CN110517971A - 评价单晶硅电池表面金字塔织构均匀性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种评价单晶硅电池表面金字塔织构均匀性的方法，包括以下步骤：A采用图像处理获取单晶硅电池采样区域织构的所有金字塔高度；B对织构所有金字塔的高度Hi排序后进行归一化处理，得到单位高度hi；C计算理想均匀金字塔织构的表面材料率Smr(c)曲线；D计算任意非均匀金字塔织构的表面材料率Smr(c)曲线；E根据任意金字塔织构的Smr(c)曲线计算均匀系数ku值。该方法可以通过对制绒后单晶硅片表面织构的均匀系数判断制绒质量，优化调控制绒工艺，获得最佳的制绒时间节点，最佳的制绒溶液配比，最佳的制绒溶液组分，以获得高光电转换效率的单晶硅电池提供了可行的依据。

Description

评价单晶硅电池表面金字塔织构均匀性的方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池的技术领域，特别是指一种评价单晶硅电池表面金字塔织构均匀性的方法。
背景技术
目前晶体硅电池占全球光伏市场份额的90％左右，单晶硅太阳电池是硅基太阳电池中技术最成熟的,由于其具有转化效率高、性能稳定等优势，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，如何减少单晶硅电池表面反射损失，同时增强其光生伏特效应是太阳能电池领域的研究热点。
大量研究表明，目前实现对太阳光高效吸收的最佳手段是通过化学制绒技术，在单晶硅表面制备出光陷阱微结构(即金字塔织构)，金字塔织构的均匀性(即织构所有金字塔的形状、高度和间距的一致性)对单晶硅电池吸光特性有显著影响，织构越均匀单晶硅电池的吸光率越高。化学制绒所获得不均匀的金字塔织构都会导致单晶硅电池表面缺陷凸显，增加光生载流子的复合，致使光生电流和电压降低，从而削弱其光生伏特效应，进而限制单晶硅电池光电转换效率提高。
通过采用不同的刻蚀溶液，调节溶液的浓度、添加剂、刻蚀温度和时间等工艺参数，可以改善单晶硅金字塔织构的均匀性，从而提高单晶硅电池的光生伏特效应。可以看出，通过优化制绒工艺来优选出均匀性好的金字塔织构，是提高单晶硅太阳能电池光电转化效率的关键。因此，如何准确评判所制备的金字塔织构的均匀性就成为优化制绒工艺的关键性问题。
但是在以往的研究中，一种方法是通过观测制绒后单晶硅表面织构2D图片，对比不同金字塔织构图片，定性分析其均匀性，该方法不能准确量化表征织构的均匀性。另一种方法是通过3D测量单晶硅表面织构的金字塔高度，列出金字塔大小与数量的柱状统计图表征织构均匀性，该方法统计金字塔高度时有步进误差，对金字塔织构的均匀性无法进行精确表征；并且在单晶硅刻蚀初期金字塔数量较少，柱状统计图无法反映金字塔织构的均匀性，这些研究均难以为制绒工艺优化提供精确的评价依据。
综上所述，如何有效地评价单晶硅电池表面金字塔织构均匀性就显得十分重要。
发明内容
本发明的目的在于针对现有定量表征方法的不足，提供一种评价单晶硅电池表面金字塔织构均匀性的方法，能够为优化制绒工艺和监控制绒效果提供评价依据，进而实现晶体硅电池高的光电转化效率提供解决思路。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一中评价单晶硅电池表面金字塔织构均匀性的方法，包括如下步骤：
步骤A：采用图像处理获取单晶硅电池采样区域织构的所有金字塔高度：由于化学制绒所获得的金字塔微结构大小不一，形状相似，金字塔织构基准面误差对单晶硅电池光电转换效率影响非常小，选择各个金字塔的底面作为高度的测量基准，可通过2D方法获得金字塔棱边的正投影长度lij，可计算金字塔高度，根据金字塔单元的正四棱锥结构参数，可以得出每个金字塔单元高度Hi公式(1)为：
