CN114990700B - 制备梯田金字塔微结构硅片的添加剂和工艺及所得硅片 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及制备梯田金字塔微结构硅片的添加剂和工艺及所得硅片。添加剂包括以下按质量百分比计算的组分：模板剂0.3‑0.7%，缓蚀剂0.1‑1%，以及余量的去离子水。使用方法为将所述添加剂与碱液混合，对常规制绒为金字塔结构的单晶硅片进行腐蚀，即可得到表面有微结构的金字塔绒面硅片，该微结构呈梯田状，金字塔表面由光滑的表面变为一层层梯田形貌的微结构，形成该微结构后可以有效降低硅片反射率至4‑7%。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及制备梯田金字塔微结构硅片的添加剂和工艺及所得硅片。
背景技术
光伏行业降低成本仍然是全面实现平价上网的核心，是促进行业可持续发展的关键，而提高太阳能电池效率是降低度电成本的主要手段之一。目前影响太阳能电池效率的主要因素有光损耗、复合损耗、电阻损耗等，其中的光损耗降低了0.5%左右的电池效率。
通常情况，单晶硅太阳能电池制备的第一步是在硅片表面形成金字塔结构，光线入射到金字塔结构上，一部分光被直接吸收，一部分光经过折射后再次入射到硅片内部被吸收，而有一部分光则被硅片表面反射无法利用。制绒工艺经过多年的发展，制绒后的金字塔结构由早期的3-5微米尺寸11.5%以上的平均反射率逐渐发展到目前1-3微米9.5-10%左右的反射率。现有单晶硅制绒工艺的常规工艺可采用酸腐蚀、碱腐蚀、氧化还原腐蚀等工艺制备金字塔结构，并通过调整反应液和清洗液的组成、工艺条件、工艺步骤等方式得到具有不同特点的金字塔结构。例如CN201210035460.9公开了使用碱、氢氟酸和异丙醇分步制绒得到了一种平滑的金字塔结构，CN201911424589.7公开了使用碱和制绒添加剂制备了一种具有金字塔叠加结构等等。但是通过调节金字塔尺寸以及均匀性，已经没有办法进一步降低反射率从而提高电池效率。
为了降低硅片表面反射率，行业曾经推出了金属辅助催化的黑硅工艺，以及干法刻蚀的RIE工艺，这两种工艺都能将反射率降低至5-8%左右，但是由于成本问题以及环保问题，两种工艺都无法在行业内得到推广使用。而目前在研的倒金字塔技术可以将反射率降低至4-6%，但是技术目前仍不成熟。
本发明通过使用模板剂、缓蚀剂等高分子试剂，在常规制绒的金字塔表面进一步制备类梯田的微结构形貌，实现了在常规金字塔绒面9.5-10%反射率的基础上继续大幅降低反射率至4%，从而提高太阳能电池的发电效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于在单晶硅金字塔绒面上制备梯田微结构的添加剂及制备该结构的工艺，进一步降低金字塔绒面单晶硅片的反射率。
本发明的技术方案如下：
本发明提供一种在硅片金字塔绒面上制备梯田微结构的添加剂，由以下按质量百分比计算的组分组成：模板剂 0.3-0.7%，缓蚀剂0.1-1%，以及余量的去离子水。
优选的，所述模板剂包含大分子模板剂和小分子模板剂；
优选的，所述大分子模板剂选自聚醚F127、烷基酚聚氧乙烯醚、PEG20000中的至少一种；
优选的，所述小分子模板剂选自PEG600、蔗糖酯、十二烷基磺酸钠、吐温20中的至少一种。
优选的，所述缓蚀剂为醋酸钠。缓蚀剂可对微结构制备反应进行控制，如果反应过快，微结构形成后，由于不是完美晶格结构，能量处于高位，易被碱优先腐蚀，所以需要缓蚀剂减缓碱腐蚀的整体速率，使得微结构的形成过程大于腐蚀过程，微结构才能最终保留。
优选的，所述的去离子水电阻率大于18MΩ。
本发明还提供一种在硅片金字塔绒面上制备梯田微结构的单晶硅制绒工艺，包括以下步骤：
S1.使用常规制绒工艺在单晶硅片表面制备常规金字塔结构；所述常规制绒工艺可以是包括使用酸、碱、氧化还原剂中的至少一种制备金字塔结构的工艺；所述常规制绒工艺还可以是使用碱和氧化剂制备金字塔结构的工艺。
S2.将S1处理后的单晶硅片放入清洗液中清洗；
S3.将浓度为0.1-1wt%的碱溶液与上述添加剂混合，形成反应液，将步骤S2所得的单晶硅片置于所述反应液中进行微结构制备，即得具有梯田金字塔绒面的单晶硅片。
