CN113937172A - 一种晶硅太阳能电池新型复合绒面结构制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种晶硅太阳能电池新型复合绒面结构制备方法，是利用激光刻蚀与旋涂仪相配合在晶硅表面制备基于多次反射、吸收的高质量减反射复合绒面结构的方法，相比于其它单一激光制绒手段，可形成“光纤”型复合绒面结构，通过对微结构阵列几何参数的调控和薄膜材料的选择，获得超低反射率的复合绒面结构。本发明应用AutoCAD模拟计算微结构底边角对复合绒面结构内反射次数的影响，同时结合有限差分时域法建立晶硅表面微单元模型，模拟计算在垂直入射的条件下微结构的光吸收效应，获得微结构尺寸的最优参数。本发明所述方法不仅高效可控、对环境无污染，且可进一步大幅度降低晶硅表面反射率，提高太阳能电池转换效率。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池制备领域，具体涉及一种利用激光刻蚀与薄膜沉积相结合的方法制备低反射率的复合绒面结构以提高太阳能电池光电转换效率的方法。
背景技术
随着全球经济的迅速发展、人口基数的增加、以及越来越高的生活需求，能源的消耗和环境的污染问题日益加剧，导致了资源储备量越来越少，传统石油、煤、天然气等不可再生能源日益消耗殆尽。优化能源结构，大力发展清洁、绿色的可再生新能源已是势在必行，而太阳能因其广泛性、丰富性、安全性和清洁性而颇受人们青睐，是“取之不尽，用之不竭”的资源，成为最具发展潜力的可再生能源。预计到2030年，在全球能源消耗总量中，可再生能源将占据三分之一的份额，而太阳能光伏发电在全球总电力供应中的占比也将达到10％以上，而晶硅电池目前占了太阳能市场的近90％，产额巨大。
我国国土资源辽阔，丰富的地质资源已经是众所周知，与此同时，我国亦是太阳能资源相当丰富的国家之一，每年接受的太阳能照射量为930-2330KW·h/m2/year。太阳能电池发电是太阳能利用的一种重要方式，其能通过光生伏特效应把太阳光转化成电，是世界各国积极发展的一种可再生能源技术，但我国光伏产业的发展面临着如原理性研究积累不足、前沿性研究滞后、缺乏国家级实验室、标准滞后、光伏发电成本相对较高等诸多问题。已成为制约我国光伏产业发展和全球竞争力的瓶颈，特别是直接决定晶硅太阳能电池光电转换效率的表面织构化(制绒)技术。提高光电转换效率、降低减少反射损失、实现对太阳光的高效吸收已成为当前晶硅太阳能电池技术升级和科技成果成功转化的主要任务。
目前工业上最成熟、最常用的硅表面制绒技术为湿式化学织构法。该方法虽然成本较低，工艺较成熟，但不仅存在需要花费高成本的反应溶液剂、废气废剂有潜在的爆炸性，以及化学药品处理时人员遭遇安全威胁等问题。而且由于反应过程中产生气泡使化学刻蚀液无法完全与晶圆表面接触，造成刻蚀不完全不均匀，且液体表面的张力不益于刻蚀极细的线条，因此绒面反射率一般偏高，单晶硅正金字塔绒面300～1100nm波长的反射率一般在10％以上。激光刻蚀技术的特点是各向同性加工，利用高能激光脉冲辐照硅片表面使局部材料急剧升温、熔化和气化，在光辐照区形成凹凸的表面结构，从而得到特殊的表面织构。激光刻蚀制绒技术加工过程简单，通过对激光的各项参数组合，即可得到不同的绒面形貌结构，具有工艺环境开放、均匀性高、可控性强的优势。激光在制备晶硅减反射表面微结构方面愈发受到人们的关注。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，利用激光刻蚀与薄膜沉积相结合的方法，提供了一种晶硅太阳能电池新型复合绒面结构制备方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种晶硅太阳能电池新型复合绒面结构制备方法，包括如下步骤：
