CN103219428B - 一种晶体硅太阳能电池的绒面结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种晶体硅太阳能电池的绒面结构的制备方法，包括如下步骤：(1)清洗、制绒；(2)放入含有金属离子的溶液中浸泡，使硅片表面涂覆一层金属纳米颗粒；(3)腐蚀硅片表面，形成纳米级绒面；(4)清洗去除金属颗粒；(5)放入第二化学腐蚀液中进行微结构修正刻蚀；(6)清洗、甩干。试验证明：本发明的绒面结构的大小在100~500nm之间，呈孔径较大，深度较浅的纳米孔状或带有棱角的纳米金字塔或带有棱角纳米椎体或带有棱角的纳米坑状结构，相对于CN102610692A公开的纳米-微米复合绒面结构，其电池片的转换效率可提高0.2~0.5%左右，取得了意想不到的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种晶体硅太阳能电池的绒面结构及其制备方法，属于太阳能技术领域。
背景技术
随着太阳能电池组件的广泛应用，光伏发电在新能源中越来越占有重要比例，获得了飞速发展。目前商业化的太阳电池产品中，晶体硅（单晶和多晶）太阳电池的市场份额最大，一直保持85%以上的市场占有率。
目前，在太阳电池的生产工艺中，硅片表面的绒面结构可以有效地降低太阳电池的表面反射率，是影响太阳电池光电转换效率的重要因素之一。为了在晶体硅太阳能电池表面获得好的绒面结构，以达到较好的减反射效果，人们尝试了许多方法，常用的包括机械刻槽法、激光刻蚀法、反应离子刻蚀法（RIE）、化学腐蚀法（即湿法腐蚀）等。其中，机械刻槽方法可以得到较低的表面反射率，但是该方法造成硅片表面的机械损伤比较严重，而且其成品率相对较低，故而在工业生产中使用较少。对于激光刻蚀法，是用激光制作不同的刻槽花样，条纹状和倒金字塔形状的表面都已经被制作出来，其反射率可以低至8.3%，但是由其制得的电池的效率都比较低，不能有效地用于生产。RIE方法可以利用不同的模版来进行刻蚀，刻蚀一般是干法刻蚀，可以在硅片表面形成所谓的“黑硅”结构，其反射率可以低至7.9%，甚至可以达到4%，但是由于设备昂贵，生产成本较高，因此在工业成产中使用较少。而化学腐蚀法具有工艺简单、廉价优质、和现有工艺好兼容等特点，成为了现有工业中使用最多的方法。
目前，采用湿法腐蚀的晶体硅太阳能电池的绒面结构一般呈微米级。目前的常规做法仍是进一步降低其表面反射率。中国发明专利申请CN102610692A公开了一种晶体硅纳米-微米复合绒面的制备方法，其主要包括如下步骤：(1) 将晶硅硅片进行清洗、腐蚀制绒，形成微米级绒面；(2) 在硅片表面均匀覆盖一层非连续纳米级贵金属粒子；(3) 用化学腐蚀液选择性腐蚀硅片表面，形成纳米级绒面；(4) 化学溶液去除贵金属粒子。然而，上述制备方法得到的纳米-微米复合绒面中，其纳米结构是呈纳米孔状，即其孔径较小、而深度较深。文献报道及试验证明，这种复合绒面结构的表面反射率虽然降低至12%以下，但却不利于后道的表面钝化，且目前由其制得的电池片转换效率要低于产线常规制绒的电池片。
发明内容
本发明目的是提供一种晶体硅太阳能电池的绒面结构及其制备方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种晶体硅太阳能电池的绒面结构的制备方法，包括如下步骤：
(1) 将多晶硅硅片进行清洗、腐蚀制绒，形成微米级绒面；
(2) 将上述硅片放入含有金属离子的溶液中浸泡，使硅片表面涂覆一层金属纳米颗粒；
