CN103390688A

CN103390688A - 一种太阳能电池表面覆膜结构的制备方法

Info

Publication number: CN103390688A
Application number: CN2012101459928A
Authority: CN
Inventors: 来五星; 汪小涛; 史铁林; 徐国强; 张伟
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2013-11-13

Abstract

本发明公开了一种太阳能电池表面覆膜结构的制备方法，包括：将硅片置于丙酮中，超声振动8～12分钟以去除有机油脂，然后用大量去离子水冲洗，将硅片置于浓硫酸与双氧水的混合溶液中处理，以清除有机残留物，并用大量去离子水冲洗，将冲洗后的硅片浸泡在浓度为2%的氢氟酸溶液中，取出硅片并用大量去离子水冲洗，以除去表面氧化膜，将冲洗后的硅片用氮气吹干备用，在室温状态下，将冲洗后的硅片浸入氢氟酸和硝酸银的混合液中刻蚀2～60分钟，以在硅片表面覆盖一层表面疏松的金属包覆物，采用清洗液浸泡硅片5～10分钟，以去除金属包覆物，用大量去离子水将硅片冲洗干净，用氮气将硅片吹干后备用。本发明疏水性较好，适合应用于大规模工业化生产中。

Description

一种太阳能电池表面覆膜结构的制备方法

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，更具体地，涉及一种太阳能电池表面覆膜结构的制备方法。

背景技术

进入21世纪，世界人口的剧烈增长和环境污染的日益严重，还有能源的枯竭以及生态环境的破坏，使人类对能源尤其是清洁的新能源的开发利用有了更大的需求。太阳能是一种可再生能源，并且具有取之不尽，能源含量巨大，使用安全等优点，在全球节约能源和温室气体减排的呼声不断增大的形势下，具有强大的竞争力。而太阳能电池是开发利用太阳能最有效的方法之一。近年来太阳能电池的产量以每年30%的速度增长。预计到本世纪中叶，它将占世界总发电量的15～20%。太阳能电池是利用太阳光和材料相互作用直接产生电能的，是对环境无污染的可再生能源。它的应用可以解决人类社会发展在能源需求方面的问题。

太阳能电池能成功应用的三个因素涉及到工艺、转换效率和稳定性。在这三个方面，需要达到一定的协同性，才能意味着一个产品的成功。目前，研究人员对这三个方面各有倚重，认为在某一方面领域的突破可以取得太阳能电池应用方面的前进，但这是一个缓慢而且艰难的过程，而且任何一方面的突破都不能自发导致在其它领域的突破。为了推动太阳能电池的发展，开始有研究人员将方向转换到太阳能电池的表面结构上，期冀通过对表面结构的修正处理，使得太阳能电池在工艺、转换效率和稳定性上具有一定的协同性，符合基本的实用化要求。太阳能电池表面结构是外部环境和内部结构之间的媒介，外界环境的光、热、灰尘、外部力等因素都会通过表面来对太阳能电池产生作用，从而进一步影响了太阳能电池的转换效率和稳定性。在温度一定时，太阳能辐照度与太阳能电池的功率成正比。因此，能有效的吸收太阳能光谱能提高太阳能电池转换率。而且太阳能电池板一般安装在建筑物屋顶，由于户外环境比较恶劣，必然会加速太阳能电池的老化，而且在电池板表面会堆积尘埃，降低了太阳能电池的转换效率和稳定性。因此，对太阳能电池结构表面进行构造，使其具有自清洁、稳定性好，而且对不同波长的太阳光具有良好的光吸收性。