(1)将硅片浸入到无水乙醇中，超声清洗5～10min，取出后用去离子水清洗4～5min，然后将超声清洗过的硅片浸入质量分数为10％的HF溶液中浸泡5～6min；最后，用去离子水清洗4～5min备用；
(2)选取硅片制绒面沉积的薄膜材料，要求其对300nm～1100nm波长范围内光透明或透射率达92％以上，将其与丙酮在烧杯中以1∶2的体积分数比混合配置成溶液，并将装有溶液的烧杯静置在超声清洗机中超声清洗35～40min，使丙酮挥发，得到快速凝固的薄膜材料溶液；
(3)应用AutoCAD根据硅片折射率n1、硅片制绒面沉积的薄膜材料折射率n2，建立正金字塔型微结构绒面上覆盖一层薄膜的复合结构模型，具体参数为：正金字塔微结构底边角取区间0°＜θi＜90°内的正整数，取样间隔Δθ＝5°；取制绒面沉积薄膜的厚度T与正金字塔微结构的高度H一致；绘制单位周期内复合结构的光路图，计算光垂直入射时，微结构底边角θi对应的光线在单位周期复合结构内正金字塔微结构表面的反射次数ni，获得ni取最大值时的底边角θimax；
(4)以步骤(3)中得到最优微结构底边角θimax为基础，基于时域有限差分法，建立正金字塔型微结构对应的几何模型，底边角取θimax，正金字塔微结构的高度Hj取区间10μm～40μm内的正整数，取样间隔ΔH＝5μm，每个高度Hj的值对应唯一一个直径Dj，Dj＝2Hj/tanθimax，定义材料为单晶硅或多晶硅，设置光源为300nm～1100nm波长范围内的平面光源，添加场监视器、反射率监视器和透射率监视器，模拟光线垂直入射时晶硅制绒面的电场分布和反射率曲线，根据每组(Hj，Dj)对应的反射率曲线，获得整体反射率最低时对应的正金字塔微结构的直径Dopt和高度Hopt值；
(5)采取光栅扫描的方式，利用激光刻蚀步骤(1)中的硅片，通过改变加工参数，在硅片表面加工形状为正金字塔型、底边角为θimax、直径为Dopt、高度为Hopt的微结构；
(6)采用分光光度计测量步骤(5)中所制备硅片的制绒面反射率R1；
(7)将步骤(5)中经过表面激光制绒后的硅片首先浸入温度为50°、25wt％的氢氧化钠溶液中20～20.5s，并用去离子水冲洗，以去除表面的熔融物；然后将处理的样品浸入步骤(2)中的薄膜材料溶液中2～2.5min；最后将其取出置于旋涂仪的载物台上，控制旋转时间和旋转速度，在制绒后的样品表面沉积一层厚度为Hopt的均匀透明膜层，得到绒面与薄膜相结合的复合绒面结构；
(8)采用分光光度计测量步骤(7)中所制备的具有复合绒面结构的硅片反射率R2，对比只经过激光刻蚀的制绒面反射率R1，获得复合绒面结构对绒面硅片表面反射率的降低程度R1-R2；
(9)基于步骤(1)～(8)，已获得反射率最低的复合绒面结构，并可知获得该复合绒面结构所对应的最优激光刻蚀加工工艺参数与薄膜旋涂参数；采用上述参数即可制备晶硅太阳能电池新型复合绒面结构。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明所述的利用激光刻蚀与旋涂仪相配合在晶硅表面制备基于多次反射、吸收的高质量减反射复合绒面结构的方法，相比于其它单一激光制绒手段，可形成“光纤”型复合绒面结构，通过对微结构阵列几何参数的调控和薄膜材料的选择，获得超低反射率的复合绒面结构。应用AutoCAD(Autodesk Computer Aided Design)模拟计算微结构底边角对复合绒面结构内反射次数的影响，同时结合有限差分时域法(Finite Difference TimeDomain，FDTD)建立晶硅表面微单元模型，模拟计算在垂直入射(即入射角度为0°)的条件下微结构的光吸收效应，获得微结构尺寸的最优参数，并对工艺参数和复合绒面结构的调整和优化提供理论指导。