所述金属离子选自金离子、银离子和铜离子中的一种；
(3) 用第一化学腐蚀液腐蚀硅片表面，形成纳米级绒面；
所述第一化学腐蚀液选自以下混合溶液中的一种：HF与H2O2的混合溶液、HF与HNO3的混合溶液、HF与H2CrO4的混合溶液；
其中，HF的浓度为1~15 mol/L，H2O2、HNO3或H2CrO4的浓度为0.05~0.5 mol/L；
(4) 分别用第一清洗液、第二清洗液、去离子水清洗上述硅片，去除金属颗粒；
所述第一清洗液为质量百分比为27~69%的硝酸溶液，清洗时间为60~1200秒，清洗温度为5~85℃；
所述第二清洗液为质量百分比为1~10%的氢氟酸溶液，清洗时间为60~600秒，清洗温度为5~45℃；
(5) 将上述硅片放入第二化学腐蚀液中进行微结构修正刻蚀；
所述第二化学腐蚀液选自以下溶液中的一种：NaOH溶液、KOH溶液、四甲基氢氧化铵溶液、HNO3与HF酸的混合溶液；
当选自NaOH溶液时，其浓度为0.001~0.1 mol/L，反应时间为10~1000秒，反应温度为5~85℃；
当选自KOH溶液时，其浓度为0.001~0.1 mol/L，反应时间为10~1000秒，反应温度为5~85℃；
当选自四甲基氢氧化铵溶液时，其浓度为0.001~0.1 mol/L，反应时间为10~1000秒，反应温度为5~85℃；
当选自HNO3与HF酸的混合溶液时，HF与HNO3的浓度分别为0.05~0.5 mol/L、1~10 mol/L，反应时间为10~1000秒，反应温度为5~45℃；
(6) 清洗、甩干，即可得到所述晶体硅太阳能电池的绒面结构。
上述技术方案中，所述步骤(2)中的纳米级金属颗粒的浓度为0.0001~0.1 mol/L。
上述技术方案中，所述步骤(2)中，浸泡时间为10~1000秒，溶液温度为5~85℃。
上述技术方案中，所述步骤(3)的腐蚀时间为30~3000秒，反应温度为5~45℃。
本发明同时请求保护由上述制备方法得到的晶体硅太阳能电池的绒面结构。
上述技术方案中，所述晶体硅太阳能电池为多晶硅太阳能电池，其绒面结构的反射率为12%~20%。
上述技术方案中，所述晶体硅太阳能电池为单晶硅太阳能电池，其绒面结构的反射率为5%~15%。
经测试，本发明制备得到的多晶硅太阳能电池的绒面结构的大小在100~500 nm之间，其表面反射率在12~20%之间，相对于中国发明专利申请CN102610692A公开的纳米-微米复合绒面结构，其电池片的转换效率可提高0.2~0.5%左右，取得了意想不到的效果。本发明的纳米绒面结构更适合于目前产线多晶硅太阳能电池的制造工艺，在降低表面反射率的同时又不影响后道的表面钝化工艺。
本发明的工作原理是：在形成现有的微米级绒面的基础上，先在硅片表面反应涂覆一层分布均匀的金属纳米颗粒；其次将表面分布着金属纳米颗粒的硅片放入到第一化学腐蚀液中，腐蚀液中的氧化剂（H2O2或HNO3或H2CrO4）起氧化硅片的作用；同时，腐蚀液中的氢氟酸再将硅片氧化生成的SiO2以氟硅酸的形式输运到溶液中，而在金属颗粒催化的作用下，其附近的硅片反应极快，由于反应速度之间的差异就会在硅片表面形成线状或深孔状的微结构；最后，再利用第二化学腐蚀溶液对硅片表面进行修正刻蚀，即利用碱液（NaOH溶液、KOH溶液、四甲基氢氧化铵溶液或混合酸（HF和HNO3））对上述制得线状或深孔状的微结构进行腐蚀修正，碱液主要是对上述线状或深孔状微结构进行各向异性腐蚀，这种各向异性腐蚀会沿着原来的线状或深孔状微结构优先进行，刻蚀结果就会使原来的线状或深孔状微结构被修正成带有棱角的纳米金字塔或纳米椎体或纳米坑状结构，而混合酸（HF和HNO3）主要是对上述线状或深孔状微结构进行各向同性腐蚀，这种各向同性腐蚀会沿着原来的线状或深孔状微结构优先进行，刻蚀结果就会使原来的线状或深孔状微结构被修正成孔径较大，深度较浅的纳米孔状结构，通过该步的修正刻蚀最终制得较优的晶硅太阳电池纳米绒面。
