多晶Si太阳电池新型制绒工艺研究

关键词:多晶Si;太阳电池;二次腐蚀;表面织构中图分类号:TM914.4　　文献标识码:A　　文章编号:100520086(2010)0320400203

Investigationofnoveltexturingtreatmentonmulti2crystallinesili2consolarcells

LVXiao2qian1,MENGFan2ying13,WANGJian2qiang1,HUYu1,SHIYang1,ZHANGSong1,LIXiang2,HUANGJian2hua2(1.SolarEnergyInstitute,PhysicsDepartment,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China;2.Photo2voltaicResearch&DevelopmentCenter,Shanghai201109,China)

Abstract:Anovelapproachonthesurfacetreatmentofmulti2crystallinesiliconisreported.ThemethodusesaHNO32richHF/HNO3mixtureforthefirsttexturingtreatmentandaHF2richHF/HNO3mix2tureforthesecondantexturing,whichresultsinlowerreflectivityonsiliconsurface.Aftertexturingtreatment,scanningelectronmicroscopy(SEM)andCarry5000spectrophotometerareutilizedtodeter2mineopticalpropertiesofsiliconsurface.Thereflectivity(withoutARC)ofwafersusingsecondarytex2turingtreatmentismarkedlyreducedto20.34%,comparedwithconventionaltreatmentof22.70%.Be2sides,thenovelapproachofsecondarytexturingisusedinsolarcellfabrication,andelectricalpropertiesaremeasuredforevaluation.Theresultsshowthatcomparingwithconventionaltreatment,secondarytexturingresultsintheincreasesofshortcircuitcurrentJsc,opencircuitvoltageVoc,fillfactorFFandefficiencyη,thehighestefficiencyofthesolarcellsusingtheoptimizedsecondarytexturingtreatmentis14.93%.Keywords:multi2crystallinesilicon;solarcell;secondarytexturing;surfacetexturing

槽、反应离子刻蚀、蜂窝绒面结构技术和电化学腐蚀等。这些

1　引　言

　　太阳电池的技术发展一直围绕两个主题:提高效率和降低

成本。提高太阳电池转换效率的一个有效途径是增加电池对光的吸收。绒面电池一方面可以延长入射光在Si表面的光程,另一方面通过内表面的反射,从而减少光的反射损失,产生更多的光生载流子,进而提高转换效率[1,2],所以成为太阳电池技术研究的热点。人们尝试了许多新的制绒工艺,如机械刻

①　　　收稿日期:2009206218　修订日期:2009210229　3　E2mail:fymeng801@sjtu.edu.cn

方法都可以得到较好的绒面效果,但却存在各种不足。机械刻槽[3]由于刻槽深度较大,对Si片厚度要求较高,不适用于薄衬底太阳电池,变相提高了成本;反应离子刻蚀[4]会增加表面离子复合且生产成本较高;蜂窝绒面结构技术[5]虽然具备出色的陷光效果,但工艺复杂不适合工业化生产;电化学腐蚀法[6]在大面积Si片上的制绒均匀性不稳定。因此低成本的化学腐蚀方法一直是光伏工业界的首选[7]。

第3期　吕肖前等:多晶Si太阳电池新型制绒工艺研究　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・401・

　　由于多晶Si晶粒方向各异,一般采用HF、HNO3和去离子水按照一定比例混合的腐蚀液,对Si片进行各向同性腐蚀。　　本文提出一种对多晶Si片进行二次腐蚀的新制绒工艺,即首先在富HNO3体系中对Si片进行一次腐蚀,再在富HF体系中进行二次腐蚀。

置达到最低点。太阳光谱在600nm波长光强分布最多[9],据此利用薄膜干涉原理设计的ARC有明显的波长选择性。在A1组绒面基础上进行镀膜得到的反射谱线表明,A1组具有更好的陷光效果。