2、本发明所述复合绒面结构制备方法对晶硅类型、型号、形状没有限制，如单晶硅和多晶硅均可兼容。
3、不受太阳能电池晶硅尺寸限制，对大尺寸晶硅样品同样适用，为大尺寸一体化太阳能电池的制备提供了理论指导和可行性实验方案。
4、相比目前工业上常用的为湿式化学织构法以及单一的激光刻蚀微结构制绒，本发明所述方法不仅高效可控、对环境无污染，且可进一步大幅度降低晶硅表面反射率，提高太阳能电池转换效率。
5、本发明所述的晶硅太阳能电池新型复合绒面结构的方法，实现方便、高效、低成本，应用广泛。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
本发明提供了一种晶硅太阳能电池新型复合绒面结构制备方法，包括下列步骤：
(1)将硅片(单晶硅或多晶硅)浸入到无水乙醇中，超声清洗5～10min，取出后用去离子水清洗4～5min，以去除颗粒和有机污染物，然后将超声清洗过的硅片浸入质量分数为10％的HF溶液中浸泡5～6min，以去除晶硅表面的氧化膜，同时附着在氧化膜表面的金属离子也会溶解到清洗液中，达到双重去除的目的。最后，用去离子水清洗4～5min备用。
(2)选取硅片制绒面沉积的薄膜材料，要求对300nm～1100nm波长范围内光透明或透射率达92％以上，将其与丙酮在烧杯中以1∶2的体积分数比混合配置成溶液，并将装有溶液的烧杯静置在超声清洗机中超声清洗35～40min，使丙酮挥发，得到快速凝固的薄膜材料溶液。
(3)应用AutoCAD根据硅片折射率n1、硅片制绒面沉积的薄膜材料折射率n2，建立正金字塔型微结构绒面上覆盖一层薄膜的复合结构模型，具体参数为：正金字塔微结构底边角取区间0°＜θi＜90°内的正整数，取样间隔Δθ＝5°；取制绒面沉积薄膜的厚度T(膜表面与正金字塔微结构底部之间的距离)与正金字塔微结构的高度H一致(具体取值对结果无影响)。绘制单位周期(两相邻金字塔顶部之间的距离为一个周期)内复合结构的光路图，计算光垂直入射时，微结构底边角θi对应的光线在单位周期复合结构内正金字塔微结构表面的反射次数ni，获得ni取最大值时的底边角θimax。
(4)以步骤(3)中得到最优微结构底边角θimax为基础，基于时域有限差分法，建立正金字塔型微结构对应的几何模型，底边角取θimax，正金字塔微结构的高度Hj取区间(10μm～40μm)内的正整数，取样间隔ΔH＝5μm，每个高度Hj的值对应唯一一个直径Dj(Dj＝2Hj/tanθimax)，定义材料为单晶硅或多晶硅，设置光源为300nm～1100nm波长范围内的平面光源，添加场监视器、反射率监视器和透射率监视器，模拟光线垂直入射(即入射角度为0°)时晶硅制绒面的电场分布和反射率曲线，根据每组(Hj，Dj)对应的反射率曲线，获得整体反射率最低时对应的正金字塔微结构的直径Dopt和高度Hopt值。
(5)采取光栅扫描的方式，利用激光刻蚀步骤(1)中的硅片，通过改变激光功率、扫描次数、扫描速度、扫描间距等加工参数，在硅片表面加工形状为正金字塔型、底边角为θimax、直径为Dopt、高度为Hopt的微结构。
(6)采用分光光度计测量步骤(5)中所制备硅片的制绒面反射率R1。
(7)将步骤(5)中经过表面激光制绒后的硅片首先浸入温度为50°、25wt％的氢氧化钠溶液中20～20.5s，并用去离子水冲洗，以去除表面的熔融物；然后将处理的样品浸入步骤(2)中的薄膜材料溶液中2～2.5min；最后将其取出置于旋涂仪的载物台上，控制旋转时间和旋转速度，在制绒后的样品表面沉积一层厚度为Hopt的均匀透明膜层，得到绒面与薄膜相结合的复合绒面结构。
(8)采用分光光度计测量步骤(7)中所制备的具有复合绒面结构的硅片反射率R2，对比只经过激光刻蚀的制绒面反射率R1，获得复合绒面结构对绒面硅片表面反射率的降低程度R1-R2；