步骤B：对织构所有金字塔的高度Hi排序后进行归一化处理，得到单位高度hi：对织构所有金字塔的高度Hi进行排序，使得H1>H2>...>Hi>...>Hn，把n个高度Hi归一化处理，得到单位高度hi＝Hi/H1；
步骤C：计算理想均匀金字塔织构的表面材料率Smr(c)曲线：表面材料率Smr(c)为给定高度c处的材料实体截面积与评定面积的比。对于理想均匀金字塔织构，其表面材料率Smr(c)可通过金字塔单元计算，设金字塔单元的高度h＝1，则理想均匀金字塔织构任意高度c上截面的表面材料率Smr(c)定义公式(2)为：公式中SA’B’C’D’是高度c的截面面积，SABCD是金字塔底面面积，通过公式(2)可以得到理想均匀金字塔织构的Smr(c)函数曲线图；
步骤D：计算任意非均匀金字塔织构的表面材料率Smr(c)曲线：对任意织构的所有金字塔高度进行归一化处理，得到最大金字塔高度值h＝1，在评定面积S内从最高金字塔的谷顶往下截取c高度，被截到的金字塔面积为S1…Si…Sn，任意非均匀金字塔织构的Smr(c)定义公式(3)为：由截面位置的高度值c，判断切到几个金字塔，根据金字塔单元的几何结构，由公式(3)推出任意非均匀金字塔织构的Smr(c)分段函数式(4)为：
根据表面织构的金字塔高度排序数值，通过分段函数式(4)可以得到任意非均匀金字塔织构的Smr(c)函数曲线图。当金字塔织构越不均匀，对应Smr(c)曲线越远离理想均匀金字塔织构的表面材料率Smr(c)曲线；当金字塔织构越均匀，对应的Smr(c)曲线越靠近理想均匀金字塔织构的表面材料率Smr(c)曲线；
步骤E：根据任意金字塔织构的Smr(c)曲线计算均匀系数ku值：根据Smr(c)曲线，单晶硅表面任意非均匀金字塔织构的均匀系数ku定义公式(5)为：公式中VU为均匀织构的表面材料率Smr(c)曲线和纵坐标及横坐标所围成的面积，VN为任意织构的表面材料率Smr(c)曲线和纵坐标及横坐标所围成的面积，VU计算公式(6)为：VN计算公式(7)为：因此织构的均匀系数可以简化为公式(8)：
通过均匀系数ku值可判断单晶硅表面金字塔织构的均匀性，该均匀系数的计算方法不存在高度步进误差，当金字塔织构越均匀，所得的均匀系数值ku就越接近1，均匀系数可直观准确评价单晶硅表面金字塔织构的均匀性。
附图说明
图1为本发明化学刻蚀三种典型金字塔织构的类型图。
图2为本发明金字塔单元的结构示意图。
图3为本发明单晶硅电池的结构示意图
图4为本发明评价单晶硅电池表面金字塔织构均匀性方法的流程图。
图5为本发明金字塔织构的正投影示意图。
图6为本发明金字塔织构正投影的局部放大示意图。
图7为本发明金字塔织构的2D图像处理图。
图8为本发明金字塔高度的截面排序示意图。
图9为本发明金字塔织构截面的三维示意图。
图10为本发明均匀与非均匀金字塔织构的表面材料率Smr(c)曲线图。
图11为本发明三种典型织构的表面材料率曲线图。
具体实施方式
通过结合附图对本发明进行更详细的描述，使本发明的上述目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，但并不构成对本申请的限制。
如图1所示，根据单晶硅化学制绒的不同刻蚀时间，表面金字塔织构有三种典型的织构类型，刻蚀初期单晶硅片表面逐渐露出小金字塔，这个时期表面未布满金字塔，织构均匀性较差，如图1(a)所示；当刻蚀时间适中，单晶硅表面布满金字塔，织构均匀性变好，如图1(b)所示；随着刻蚀时间进一步加长，金字塔尺寸增大，同时又有小金字塔长出，金字塔的高度差变大，织构的均匀性又变差，如图1(c)所示。
