化硅可能會(huì)長時(shí)間存在于反應(yīng)腔室和出氣口的內(nèi)部，逐漸形成塊狀或團(tuán)簇狀沉淀，覆蓋在硅烷和氨氣的出氣口上，從而影響工藝效果。為防止這種情況，通常需要在反應(yīng)腔室內(nèi)設(shè)置高效的氣流循環(huán)系統(tǒng)和過濾裝置，定期清理反應(yīng)產(chǎn)物，以確保反應(yīng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

因此，提出一種創(chuàng)新的技術(shù)方案，即光伏電池增強(qiáng)等離子體化學(xué)氣相沉積工藝。該工藝主要步驟如下。

（1）將硅片放入反應(yīng)舟中，并在微波增強(qiáng)等離子體化學(xué)氣相沉積設(shè)備內(nèi)進(jìn)行處理。

（2）通過通入硅烷和氨氣，利用微波激發(fā)等離子體，在硅片表面生成氮化硅減反射膜。

（3）在硅烷和氨氣通入30～45 min 后，停止通入硅烷和氨氣，改通入與硅烷和氨氣氣體體積總量相同的三氟化氮?dú)怏w（NF3）。

NF3氣體會(huì)在等離子體環(huán)境中產(chǎn)生F- 離子，這些F-離子會(huì)與沉積在出氣口的氮化硅發(fā)生反應(yīng)，形成粉末狀的SiF4，然后通過泵抽的方式將其抽走，從而實(shí)現(xiàn)清洗出氣口的目的。同時(shí)，殘余的F- 離子也對(duì)硅片表面產(chǎn)生了鈍化的效果，這有助于保護(hù)硅片免受腐蝕和其他損害。這樣的過程可有效地在硅片表面形成1層氮化硅減反射膜，從而提高光伏電池的光吸收效率。這是一種具有廣闊前景的創(chuàng)新技術(shù)，有助于提高光伏電池的能量轉(zhuǎn)化效率，使其更加適用于各種應(yīng)用場景。

這種改進(jìn)的等離子體化學(xué)氣相沉積工藝對(duì)于提高光伏電池性能和降低生產(chǎn)成本有著顯著的影響，是一項(xiàng)重要的技術(shù)進(jìn)步，對(duì)于推動(dòng)光伏能電池的發(fā)展有重要作用。這種方法不僅提高了光伏電池的性能，還提高了生產(chǎn)效率，并降低了成本，可為光伏能電池的發(fā)展帶來新的可能性。

3 硅晶納米涂層表面噴涂自動(dòng)化研究

硅晶納米表面處理技術(shù)可解決常溫電子熔融問題，文章旨在將生產(chǎn)設(shè)備小型便捷化，降低生產(chǎn)成本和制造難度，除在光伏廠家完成噴涂外，還可以在現(xiàn)場對(duì)已使用的光伏電池進(jìn)行清潔和噴涂修復(fù)的同工序完成施工，有效降低使用成本。其中，高壓便捷的納米噴涂設(shè)備顯得尤為重要，因此，提出一種新型高壓便捷式且可同時(shí)清潔和噴涂修復(fù)的噴射裝置。該裝置配有專用高壓噴水管、噴槍，工作時(shí)通過可控電壓泵利用管道壓力檢測器對(duì)噴射管路所受到的壓力進(jìn)行監(jiān)測。根據(jù)噴射管道承受的壓力調(diào)整輸出功率，防止在管道工作過程中出現(xiàn)泄漏，從而保護(hù)管路的完整性。

3.1 噴涂設(shè)備設(shè)計(jì)