当前关于太阳能表面结构的研究中，现有制备表面覆膜结构的方法主要有制绒技术，通过酸或碱处理在硅片表面形成金字塔状绒面，从而提高陷光作用，降低表面反射率。但是该方法无法形成超疏水表面，而且工艺条件不易控制，制绒结果也难以保障。通过在硅片表面镀单层或多层膜来实现梯度折射率从而减小反射是另一种表面覆膜结构制备方法，但是该方法所需用到的镀膜工艺复杂，一般需要镀制多层结构，导致难度增大，成本增加，表面结构复杂，且难以在宽光谱多角度范围有效减小折射率。利用电子束刻蚀制备高深宽比的硅纳米线模板可以获得同时具有低反射和超疏水性的太阳能电池表面结构，但是，该方法所需设备昂贵，工艺条件复杂，成本太高，因此很难形成大规模应用。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种太阳能电池表面覆膜结构的制备方法，其具有生产成本低、工艺过程环境友好、使用设备简便、操作简易、有效降低在宽光谱范围内的反射、疏水性较好的优点，适合应用于大规模工业化生产中。

为实现上述目的，本发明提供了一种太阳能电池表面覆膜结构的制备方法，包括以下步骤：

（1）将硅片置于丙酮中，超声振动8～12分钟以去除有机油脂，然后用大量去离子水冲洗；

（2）将硅片置于浓硫酸与双氧水的混合溶液中处理10～20分钟，以清除有机残留物，并用大量去离子水冲洗；

（3）将冲洗后的硅片浸泡在浓度为2%的氢氟酸溶液中1-2分钟，取出硅片并用大量去离子水冲洗，以除去表面氧化膜；

（4）将冲洗后的硅片用氮气吹干备用；

（5）在室温状态下，将冲洗后的硅片浸入氢氟酸和硝酸银的混合液中刻蚀2～60分钟，以在硅片表面覆盖一层表面疏松的金属包覆物；

（6）采用清洗液浸泡硅片5～10分钟，以去除金属包覆物；

（7）用大量去离子水将硅片冲洗干净，用氮气将硅片吹干后备用。

硅片为p型或n型单晶硅片，晶向为100，硅片电阻率为1～20Ω·cm，厚度为50～500μm。

步骤（2）中的处理温度为80～110℃，浓硫酸与双氧水的体积比为3～4：1。

氢氟酸的浓度为4.5mol/L～5.5mol/L，硝酸银的浓度为0.015mol/L～0.025mol/L。

清洗液为氨水和双氧水的混合溶液，其中氨水和双氧水的体积比为3～4：1。

清洗液为浓硝酸溶液。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

（1）本发明在室温下采用混合刻蚀液对硅片进行处理，反应条件和操作设备简单，对环境要求和操作人员要求简单，工艺过程控制性很高，能够满足大规模工业化生产的要求。

（2）本发明多次采用化学方法进行处理，在完成多功能结构的制备时，并不需要复杂的镀膜工艺或光刻工艺，在大面积制备功能性结构时有效降低了晶体硅太阳能电池的生产成本。

（3）本发明采用简单工艺制备太阳能电池表面覆膜结构，其具有多角度宽光谱的低反射性和超疏水性，表面结构在光谱范围为450～790nm时，光反射低于5%，光谱范围涵盖大部分可见光波段，具有较宽的光吸收波谱。

（4）本发明在单层结构上同时具有减反性和疏水性功能的结合，接触角达到149.7°，在提高太阳能电池光吸收性增强电池光电转换效率的同时可以有效提高超疏水性，使太阳能电池在户外工作时可以对表面积尘进行清除，提高对环境的适应性。

附图说明

图1是本发明太阳能电池表面覆膜结构的制备方法的流程图。

图2为本发明实施例一的太阳能电池表面覆膜结构的电镜图。

图3为本发明实施例二的太阳能电池表面覆膜结构的电镜图。

图4为本发明实施例三的太阳能电池表面覆膜结构的电镜图。

图5为本发明实施例四的太阳能电池表面覆膜结构的电镜图。

图6是本发明方法在不同刻蚀时间后的光谱性能比较曲线。

图7是本发明方法在刻蚀60分钟后的接触角测量图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明太阳能电池表面覆膜结构的制备方法包括以下步骤：