如图2所示，单晶硅的晶胞为面心立方金刚石结构，晶体内部各个不同晶向上，原子排列的疏密程度和排列方式都有显著不同，其(100)晶面被强碱刻蚀速率约是(111)晶面的十倍，各向异性导致化学制绒后，单晶硅表面自然刻蚀出金字塔织构。金字塔单元为正四棱结构，在(111)晶面形成四个侧面为全等的等腰三角形△PAB≌△PBC≌△PCD≌△PDA，该金字塔底面在(001)晶面上为正方形ABCD，金字塔塔尖夹角∠EPF＝70.5°，理想状态下单晶硅表面可刻蚀出均匀金字塔织构，其特点为：①所有金字塔形状都为正四棱锥；②金字塔的高度相同；③金字塔间距相同且整齐布满单晶硅片表面。如图3所示，单晶硅电池的厚度约160微米，其表面织构的金字塔高度一般在几微米。
但由于刻蚀之前单晶硅片表面状态不一致、制绒工艺条件及工艺过程复杂，导致刻蚀后所获得的金字塔织构不均匀，其特点为：①金字塔仍然是相似的正四棱锥结构，且金字塔排列方向一致；②金字塔高度差异很大③金字塔间距不同，出现叠加状况，如图1所示。
图4为本发明实例提供的一种评价单晶硅电池表面金字塔织构均匀性方法的流程图，以下将使用本方法对三种典型的表面金字塔织构类型的均匀性进行评价：
步骤A:采用图像处理获取单晶硅电池采样区域织构的所有金字塔高度。
由于化学制绒所获得的金字塔微结构大小不一，形状相似，实际单晶硅化学制绒所获得金字塔织构的正投影如图5所示，金字塔相互叠加导致每个金字塔的底面正投影为不规则多边形，正四棱锥金字塔棱边的正投影为相互垂直的4条直线，金字塔排列方向一致使得棱边投影方向相同。因为金字塔织构基准面误差对单晶硅电池光电转换效率影响非常小，选择各个金字塔的底面作为高度的测量基准，可通过2D方法获得金字塔棱边的正投影长度lij，如图6所示，第i个金字塔4条棱边正投影长度分别为li1-li4。由金字塔单元的4条棱边正投影的平均长度，根据图2金字塔单元的正四棱锥结构参数，可以得出每个金字塔单元高度Hi公式(1)为：在本实例中首先提取SEM图的金字塔4条棱边正投影长度,如图7所示，然后通过图片灰度识别各个金字塔的顶点、4条棱边及谷底边界线的投影，计算各张SEM图在采样区域内所有金字塔的棱边正投影长度lij；再由公式(1)计算化学刻蚀的三种典型金字塔织构类型的所有金字塔高度值Hi。
步骤B:对织构所有金字塔的高度Hi排序后进行归一化处理，得到单位高度hi。
通过对织构所有金字塔的高度Hi进行排序，使得H1>H2>...>Hi>...>Hn，把n个高度Hi归一化处理，得到单位高度hi＝Hi/H1，排序结果如图8所示。
步骤C:计算理想均匀金字塔织构的表面材料率Smr(c)曲线。
表面材料率Smr(c)为给定高度c处的材料实体截面积与评定面积的比。所述理想均匀金字塔织构是单元金字塔重复布满整个表面，其表面材料率Smr(c)可通过金字塔单元计算。如图2所示，设金字塔单元的高度h＝1，则理想均匀金字塔织构任意高度c上截面的表面材料率Smr(c)定义公式(2)为： 公式中SA’B’C’D’是高度c的截面面积，SABCD是金字塔底面面积，通过公式(2)可以得到理想均匀金字塔织构表面材料率为一条关于c的二次函数曲线，在图10、图11中，曲线U为理想均匀金字塔织构的Smr(c)函数曲线。
步骤D：计算任意非均匀金字塔织构的表面材料率Smr(c)并得到对应的曲线。
对任意织构的所有金字塔高度进行归一化处理，得到最大金字塔高度值h＝1，在评定面积S内从最高金字塔的谷顶往下截取c高度，如图9所示，被截到的金字塔面积为S1…Si…Sn，任意非均匀金字塔织构的Smr(c)定义公式(3)为：由截面位置的高度值c，判断切到几个金字塔，根据金字塔单元的几何结构，由公式(3)推出任意非均匀金字塔织构的Smr(c)分段函数式(4)为：
根据表面织构的金字塔高度排序数值，由分段函数式(4)计算任意非均匀金字塔织构的Smr(c)函数值并得到对应的表面材料率曲线，在图10中，曲线N为任意非均匀金字塔织构的Smr(c)函数曲线；在图11中，曲线a、b、c分别为图1(a)刻蚀初期小金字塔未长满、图1(b)刻蚀适中长满较均匀金字塔、图1(c)刻蚀过度长满过大和较小金字塔对应的Smr(c)函数曲线。