噴涂裝置示意如圖1 所示，其主要組成部分包括1 個(gè)可控制的壓電泵主體和1 個(gè)液體輸送泵體。壓電泵主體用于向液體輸送泵體內(nèi)的傳輸介質(zhì)施加壓力，使介質(zhì)可以通過液體輸出口進(jìn)入噴射管路內(nèi)。而液體輸送泵體則有1 個(gè)液體輸入口和1 個(gè)液體輸出口，通過這種方式，壓電泵主體可控制流經(jīng)其的壓電介質(zhì)的壓力大小。此外，該裝置還包括了1 個(gè)電控盒，其可用于控制壓電泵主體的輸出功率。同時(shí)，管道壓力檢測器被安裝在噴射管道的一側(cè)，用來實(shí)時(shí)監(jiān)測噴射管道在工作時(shí)承受的壓力大小。

為了更好地使用，該噴涂裝置控制系統(tǒng)還包括了1 個(gè)方式選擇模塊，其可根據(jù)需要獲取噴射管道的連接方式信息。然后，中央處理器根據(jù)這些信息確定噴射管道所能承受的壓力極限差值。這個(gè)極限差值是根據(jù)管道類型和使用環(huán)境等因素綜合確定的，以確保在各種情況下，均能保證管道的安全運(yùn)行。最后根據(jù)噴射管道當(dāng)前的壓力值和極限差值，中央處理器會(huì)生成相應(yīng)的調(diào)整指令，并發(fā)送至壓電泵主體，使其根據(jù)指令調(diào)整自己的輸出功率，從而確保在各種工況下，都能保證管道的安全運(yùn)行。噴涂裝置控制系統(tǒng)示意如圖2 所示。

3.2 控制噴涂設(shè)備的軟件中央系統(tǒng)

噴涂裝置通過管道壓力檢測器實(shí)時(shí)監(jiān)測噴射管道的工作狀態(tài)，獲取實(shí)時(shí)的壓力數(shù)據(jù)。中央處理器會(huì)對(duì)這些實(shí)時(shí)的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到壓力準(zhǔn)確值，并將壓力準(zhǔn)確值與預(yù)設(shè)的壓力預(yù)警閾值進(jìn)行對(duì)比分析。若壓力準(zhǔn)確值高于或等于壓力預(yù)警閾值，說明管道正在正常工作，這時(shí)中央處理器會(huì)生成第一調(diào)整指令，通過壓電泵主體調(diào)整輸出功率，以保持管道的安全運(yùn)行。反之，如果壓力準(zhǔn)確值低于壓力預(yù)警閾值，說明管道存在異常情況，這時(shí)中央處理器會(huì)生成第二調(diào)整指令，通過壓電泵主體調(diào)整輸出功率，以避免進(jìn)一步加劇異常情況。這些調(diào)整指令可通過調(diào)整壓電泵主體的輸出功率實(shí)現(xiàn)。壓電泵主體可通過增加或減少輸出功率的方式改變其工作效率，從而改變其在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)管道壓力的影響。

此外，該裝置還可以通過預(yù)定好的多種管道連接方式，獲取不同連接方式下的管道所能承受的最大壓力差值。不同連接方式所對(duì)應(yīng)的管道連接處的承受壓力極限差值也會(huì)有所不同。中央處理器可通過調(diào)用這些數(shù)據(jù)，來更準(zhǔn)確地預(yù)測并調(diào)整壓電泵主體的輸出功率。

中央處理流程如圖3 所示。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測、壓力預(yù)警以及壓力準(zhǔn)確值的調(diào)整，可在保證管道安全運(yùn)行的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用。

4 結(jié)束語

硅晶納米表面成膜涂層性能研究面臨著制備工藝、性能表征、環(huán)境穩(wěn)定性、應(yīng)用領(lǐng)域拓展以及長期性能穩(wěn)定性驗(yàn)證等多方面的挑戰(zhàn)。解決這些挑戰(zhàn)需要深入研究硅晶納米涂層的制備技術(shù)、性能優(yōu)化機(jī)制以及實(shí)際應(yīng)用需求，同時(shí)借助先進(jìn)的測試技術(shù)和設(shè)備，為硅晶納米涂層在更多領(lǐng)域的應(yīng)用提供可靠的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

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