优选的，所述清洗液由以下按质量百分比计算的组分组成：碱 0.1-0.5%，H2O21.0-3.0%，以及余量的水；所述碱为氢氧化钠和/或氢氧化钾。
优选的，步骤S3制备所述反应液中碱溶液与所述添加剂的用量体积比为0.1-5：100 ；所述碱溶液为氢氧化钠溶液和/或氢氧化钾溶液。
优选的，步骤S3所述微结构制备的反应温度为70-85℃，反应时间60-420s。更优选的，反应时间为120-300s。根据反应机理，反应时间越长则腐蚀的越深，温度越高腐蚀越快。所以为了形成理想的低反射率结构，需要控制好微结构制备的温度、时间以及反应液中碱和添加剂的含量。发明人进行了大量实验，得到了合理的工艺条件，所述添加剂和工艺适用于具有常规金字塔结构的单晶硅片。
本发明还提供了一种具有梯田金字塔微结构绒面的单晶硅片。所述的单晶硅片是经所述的单晶硅制绒工艺制备得到的单晶硅片，具有梯田金字塔结构绒面，其反射率可低至4-7%。
本发明的有益效果如下：
本发明使用特定的模板剂吸附到金字塔表面辅助微结构成型，模板剂包含了大分子模板剂和小分子模板剂，大分子模板剂吸附在金字塔上起到控制微结构主体结构的作用，控制微结构的宏观架构；小分子模板剂则起到精细控制微结构形成过程的腐蚀作用。
通过本发明所述添加剂和微结构制备工艺，可将原本光滑的金字塔表面制备成一层一层斜向上倾斜的硅晶面，这种层状结构像花瓣，又像梯田。光入射到层状结构，一部分直接入射到硅内部被吸收，一部分经过表面反射射向内层结构的硅再次被吸收，同时因为表面平整度降低，增加的光的漫反射，减少了镜面反射，经过这个过程光被显著吸收，所以硅片表面的反射率得以从光滑金字塔结构的9-10%降低至4-7%。
附图说明
图1 一种常规制绒工艺得到的金字塔微结构的形貌；
图2 实施例1所述添加剂处理后的梯田状金字塔微结构的形貌；
图3 实施例2所述添加剂处理后的梯田状金字塔微结构的形貌；
图4 实施例3所述添加剂处理后的梯田状金字塔微结构的形貌；
图5 对比例所述添加剂处理后的梯田状金字塔微结构的形貌。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细的说明，实施例仅是本发明的优选实施方式，不是对本发明的限定。
实施例1
S1.一种常规的制绒步骤。具体包括：将单晶硅片放入清洗液中清洗，所述清洗液为：氢氧化钠0.2wt%，H2O2 1.3wt%，以及余量的水。清洗温度为65℃，清洗时间为2分钟。用制绒液对清洗后的硅片进行制绒形成金字塔结构，所述制绒液是由碱溶液和制绒添加剂与水配成混合物，所述碱是浓度为37wt%的NaOH，制绒液中碱和水的体积比为1.2：100，制绒添加剂使用西安蓝桥公司单晶制绒添加剂LQ61，制绒添加剂与水的体积比为1:100。制绒温度为80℃，制绒时间为200s，即得经过常规制绒工艺在表面形成金字塔结构的硅片。制绒后的金字塔形貌如图1所示。形成的金字塔表面光滑平整，无微结构形成，此时反射率为11.0%。
S2.将S1处理后的单晶硅片放入清洗液中清洗，清洗温度为65℃，清洗时间为2分钟。
S3.制备在硅片金字塔绒面上制备微结构降低反射率的添加剂，配方为按质量百分比计算的：聚醚F127 0.05%，PEG20000 0.3%，十二烷基磺酸钠 0.05%，吐温20 0.04%，醋酸钠 0.5%以及余量的去离子水。把所有试剂加入到去离子水中，溶解后搅拌均匀。将0.22wt%的氢氧化钠溶液与添加剂按体积比100:1混合，形成反应液，将步骤S2所得的单晶硅片置于所述反应液中进行微结构制备，温度为78℃，时间为120s，即得具有梯田金字塔单晶硅绒面的单晶硅片。腐蚀后绒面结构如图2所示。此时硅片表面的金字塔只有金字塔塔尖位置形成了微结构，此时反射率为7.1%。
实施例2
S1.与实施例1所述S1相同。
S2.与实施例1所述S2相同。
S3.制备在硅片金字塔绒面上制备微结构降低反射率的添加剂，配方为按质量百分比计算的：聚醚F127 0.03%， PEG600 0.2%，十二烷基磺酸钠 0.15%，吐温20 0.02%，醋酸钠 0.5%以及余量的去离子水。把所有试剂加入到去离子水中，溶解后搅拌均匀。将0.26wt%的氢氧化钠溶液与添加剂按体积比100:1混合，形成反应液，将步骤S2所得的单晶硅片置于所述反应液中进行微结构制备，温度为78℃，时间为200s，即得具有梯田金字塔单晶硅绒面的单晶硅片。腐蚀后绒面结构如图3所示。此时硅片表面的金字塔大部分位置形成了微结构，此时反射率为5.8%。