步骤E：根据任意非均匀金字塔织构的Smr(c)曲线计算均匀系数ku值。
对任意非均匀金字塔织构在c高度，可能有部分小金字塔未被截取到，在高度c处其Smr(c)值较均匀金字塔织构小。根据Smr(c)曲线，单晶硅表面任意非均匀金字塔织构的均匀系数ku定义公式(5)为：公式中VU为均匀织构的表面材料率Smr(c)曲线和纵坐标及横坐标所围成的面积，VN为任意织构的表面材料率Smr(c)曲线和纵坐标及横坐标所围成的面积，VU计算公式(6)为：VN计算公式(7)为：因此织构的均匀系数可以简化为公式(8)：在本实例中计算得出曲线a的均匀系数(ku＝0.26)；曲线b的均匀系数(ku＝0.87)；曲线c的均匀系数(ku＝0.67)。
曲线a为图1(a)织构所对应的Smr(c)曲线，由于该表面有48％区域未布满金字塔，该曲线与横坐标的交点为0.48，该织构的均匀系数最小；曲线b为图1(b)织构所对应的Smr(c)曲线，该金字塔织构较为均匀，曲线b比较靠近曲线U，计算得出该织构的均匀系数最大；曲线c为图1(c)织构所对应的Smr(c)曲线，该表面金字塔高度相差较大，织构均匀性较差，曲线c又远离曲线U，计算得出该织构的均匀系数较小。
可以看出本评价方法可直观准确评价单晶硅表面金字塔织构的均匀性，当织构越均匀，其Smr(c)曲线越靠近曲线U，所得的均匀系数值越接近1。

Claims (1)

1.一种评价单晶硅电池表面金字塔织构均匀性的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A：采用图像处理获取单晶硅电池采样区域织构的所有金字塔高度：通过2D方法获得金字塔棱边的正投影长度lij，计算金字塔高度，根据金字塔单元的正四棱锥结构参数，可以得出每个金字塔单元高度Hi，公式(1)为：
步骤B：对织构所有金字塔的高度Hi排序后进行归一化处理，得到单位高度hi：对织构所有金字塔的单元高度Hi进行排序，使得H1>H2>...>Hi>...>Hn，把n个高度Hi归一化处理，得到单位高度hi＝Hi/H1；
步骤C：计算理想均匀金字塔织构的表面材料率Smr(c)曲线：表面材料率Smr(c)为给定高度c处的材料实体截面积与评定面积的比，对于理想均匀的金字塔织构，其表面材料率Smr(c)可通过金字塔单元计算，设金字塔单元的高度h＝1，则理想均匀金字塔织构任意高度c上截面的表面材料率Smr(c)定义公式(2)为：公式中SA’B’C’D’是高度c的截面面积，SABCD是金字塔底面面积，通过公式(2)可以得到理想均匀金字塔织构的Smr(c)函数曲线图；
步骤D：计算任意非均匀金字塔织构的表面材料率Smr(c)曲线：对任意织构的所有金字塔高度进行归一化处理，得到最大金字塔高度值h＝1，在评定面积S内从最高金字塔的谷顶往下截取c高度，被截到的金字塔面积为S1…Si…Sn，任意非均匀金字塔织构的Smr(c)定义公式(3)为：由截面位置的高度值c，判断切到几个金字塔，根据金字塔单元的几何结构，由公式(3)推出任意非均匀金字塔织构的Smr(c)分段函数式(4)为：
根据表面织构的金字塔高度排序数值，通过分段函数式(4)可以得到任意非均匀金字塔织构的Smr(c)函数曲线图；
步骤E：根据任意金字塔织构的Smr(c)曲线计算均匀系数ku值：根据Smr(c)曲线，单晶硅表面任意非均匀金字塔织构的均匀系数ku定义公式(5)为：公式中VU为均匀织构表面材料率Smr(c)曲线和纵坐标及横坐标所围成的面积，VN为任意织构的表面材料率Smr(c)曲线和纵坐标及横坐标所围成的面积，VU计算公式(6)为：VN计算公式(7)为：因此织构的均匀系数可以简化为公式(8)：通过均匀系数评价单晶硅表面金字塔织构的均匀性。
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