由于上述技术方案的采用，与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1．本发明开发了一种新的晶体硅太阳能电池的绒面结构的制备方法，其在现有的微米级绒面结构的基础上，采用第一化学腐蚀液腐蚀硅片表面，形成纳米级绒面，清洗后进一步采用第二化学腐蚀液中进行微结构修正刻蚀，得到了更适用于晶体硅太阳能电池的绒面结构；试验证明：本发明的多晶硅太阳能电池的绒面结构的大小在100~500 nm之间，呈孔径较大，深度较浅的纳米孔状或带有棱角的纳米金字塔或带有棱角纳米椎体或带有棱角的纳米坑状结构，其表面反射率在12~20%之间，相对于中国发明专利申请CN102610692A公开的纳米-微米复合绒面结构，其电池片的转换效率可提高0.2~0.5%左右，取得了意想不到的效果。
2．本发明的制备方法简单易行，与现有工业化生产工艺兼容性较好，可以快速移植到工业化生产中，适于推广应用。
附图说明
图1是本发明实施例一中多晶硅硅片绒面的SEM扫描图；（放大5K倍）
图2是本发明实施例一中多晶硅绒面与常规酸腐蚀制备的多晶硅绒面的反射光谱对比图；
图3是本发明实施例二中多晶硅硅片绒面的SEM扫描图；（放大5K倍）
图4是本发明实施例二中多晶硅绒面与常规酸腐蚀制备的多晶硅绒面的反射光谱对比图；
图5是本发明实施例三中多晶硅硅片绒面的SEM扫描图；（放大5K倍）
图6是本发明实施例三中多晶硅绒面与常规酸腐蚀制备的多晶硅绒面的反射光谱对比图；
图7是本发明实施例四中多晶硅硅片绒面的SEM扫描图；（放大5K倍）
图8是本发明实施例四中多晶硅硅片绒面进行修正刻蚀的SEM扫描图；（放大50K倍）
图9是本发明对比例二中未进行修正刻蚀与实施例四进行修正刻蚀后的多晶硅绒面的反射光谱对比图；
图10是本发明对比例二中多晶硅硅片绒面未进行修正刻蚀后的SEM扫描图；（放大5K倍）
图11是本发明对比例二中多晶硅硅片绒面进行未进行修正刻蚀后的SEM扫描图。（放大50K倍）
图12是本发明实施例五中单晶硅硅片绒面的SEM扫描图；（放大5K倍）
图13是本发明实施例五中单晶硅硅片绒面的SEM扫描图；（放大50K倍）
图14是本发明对比例三中未进行修正刻蚀与实施例五进行修正刻蚀后的单晶硅绒面的反射光谱对比图；
图15是本发明对比例三中单晶硅硅片绒面未进行修正刻蚀后的SEM扫描图；（放大5K倍）
图16是本发明对比例三中单晶硅硅片绒面进行未进行修正刻蚀后的SEM扫描图。（放大50K倍）。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实施例一
一种多晶硅太阳电池的绒面结构的制备方法，包括如下步骤：
(1) 将厚度为180±10μm，大小为156mm×156mm的P型多晶硅片损伤层去除并清洗干净后，腐蚀制绒，形成微米级绒面；然后投入到浓度为0.008mol/L的AgNO3溶液中，于20℃条件下反应60 s；
(2) 将上步完成后的硅片放入HF与H2O2的混合溶液中，其浓度分别为3mol/L，0.1mol/L，于20℃条件下反应300 s；
(3) 将上步完成后的硅片放入质量百分比为69%硝酸溶液中清洗300 s，清洗温度为20℃；