2　实　验

2.1　制绒

　　实验采用125mm×62.5mm、电阻率在(0.5～3.0)Ω・cm的p型多晶Si片,腐蚀溶液为HF(40%,AR)/HNO3(65%,AR)/DIW体系。首先在HF∶HNO3=1∶5的条件下进行一次腐蚀,条件为19℃,腐蚀持续2min;然后分别在不同时间、不同浓度配比的富HF溶液中进行二次腐蚀,实验条件及编号见表1。对比组只进行一次腐蚀,为O组。两次腐蚀实验均在聚四氟乙烯腐蚀槽内进行,并加入适量去离子水稀释。腐蚀之后在0.5%的NaOH溶液中浸泡30min,再用大量去离子水进行清洗,烘干。

表1　多晶Si片二次制绒条件

Tab.1　Secondarytexturingonmulti2crystallinesilicon

Time/min

12345

HF:HNO3

50∶1A1A2A3A4A520∶1B1B2B3B4B5

15∶1C1C2C3C4C5

10∶1D1D2D3D4D5

5∶1E1E2E3E4E5

图1　一次腐蚀与二次腐蚀制绒反射率对比

Fig.1　Comparisonamongreflectivityoffirst

(sampleO)andsecondarytexturing

　　每组Si片分别测试了制绒后的反射谱线,并用扫描电子

显微镜(SEM)观察表面形貌。

2.2　电池制作

　　每组Si片经腐蚀制绒后,用液态POCl3源扩散制备p2n结,用PECVD方法[8]制备Si3N4减反射膜(ARC),用丝网印刷Al背场和电极,最后用快速烧结炉制备接触电极。制作的电池在25℃、AM1.5标准光谱条件下测试电池性能参数。

图2　PECVD镀ARC前后反射率

Fig.2　ReflectivitybeforeandafterPECVD

3　分析和讨论

3.1　光学性质

　　为了精确反映不同制绒条件下Si片表面的反射效果,对所有二次腐蚀制绒的Si片进行了反射谱的测试,并与进行一次腐蚀的Si片进行对比。反射率测试采用Carry5000紫外2可见2近红外分光光度计。　　从对反射谱进行加权计算得到的平均反射率,可以发现:1)A、E组,随着二次腐蚀时间的加长,各组反射率基本呈现变大的趋势,而C、D组缺乏规律性;2)B组腐蚀条件下的Si片反射率(21.35～22.51%)均小于对比组O组(只进行一次腐蚀)的Si片(22.7%),如图1所示。　　3)A1组制绒后平均反射率最低,加权后为20.34%,比对比组Si片少2.36%(绝对值),且在350～1050nm的范围内,A1组Si片反射率均明显低于O组,反射谱曲线如图2所示。　　由图2可见,用PECVD方法在Si片表面沉积一层厚度约为75nm的ARC后,各组Si片的平均反射率均有明显下降。A1组平均反射率为6.78%,对比组(O)为6.36%。在镀ARC前后,A1组反射率降低幅度略小于O组,但镀膜后反射率在550～1000nm范围略低于O组,且在更接近600nm的波长位

　　图3为A1、A2、A3组制绒后Si片表面形貌SEM图,均放大3000倍。从绒面形貌可以看出,在腐蚀1min时出现很多较深的沟槽,且沟槽形状多为狭长,约为9.25μm×2.66μm;腐蚀2min时,沟槽深度减小且形状较腐蚀1分钟时略宽,约为3.02μm×6.39μm;腐蚀3min时,沟槽深度和尺寸进一步减小,约为7.33μm×2.69μm。由此可知,随着二次腐蚀时间的延长,Si片表面趋于平坦,腐蚀坑深度变小,形状变圆,因此反射率随腐蚀时间的延长而变大。这是因为,在一次腐蚀过程中,HNO3所占比例较高,反应速率受HF的扩散进程控制;而在二次腐蚀阶段,HF比例较高,反应过程由HNO3的氧化还原所控制,HNO3在Si片表面氧化形成SiO2。由于多晶Si晶粒具有随机性,腐蚀过程中表面局部会被氧化物所覆盖,根据氧化物厚度和Si片表面结构,颜色会有所不同。实验中,通过用0.5%的NaOH溶液对Si片进行短时间处理可去除染色部分。腐蚀过程从最初的几个点快速腐蚀,然后逐渐散开到整个硅片,这也解释了从A1到A3表面形貌的变化趋势。但沟槽

