CN103647000B - 一种晶体硅太阳电池表面织构化工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种晶体硅太阳电池表面织构化工艺，包括以下步骤：（1）采用浓度为2%~10%的NaOH溶液去除硅片表面的机械损伤层；（2）将浓度为0.001%~0.005%AgNO3溶液和浓度为0.2~1%的HF溶液混合，混合之后的溶液沉积纳米银颗粒至硅片表面；（3）将浓度为10%~15% HF溶液与浓度为2%~5% H2O2溶液混合，混合之后的溶液与沉积有纳米银颗粒的硅片反应，在纳米银颗粒周围的硅片上形成孔洞；（4）用浓HNO3溶液去除硅片表面孔洞内残留的纳米银颗粒；（5）用浓度为5%~10%的HF溶液去除硅片表面的氧化层。本发明采用上述方法，能够减少反射损失，提高电池转化效率。
Description
技术领域
本发明涉及晶体硅太阳电池领域，具体是一种晶体硅太阳电池表面织构化工艺。
背景技术
随着光伏行业需求不断增大和供给竞争日趋激烈，开发高转换效率和可靠性、低成本的太阳电池已成为行业发展的必然趋势。现阶段晶硅太阳能行业内在原有p型多晶硅基础上通过应用PERL、SE、EWT、MWT、IBC、HIT等新结构和n型单晶硅、微晶硅、非晶硅等新材料，已将太阳电池的转化效率提高到24%以上；但随之引入的对原材料和工艺流程的苛刻要求造成电池成本的不断攀升，给产品的性价比以及市场竞争力带来极大压力。在转化效率提升和成本增加之间如何取得最佳的平衡，是光伏行业所面临的巨大挑战。
为了减少晶体硅太阳电池的光学损失、提高转换效率，表面织构化、双层减反膜太阳电池、背面接触太阳电池、双面电池等新技术不断被引入。其中表面织构化是一种被广泛采用且有效的方法。常见的表面织构化技术可以在晶体硅表面形成各向异性的金字塔结构（碱处理）、各向同性的蠕虫结构（酸处理）和倒金字塔结构（激光处理）等，它们不仅可以降低硅片的表面反射率，还可以在硅片内部形成光陷阱，从而提高短路电流，达到提升转化效率的目的。
传统的表面织构化技术形成的表面微观结构（如PERL电池采用的倒金字塔结构以及近年来提出的蜂巢型结构）多为微米尺度，通过入射光在表面结构中的多次反射增加入射光的吸收，从而减少反射损失。理论计算表明，在表面微观结构尺度远大于入射光波长（太阳光谱能量集中区域约为380nm-800nm范围）的情况下，入射光的反射损失与尺度无关。当表面微观结构尺度位于与入射光波长可比拟的范围内，由于光子与表面微观结构的强烈相互作用，反射损失可大大降低。
微米尺度的表面织构化技术中，倒金字塔结构虽被证明具有最佳的减反效果，但其高昂的制备成本严重制约了它在大规模生产中的应用，目前该方法仅被实验室采用；酸处理和碱处理虽采用湿化学法，成本较低，但其减反效果不佳，未能最大幅度减小入射光的反射损失。
纳米尺度的表面织构化技术中由于飞秒激光器或等离子体源及腔室成本极高，虽可大幅降低入射光的反射损失，但同时也增加太阳电池的生产成本，并且在减少反射增加吸收的同时，这些技术对硅片表面会造成严重的损伤，在其表面和近表面区域产生大量缺陷，极大地增加了对光生载流子的复合作用，形成“死层”，降低电池的转化效率。如果将这些技术应用于常规太阳电池工艺，为了提高电池效率，要求硅片衬底具有很高的少数载流子寿命和扩散长度（n型单晶硅片），电池的生产成本也会大大增加。
发明内容
本发明提供了一种晶体硅太阳电池表面织构化工艺，解决了传统的太阳电池表面织构化工艺无法减少反射损失，导致电池转化效率不高的问题。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种晶体硅太阳电池表面织构化工艺，包括以下步骤：
（1）采用浓度为2%~10%的NaOH溶液去除硅片表面的机械损伤层，反应时间为20~40秒；