(4) 将上步完成后的硅片放入质量百分比为5%氢氟溶液中清洗200 s，清洗温度为20℃；
(5) 将上步完成后的硅片放入0.05mol/L的KOH溶液中，于20℃条件下反应300s；
(6) 清洗、甩干，即可得到所述多晶硅太阳能电池的绒面结构。
本实施例所制得的多晶硅太阳电池的绒面结构的尺寸在100~200nm之间（见图1所示），在400~1050nm波长范围内其表面平均反射率为13.4%。
对比例一
一种多晶硅太阳电池的绒面结构的制备方法，包括如下步骤：
(1) 将厚度为180±10μm，大小为156mm×156mm的P型多晶硅片损伤层去除并清洗干净后，腐蚀制绒，形成微米级绒面；
(2) 清洗、甩干，即可得到所述多晶硅太阳能电池的绒面结构。
实施例一中多晶硅绒面与对比例一中常规酸腐蚀制备的多晶硅绒面的反射光谱对比图参见图2所示。
实施例二
一种多晶硅太阳电池的绒面结构的制备方法，包括如下步骤：
（1）将厚度为180±10μm，大小为156mm×156mm的P型多晶硅片损伤层去除并清洗干净后，腐蚀制绒，形成微米级绒面；
然后投入到浓度为0.008mol/L的AgNO3溶液中，于20℃条件下反应60s；
（2）将上步完成后的硅片放入HF与H2O2的混合溶液中，其浓度分别为3mol/L，0.1mol/L，于20℃条件下反应300s；
（3）将上步完成后的硅片放入质量百分比为69%硝酸溶液中清洗300s，清洗温度为20℃；
（4）将上步完成后的硅片放入质量百分比为5%氢氟溶液中清洗200s，清洗温度为20℃；
（5）将上步完成后的硅片放入0.025mol/L的四甲基氢氧化铵溶液（TMAH溶液）中，于20℃条件下反应300s；
（6）将上步完成后的硅片用去离子水冲洗干净并甩干。
本实施例所制得的多晶硅太阳电池绒面微结构尺寸在150~300 nm之间（见图3所示），在400~1050 nm的波长范围内其表面平均反射率为12.1%。
实施例二中多晶硅绒面与对比例一中常规酸腐蚀制备的多晶硅绒面的反射光谱对比图参见图4所示。
实施例三
一种多晶硅太阳电池的绒面结构的制备方法，包括如下步骤：
(1) 将厚度为180±10μm，大小为156mm×156mm的P型多晶硅片损伤层去除并清洗干净后，腐蚀制绒，形成微米级绒面；
然后投入到浓度为0.008mol/L的AgNO3溶液中，于20℃条件下反应60s；
（2）将上步完成后的硅片放入HF与H2O2的混合溶液中，其浓度分别为3mol/L，0.1mol/L，于20℃条件下反应300s；
（3）将上步完成后的硅片放入质量百分比为69%硝酸溶液中清洗300s，清洗温度为20℃；
（4）将上步完成后的硅片放入质量百分比为5%氢氟溶液中清洗200s，清洗温度为20℃；
（5）将上步完成后的硅片放入HF与HNO3的混合溶液种，其浓度分别为0.1mol/L，5mol/L，于20℃条件下反应150s；
（6）将上步完成后的硅片用去离子水冲洗干净并甩干。
本实施例所制得的多晶硅太阳电池绒面微结构尺寸在150~300nm之间（见图5所示），在400~1050 nm波长范围内其表面平均反射率为10%。
实施例三中多晶硅绒面与对比例一中常规酸腐蚀制备的多晶硅绒面的反射光谱对比图参见图6所示。
实施例四
一种多晶硅太阳电池的绒面结构的制备方法，包括如下步骤：
(1) 将厚度为180±10μm，大小为156mm×156mm的P型多晶硅片损伤层去除并清洗干净后，腐蚀制绒，形成微米级绒面；
然后投入到浓度为0.008mol/L的AgNO3溶液中，于20℃条件下反应120s；