（1）将硅片置于丙酮中，超声振动8～12分钟以去除有机油脂，然后用大量去离子水冲洗；在本实施方式中，硅片为p型或n型单晶硅片，晶向为100，硅片电阻率为1～20Ω·cm，厚度为50～500μm；

（2）将硅片置于浓硫酸与双氧水的混合溶液中处理10～20分钟，以清除有机残留物，并用大量去离子水冲洗，其中处理温度为80～110℃，浓硫酸与双氧水的体积比为3～4：1；

（4）将冲洗后的硅片用氮气吹干备用；

（5）在室温状态下，将冲洗后的硅片浸入氢氟酸和硝酸银的混合液中刻蚀2～60分钟，以在硅片表面覆盖一层表面疏松的金属包覆物，其中氢氟酸的浓度为4.5mol/L～5.5mol/L，硝酸银的浓度为0.015mol/L～0.025mol/L；

（6）采用清洗液浸泡硅片5～10分钟，以去除金属包覆物，在本实施方式中，清洗液可为氨水和双氧水的混合溶液，其中氨水和双氧水的体积比为3～4：1，或者是浓硝酸溶液；

（7）用大量去离子水将硅片冲洗干净，用氮气将硅片吹干后备用，以生成太阳能电池表面覆膜结构。制得的太阳能电池表面覆膜结构具有多角度宽光谱的低反射性和超疏水性。

实施例1

首先，将硅片置于丙酮中，超声振动8分钟以去除有机油脂，然后用大量去离子水冲洗，然后将硅片置于浓硫酸与双氧水的混合溶液中处理10分钟，以清除有机残留物，并用大量去离子水冲洗，其中处理温度为80℃，浓硫酸与双氧水的体积比为3：1，然后将冲洗后的硅片浸泡在浓度为2%的氢氟酸溶液中1分钟，取出硅片并用大量去离子水冲洗，以除去表面氧化膜，其后，将冲洗后的硅片用氮气吹干备用，然后，在室温状态下，将冲洗后的硅片浸入氢氟酸和硝酸银的混合液中刻蚀2分钟，以在硅片表面覆盖一层表面疏松的金属包覆物，其中氢氟酸的浓度为5mol/L，硝酸银的浓度为0.02mol/L，然后，采用氨水和双氧水的混合溶液浸泡硅片5分钟，以去除金属包覆物，最后，用大量去离子水将硅片冲洗干净，用氮气将硅片吹干后备用，以生成太阳能电池表面覆膜结构。

如图2所示，硅片表面形成了大面积的纳米线结构，但是由于刻蚀时间较短，纳米线长度较短。

实施例2

首先，将硅片置于丙酮中，超声振动8分钟以去除有机油脂，然后用大量去离子水冲洗，然后将硅片置于浓硫酸与双氧水的混合溶液中处理10分钟，以清除有机残留物，并用大量去离子水冲洗，其中处理温度为80℃，浓硫酸与双氧水的体积比为3：1，然后将冲洗后的硅片浸泡在浓度为2%的氢氟酸溶液中1分钟，取出硅片并用大量去离子水冲洗，以除去表面氧化膜，其后，将冲洗后的硅片用氮气吹干备用，然后，在室温状态下，将冲洗后的硅片浸入氢氟酸和硝酸银的混合液中刻蚀10分钟，以在硅片表面覆盖一层表面疏松的金属包覆物，其中氢氟酸的浓度为5mol/L，硝酸银的浓度为0.02mol/L，然后，采用氨水和双氧水的混合溶液浸泡硅片5分钟，以去除金属包覆物，最后，用大量去离子水将硅片冲洗干净，用氮气将硅片吹干后备用，以生成太阳能电池表面覆膜结构。