（2）将浓度为0.001%~0.005%AgNO3溶液和浓度为0.2~1%的HF溶液混合，混合之后的溶液沉积纳米银颗粒至硅片表面，反应时间为60~100秒；
（3）将浓度为10%~15% HF溶液与浓度为2%~5% H2O2溶液混合，混合之后的溶液与沉积有纳米银颗粒的硅片反应，在纳米银颗粒周围的硅片上形成孔洞，反应时间为30~50秒；
（4）用浓HNO3溶液去除硅片表面孔洞内残留的纳米银颗粒，反应时间为100~150秒；
（5）用浓度为5%~10%的HF溶液去除硅片表面的氧化层，反应时间为10~20秒。
进一步地，所述步骤（1）中NaOH溶液的温度为60~100℃。
进一步地，所述步骤（2）中AgNO3溶液的浓度为0.001%~0.003%，HF溶液的浓度为0.5%~0.8%。
进一步地，所示步骤（3）中HF溶液的浓度为10%~13%，H2O2溶液的浓度为3%~4%。
进一步地，所述步骤（3）中形成的孔洞的直径为50~100nm，深度为200~300nm。
进一步地，所述步骤（3）中相邻孔洞的间距为100~200nm。因为太阳光谱能量集中区域约在380nm-800nm的范围，在步骤（3）中形成的表面微观结构（直径50~100nm、深度200~300nm、间距100~200nm）尺度位于与入射光波长可比拟的范围内，由于光子与表面微观结构的强烈相互作用，反射损失可大大降低，从而增强太阳能电池对光吸收，提高电池的转化效率。
进一步地，所述步骤（4）中的反应时间为120~150秒。
进一步地，所述步骤（5）中HF溶液的浓度为5%~6%。
本发明具有以下有益效果：
（1）相比较常规的太阳电池表面织构化工艺，本发明通过形成纳米尺度的表面结构（孔洞的直径50~100nm、深度200~300nm、间距100~200nm），孔的尺度位于与入射光波长（380nm-800nm）可比拟的范围内，由于光子与表面微观结构的强烈相互作用，反射损失可大大降低，增强入射光的吸收，减少反射损失，提高了光生载流子的浓度和收集，提高电池转化效率。
（2）本发明制得的纳米尺度表面结构无论是孔径、孔深、或是孔与孔之间的间距在尺度上具有一定的随机性，能使较宽波长范围的入射光吸收在近表面处，便于p-n结对光生载流子的分离和收集，对硅衬底的少数载流子寿命和扩散长度要求比较宽松，让低成本硅片的使用成为可能，可大幅降低太阳电池的生产成本。
（3）本发明使用太阳能制造行业传统的制绒设备就完全可以实现，所以和传统的太阳电池设备完全兼容，不需要增加设备，工艺成本很低，产能与传统工艺保持一致，具有良好的产业化前景。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图；
图2为常规工艺与本发明制得的电池表面结构的反射率测量结果。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。
实施例
如图1所示，本实施例的大致方向是，首先采用NaOH溶液将硅片表面的机械损伤层去除掉；然后，将AgNO3溶液和HF溶液混合，得到银颗粒，并沉积在硅片表面；接着，将HF溶液和H2O2溶液混合，然后与硅片反应，在硅片上形成孔洞；再通过浓HNO3溶液将孔洞内的银颗粒去除；最后用HF溶液将硅片表面的氧化层去除。
下面是具体的操作步骤：
（1）采用浓度为2%~10%的NaOH溶液去除硅片表面的机械损伤层，反应时间为20~40秒；
（2）将浓度为0.001%~0.005%AgNO3溶液和浓度为0.2~1%的HF溶液混合，混合之后的溶液沉积纳米银颗粒至硅片表面，反应时间为60~100秒；
（3）将浓度为10%~15% HF溶液与浓度为2%~5% H2O2溶液混合，混合之后的溶液与沉积有纳米银颗粒的硅片反应，在纳米银颗粒周围的硅片上形成孔洞，反应时间为30~50秒；