（2）将上步完成后的硅片放入HF与H2O2的混合溶液中，其浓度分别为3mol/L，0.1mol/L，于20℃条件下反应600s；
（3）将上步完成后的硅片放入质量百分比为69%硝酸溶液中清洗300s，清洗温度为20℃；
（4）将上步完成后的硅片放入质量百分比为5%氢氟溶液中清洗200s，清洗温度为20℃；
（5）将上步完成后的硅片放入0.025mol/L的TMAH溶液中，于20℃条件下反应300s；
（6）将上步完成后的硅片用去离子水冲洗干净并甩干。
对比例二
一种多晶硅太阳电池的绒面结构的制备方法，包括如下步骤：
(1) 将厚度为180±10μm，大小为156mm×156mm的P型多晶硅片损伤层去除并清洗干净后，腐蚀制绒，形成微米级绒面；然后投入到浓度为0.008mol/L的AgNO3溶液中，于20℃条件下反应60 s；
(2) 将上步完成后的硅片放入HF与H2O2的混合溶液中，其浓度分别为3mol/L，0.1mol/L，于20℃条件下反应300 s；
(3) 将上步完成后的硅片放入质量百分比为69%硝酸溶液中清洗300 s，清洗温度为20℃；
(4) 将上步完成后的硅片放入质量百分比为5%氢氟溶液中清洗200 s，清洗温度为20℃；
(5) 清洗、甩干，即可得到所述多晶硅太阳能电池的绒面结构。
实施例四中，经过NaOH溶液修正刻蚀后的多晶硅太阳电池的绒面结构的尺寸在150~300nm之间（见图7、8所示），在400~1050nm波长范围内其表面平均反射率为15.6%（见图9所示）。
对比例二中未进行修正刻蚀而制得的纳米绒面结构为纳米深孔状结构，孔径只有50nm左右（见图10、11所示），在400~1050nm波长范围内其表面平均反射率为5.9%（见图9所示）。所述未进行修正刻蚀是如中国发明专利申请CN102610692A公开的方法，其制得的纳米-微米复合绒面结构没有上述步骤(5)的修正刻蚀。
实施例五
一种单晶硅太阳电池纳米绒面制备方法，包括如下步骤：
（1）将厚度为180±10μm，大小为156mm×156mm的P型单晶硅片损伤层去除并清洗干净后，腐蚀制绒，形成微米级绒面；然后投入到浓度为0.008mol/L的AgNO3溶液中，于20℃条件下反应120 s；
（2）将上步完成后的硅片放入HF与H2O2的混合溶液中，其浓度分别为3mol/L,0.1mol/L,与20℃条件下反应600s；
（3）将上步完成后的硅片放入质量百分比为69%硝酸溶液中清洗300s，清洗温度为20℃；
（4）将上步完成后的硅片放入质量百分比为5%氢氟溶液中清洗200s，清洗温度为20℃；
（5）将上步完成后的硅片放入0.025mol/L的TMAH溶液中，与20℃条件下反应300s；
（6）将上步完成后的硅片用去离子水冲洗干净并甩干。
对比例三
一种单晶硅太阳电池的绒面结构的制备方法，包括如下步骤：
（1）将厚度为180±10μm，大小为156mm×156mm的P型单晶硅片损伤层去除并清洗干净后，腐蚀制绒，形成微米级绒面；然后投入到浓度为0.008mol/L的AgNO3溶液中，于20℃条件下反应120 s；
（2）将上步完成后的硅片放入HF与H2O2的混合溶液中，其浓度分别为3mol/L,0.1mol/L,与20℃条件下反应600s；
（3）将上步完成后的硅片放入质量百分比为69%硝酸溶液中清洗300s，清洗温度为20℃；
（4）将上步完成后的硅片放入质量百分比为5%氢氟溶液中清洗200s，清洗温度为20℃；
（5）清洗、甩干，即可得到所述单晶硅太阳能电池的绒面结构。