实施例3
S1.与实施例1所述S1相同。
S2.与实施例1所述S2相同。
S3.制备在硅片金字塔绒面上制备微结构降低反射率的添加剂，配方为按质量百分比计算的：聚醚F127 0.03%，PEG20000 0.03%，PEG600 0.2%，蔗糖酯 0.1%，十二烷基磺酸钠0.15%，吐温20 0.02%，醋酸钠0.5%以及余量的去离子水。把所有试剂加入到去离子水中，溶解后搅拌均匀。将0.26wt%的氢氧化钠溶液与添加剂按体积比100:1混合，形成反应液，将步骤S2所得的单晶硅片置于所述反应液中进行微结构制备，温度为78℃，时间为300s，即得具有梯田金字塔单晶硅绒面的单晶硅片。腐蚀后绒面结构如图4所示。此时硅片表面的金字塔大部分位置形成了微结构，此时反射率为3.6%。
对比例
S1.与实施例1所述S1相同。
S2.与实施例1所述S2相同。
S3.将0.26wt%的氢氧化钠溶液与常州时创能源科技有限公司生产的制绒添加剂按体积比100:1混合，形成反应液，将步骤S2所得的单晶硅片置于所述反应液中进行微结构制备，温度为80℃，时间为120s，即得具有微结构金字塔单晶硅绒面的单晶硅片。腐蚀后绒面结构如图5所示。此时硅片表面的金字塔部分位置形成了轻微的微结构，此时反射率为9.0%。
Claims (7)
1.一种在硅片金字塔绒面上制备梯田微结构的添加剂，其特征在于，由以下按质量百分比计算的组分组成：模板剂0.3-0.7％，缓蚀剂0.1-1％，以及余量的去离子水；所述模板剂包含大分子模板剂和小分子模板剂；
所述大分子模板剂选自聚醚F127、烷基酚聚氧乙烯醚、PEG20000中的至少一种；
所述小分子模板剂选自PEG600、蔗糖酯、十二烷基磺酸钠、吐温20 中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的一种在硅片金字塔绒面上制备梯田微结构的添加剂，其特征在于，所述缓蚀剂为醋酸钠。
3.根据权利要求1所述的一种在硅片金字塔绒面上制备梯田微结构的添加剂，其特征在于，所述去离子水电阻率大于18MΩ。
4.一种在硅片金字塔绒面上制备梯田微结构的单晶硅制绒工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1.使用常规制绒工艺在单晶硅片表面制备常规金字塔结构；
S2.将S1处理后的单晶硅片放入清洗液中清洗；
S3.将浓度为0.1-1wt％的碱溶液与权利要求1-3任一项所述的添加剂混合，形成反应液，将步骤S2所得的单晶硅片置于所述反应液中进行微结构制备即得具有梯田金字塔绒面的单晶硅片。
5.根据权利要求4所述的单晶硅制绒工艺，其特征在于，步骤S2所述清洗液由以下按质量百分比计算的组分组成：碱0.1-0.5％，H2O21.0-3.0％，以及余量的水；所述碱为氢氧化钠和/或氢氧化钾。
6.根据权利要求4所述的单晶硅制绒工艺，其特征在于，步骤S3制备所述反应液中碱溶液与所述添加剂的用量体积比为0.1-5：100；所述碱溶液为氢氧化钠溶液和/或氢氧化钾溶液。
7.根据权利要求4所述的单晶硅制绒工艺，其特征在于，所述微结构制备的反应温度为70-85℃，反应时间为60-420s。
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|---|---|---|---|---|
| CN111180538A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-05-19 | 中威新能源(成都)有限公司 | 一种具有金字塔叠加结构的单晶硅片及制备方法 |
| CN113529173A (zh) * | 2021-07-14 | 2021-10-22 | 西安蓝桥新能源科技有限公司 | 制备多层金字塔单晶硅绒面的两步制绒添加剂及其应用 |
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| CN114990700A (zh) | 2022-09-02 |
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