(9)基于步骤(1)～(8)，已获得反射率最低的复合绒面结构，并可知获得该复合绒面结构所对应的最优激光刻蚀加工工艺参数与薄膜旋涂参数；采用上述参数即可制备晶硅太阳能电池新型复合绒面结构。
(10)改变硅片类型，重复(1)～(9)，可以明确不同类型硅片表面的最优复合绒面结构及对应的最优激光刻蚀制绒工艺参数和薄膜沉积旋涂工艺参数。
本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。
Claims (1)
1.一种晶硅太阳能电池新型复合绒面结构制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将硅片浸入到无水乙醇中，超声清洗5～10min，取出后用去离子水清洗4～5min，然后将超声清洗过的硅片浸入质量分数为10％的HF溶液中浸泡5～6min；最后，用去离子水清洗4～5min备用；
(2)选取硅片制绒面沉积的薄膜材料，要求其对300nm～1100nm波长范围内光透明或透射率达92％以上，将其与丙酮在烧杯中以1∶2的体积分数比混合配置成溶液，并将装有溶液的烧杯静置在超声清洗机中超声清洗35～40min，使丙酮挥发，得到快速凝固的薄膜材料溶液；
(3)应用AutoCAD根据硅片折射率n1、硅片制绒面沉积的薄膜材料折射率n2，建立正金字塔型微结构绒面上覆盖一层薄膜的复合结构模型，具体参数为：正金字塔微结构底边角取区间0°＜θi＜90°内的正整数，取样间隔Δθ＝5°；取制绒面沉积薄膜的厚度T与正金字塔微结构的高度H一致；绘制单位周期内复合结构的光路图，计算光垂直入射时，微结构底边角θi对应的光线在单位周期复合结构内正金字塔微结构表面的反射次数ni，获得ni取最大值时的底边角θimax；
(4)以步骤(3)中得到最优微结构底边角θimax为基础，基于时域有限差分法，建立正金字塔型微结构对应的几何模型，底边角取θimax，正金字塔微结构的高度Hj取区间10μm～40μm内的正整数，取样间隔ΔH＝5μm，每个高度Hj的值对应唯一一个直径Dj，Dj＝2Hj/tanθimax，定义材料为单晶硅或多晶硅，设置光源为300nm～1100nm波长范围内的平面光源，添加场监视器、反射率监视器和透射率监视器，模拟光线垂直入射时晶硅制绒面的电场分布和反射率曲线，根据每组(Hj，Dj)对应的反射率曲线，获得整体反射率最低时对应的正金字塔微结构的直径Dopt和高度Hopt值；
(5)采取光栅扫描的方式，利用激光刻蚀步骤(1)中的硅片，通过改变加工参数，在硅片表面加工形状为正金字塔型、底边角为θimax、直径为Dopt、高度为Hopt的微结构；
(6)采用分光光度计测量步骤(5)中所制备硅片的制绒面反射率R1；
(7)将步骤(5)中经过表面激光制绒后的硅片首先浸入温度为50°、25wt％的氢氧化钠溶液中20～20.5s，并用去离子水冲洗，以去除表面的熔融物；然后将处理的样品浸入步骤(2)中的薄膜材料溶液中2～2.5min；最后将其取出置于旋涂仪的载物台上，控制旋转时间和旋转速度，在制绒后的样品表面沉积一层厚度为Hopt的均匀透明膜层，得到绒面与薄膜相结合的复合绒面结构；
(8)采用分光光度计测量步骤(7)中所制备的具有复合绒面结构的硅片反射率R2，对比只经过激光刻蚀的制绒面反射率R1，获得复合绒面结构对绒面硅片表面反射率的降低程度R1-R2；
(9)基于步骤(1)～(8)，已获得反射率最低的复合绒面结构，并可知获得该复合绒面结构所对应的最优激光刻蚀加工工艺参数与薄膜旋涂参数；采用上述参数即可制备晶硅太阳能电池新型复合绒面结构。
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