如图3所示，可以看到硅片表面形成了较长的纳米线结构，且大面积上均匀分布，单根纳米线线径在100nm左右，纳米线平均长度为2μm左右。

实施例3

首先，将硅片置于丙酮中，超声振动8分钟以去除有机油脂，然后用大量去离子水冲洗，然后将硅片置于浓硫酸与双氧水的混合溶液中处理10分钟，以清除有机残留物，并用大量去离子水冲洗，其中处理温度为80℃，浓硫酸与双氧水的体积比为3：1，然后将冲洗后的硅片浸泡在浓度为2%的氢氟酸溶液中1分钟，取出硅片并用大量去离子水冲洗，以除去表面氧化膜，其后，将冲洗后的硅片用氮气吹干备用，然后，在室温状态下，将冲洗后的硅片浸入氢氟酸和硝酸银的混合液中刻蚀30分钟，以在硅片表面覆盖一层表面疏松的金属包覆物，其中氢氟酸的浓度为5mol/L，硝酸银的浓度为0.02mol/L，然后，采用氨水和双氧水的混合溶液浸泡硅片5分钟，以去除金属包覆物，最后，用大量去离子水将硅片冲洗干净，用氮气将硅片吹干后备用，以生成太阳能电池表面覆膜结构。

如图4所示，硅片表面形成的大面积均匀纳米线结构非常清晰，单根纳米线线径在60nm左右，平均长度在10μm左右。

实施例4

首先，将硅片置于丙酮中，超声振动8分钟以去除有机油脂，然后用大量去离子水冲洗，然后将硅片置于浓硫酸与双氧水的混合溶液中处理10分钟，以清除有机残留物，并用大量去离子水冲洗，其中处理温度为80℃，浓硫酸与双氧水的体积比为3：1，然后将冲洗后的硅片浸泡在浓度为2%的氢氟酸溶液中1分钟，取出硅片并用大量去离子水冲洗，以除去表面氧化膜，其后，将冲洗后的硅片用氮气吹干备用，然后，在室温状态下，将冲洗后的硅片浸入氢氟酸和硝酸银的混合液中刻蚀60分钟，以在硅片表面覆盖一层表面疏松的金属包覆物，其中氢氟酸的浓度为5mol/L，硝酸银的浓度为0.02mol/L，然后，采用氨水和双氧水的混合溶液浸泡硅片5分钟，以去除金属包覆物，最后，用大量去离子水将硅片冲洗干净，用氮气将硅片吹干后备用，以生成太阳能电池表面覆膜结构。

如图5所示，硅片表面形成了大面积有序高深宽比的纳米线结构，平均长度为14μm左右，单根纳米线线径为40nm左右。

从图6中可以看出，采用本发明实施方法对硅片进行一定时间刻蚀后，硅片表面的反射率显著降低，未刻蚀的清洁硅片表面反射率为30%以上，经2～5分钟的刻蚀后，表面反射率在10%左右，随着刻蚀时间的增长，硅片表面反射率进一步降低，50分钟的刻蚀时间后，反射率仅为3%左右。

从图7可以看到，采用本发明实施方法对硅片进行60分钟的刻蚀后，经测量，硅片表面接触角高达149.7°，具有非常好的疏水性。

本发明在室温下通过湿法化学刻蚀的方式在单层结构上实现了减反性和疏水性功能的结合，能有效提高太阳能电池的光吸收性，同时具备良好的疏水性，可以有效对表面积尘进行清除，提高对环境的适应性。本发明可用于太阳能电池表面结构或封装结构，可以提高太阳能电池效率和使用性能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种太阳能电池表面覆膜结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（4）将冲洗后的硅片用氮气吹干备用；

（6）采用清洗液浸泡硅片5～10分钟，以去除金属包覆物；

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，硅片为p型或n型单晶硅片，晶向为100，硅片电阻率为1～20Ω·cm，厚度为50～500μm。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中的处理温度为80～110℃，浓硫酸与双氧水的体积比为3～4：1。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，氢氟酸的浓度为4.5mol/L～5.5mol/L，硝酸银的浓度为0.015mol/L～0.025mol/L。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，清洗液为氨水和双氧水的混合溶液，其中氨水和双氧水的体积比为3～4：1。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，清洗液为浓硝酸溶液。