（4）用浓HNO3溶液去除硅片表面孔洞内残留的纳米银颗粒，反应时间为100~150秒；
（5）用浓度为5%~10%的HF溶液去除硅片表面的氧化层，反应时间为10~20秒。
选用六组不同的溶液浓度，按照上面的步骤进行操作，得到硅片的孔洞大小如表1所示。
表1 不同溶液浓度下得到的孔洞尺寸大小
由表1可知，通过上述步骤得到的孔洞，其直径为50~100nm、深度为200~300nm、间距为100~200nm，这些尺寸与入射光波长（380nm-800nm）属于同一数量级，具有可比拟性，在此情况下，光子与表面微观结构的强烈相互作用，反射损失可大大降低，增强入射光的吸收，减少反射损失，提高了光生载流子的浓度和收集，提高电池转化效率。
为了验证本实施例得到的硅片结构是否能够减少反射损失，本实施例与常规的晶体硅太阳电池表面织构化工艺做对比，得出图2所示的反射率测量结果，图2中，横坐标为入射光波长，纵坐标为硅片对入射光的反射率，上方的曲线为常规的晶体硅太阳电池表面织构化工艺得到的硅片所测出的反射率，而下方的曲线为本实施例获得的硅片所测出的反射率，从图2中不难看出，本实施例获得的硅片相对于常规的晶体硅太阳电池表面织构化工艺得到的硅片而言，其反射率明显降低，尤其是在波长为380nm~800nm时。由此可见，通过本方法，降低了硅片的反射损失，从而提高了电池的转化效率。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外，本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。
Claims (6)
1.一种晶体硅太阳电池表面织构化工艺，其特征在于：包括以下步骤：
（1）采用浓度为2%~10%的NaOH溶液去除硅片表面的机械损伤层，反应时间为20~40秒；
（2）将浓度为0.001%~0.005%AgNO3溶液和浓度为0.2~1%的HF溶液混合，混合之后的溶液沉积纳米银颗粒至硅片表面，反应时间为60~100秒；
（3）将浓度为10%~15% HF溶液与浓度为2%~5% H2O2溶液混合，混合之后的溶液与沉积有纳米银颗粒的硅片反应，在纳米银颗粒周围的硅片上形成孔洞，反应时间为30~50秒；
（4）用浓HNO3溶液去除硅片表面孔洞内残留的纳米银颗粒，反应时间为100~150秒；
（5）用浓度为5%~10%的HF溶液去除硅片表面的氧化层，反应时间为10~20秒；
所述步骤（3）中形成的孔洞的直径为50~100nm，深度为200~300nm；
所述步骤（3）中相邻孔洞的间距为100~200nm。
2.根据权利要求1所述的一种晶体硅太阳电池表面织构化工艺，其特征在于：所述步骤（1）中NaOH溶液的温度为60~100℃。
3.根据权利要求1所述的一种晶体硅太阳电池表面织构化工艺，其特征在于：所述步骤（2）中AgNO3溶液的浓度为0.001%~0.003%，HF溶液的浓度为0.5%~0.8%。
4.根据权利要求1所述的一种晶体硅太阳电池表面织构化工艺，其特征在于：所示步骤（3）中HF溶液的浓度为10%~13%，H2O2溶液的浓度为3%~4%。
5.根据权利要求1所述的一种晶体硅太阳电池表面织构化工艺，其特征在于：所述步骤（4）中的反应时间为120~150秒。
6.根据权利要求1所述的一种晶体硅太阳电池表面织构化工艺，其特征在于：所述步骤（5）中HF溶液的浓度为5%~6%。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 硅碳纳料材料在纳米发电机中的应用研究;阙荣辉;《中国博士学位论文全文数据库工程科技II辑》;20120915;正文第1-101页 * |
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