实施例五中，经过NaOH溶液修正刻蚀后的单晶硅太阳电池的绒面结构的尺寸在150~300nm之间（见图12、13所示），在400~1050nm波长范围内其表面平均反射率为6.4%（见图14所示）。
对比例三中未进行修正刻蚀而制得的纳米绒面结构为纳米深孔状结构，孔径只有50nm左右（见图15、16所示），在400~1050nm波长范围内其表面平均反射率为5.0%（见图14所示）。所述未进行修正刻蚀是如中国发明专利申请CN102610692A公开的方法，其制得的纳米-微米复合绒面结构没有上述步骤(5)的修正刻蚀。
Claims (6)
1.一种晶体硅太阳能电池的绒面结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1) 将多晶硅硅片进行清洗、腐蚀制绒，形成微米级绒面；
(2) 将上述硅片放入含有金属离子的溶液中浸泡，使硅片表面涂覆一层金属纳米颗粒；
所述金属离子选自金离子、银离子和铜离子中的一种；
(3) 用第一化学腐蚀液腐蚀硅片表面，形成纳米级绒面；
所述第一化学腐蚀液选自以下混合溶液中的一种：HF与H2O2的混合溶液、HF与HNO3的混合溶液、HF与H2CrO4的混合溶液；
其中，HF的浓度为1~15 mol/L，H2O2、HNO3或H2CrO4的浓度为0.05~0.5 mol/L；
(4) 分别用第一清洗液、第二清洗液、去离子水清洗上述硅片，去除金属颗粒；
所述第一清洗液为质量百分比为27~69%的硝酸溶液，清洗时间为60~1200秒，清洗温度为5~85℃；
所述第二清洗液为质量百分比为1~10%的氢氟酸溶液，清洗时间为60~600秒，清洗温度为5~45℃；
(5) 将上述硅片放入第二化学腐蚀液中进行微结构修正刻蚀；
所述第二化学腐蚀液选自以下溶液中的一种：NaOH溶液、KOH溶液、四甲基氢氧化铵溶液、HNO3与HF酸的混合溶液；
当选自NaOH溶液时，其浓度为0.001~0.1 mol/L，反应时间为10~1000秒，反应温度为5~85℃；
当选自KOH溶液时，其浓度为0.001~0.1 mol/L，反应时间为10~1000秒，反应温度为5~85℃；
当选自四甲基氢氧化铵溶液时，其浓度为0.001~0.1 mol/L，反应时间为10~1000秒，反应温度为5~85℃；
当选自HNO3与HF酸的混合溶液时，HF与HNO3的浓度分别为0.05~0.5 mol/L、1~10 mol/L，反应时间为10~1000秒，反应温度为5~45℃；
(6) 清洗、甩干，即可得到所述晶体硅太阳能电池的绒面结构。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的纳米级金属颗粒的浓度为0.0001~0.1 mol/L。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，浸泡时间为10~1000秒，溶液温度为5~85℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)的腐蚀时间为30~3000秒，反应温度为5~45℃。
5.根据权利要求1所述的制备方法得到的晶体硅太阳能电池的绒面结构。
6.根据权利要求5所述的晶体硅太阳能电池的绒面结构，其特征在于：所述晶体硅太阳能电池为多晶硅太阳能电池，其绒面结构的反射率为12%~20%。
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