・402・

　　　　　　　　　　　　　　　　　　光电子

2010年　第21卷　・激光　过深也会对后续工艺带来不利影响,如扩散过程中,磷硅玻璃

可能会填满沟槽,使之失去原有的陷光效果,且过深的沟槽不利于烧结过程中形成良好的欧姆接触。所以应综合考虑后续工艺的要求制备绒面,以达到提高电池效率的最终目的。

图3　不同制绒工艺处理后Si片表面形貌SEM

Fig.3　SEMof(a)sampleA1,(b)A2and(c)A3

3.2　电学性质

　　在制绒实验基础上,每组Si片用POCl3液态源扩散制备

p2n结,用PECVD方法制备ARC,用丝网印刷Al背场和电极,最后用快速烧结炉制备接触电极,制成电池。在25℃、AM1.5标准光谱条件下测试电池性能参数,见表2。本次实验所有组别中,A1组为绒面反射率最低的组,A3组为平均效率和填充因子最高的组。　　这两组经过二次腐蚀,开路电压Voc均明显高于对比组(O组),而短路电流Jsc提升效果并不明显;但效率η方面,反射率最低的A1组基本和O组持平,A3组相对O组有大幅提升。这再次说明,绒面反射率低意味着可以吸收更多的光,但与后续工艺的兼容性不一定能够保证,从而也不一定能够获得更高的效率。　　在二次腐蚀过程中,随着腐蚀时间的延长,腐蚀坑从少数较深的沟槽转变为面积较大,相对深度较浅的腐蚀坑,Si片表面趋于平坦。这样的绒面虽使得表面反射率变大,但更有利于后续扩散、镀膜工艺的均一性,以及烧结形成良好的欧姆接触。而电池表面的接触电阻是串联电阻Rs的重要组成部分。因此只有既能有效降低反射率增加光吸收,又能与后续工艺相适应的绒面,才能获得更好的电学性能。

表2　一次腐蚀与二次腐蚀制绒电池性能参数、反射率

Tab.2　Electricalpropertiesandreflectivityofsolarcellswithfirstandsecondarytexturingtreatment

SeriesReflectivity(withoutARC)/%

Reflectivity(withARC)/%

Voc/mVJsc/mA/cm2

Rs/ΩRsh/Ω

略大,因此FF大于A1组。虽然A3组的反射率较高,但在Voc、Jsc以及FF方面都好于A1组,从而η也明显优于A1组。

4　结　论　　提出了二次酸腐蚀多晶Si制绒的新工艺,通过对Si表面反射谱线的测量,表明不同二次腐蚀反应条件可以不同程度地降低绒面反射率。实验通过改变腐蚀时间和溶液配比,研究了不同工艺条件下绒面的光学性质;测试了不同绒面制备太阳电池的输出参量。实验结果表明,二次腐蚀制绒最佳工艺条件为A3组,其未镀膜的绒面反射率(21.94%)略低于常规工艺组O组(22.7%),短路电流、开路电压、填充因子及效率(14.93%)同O组相比,均得到了明显提升。

参考文献:

[1]　MartinAGreen.SiliconSolarCells:AdvancedPrinciples&

Practice[M].Australia:UniversityofNewSouthWales,CentreforPhotovoltaicDevicesandSystems,1995.[2]　DUANLing2wei,XUEJun2ming,YANGRui2xia,etal.Oxygen

flowratedependenceofthepropertiesoftexturedZnO:Alfilms[J].JournalofOptoelectronics・Laser(光电子・激光),2008,19(9):120621209.(inChinese)

[3]　Willeke,NussbaumerH,BenderH,etal.Asimpleandefficient

lighttrappingtechniqueforpolycrystallinesiliconsolarcells[J].SolarEnergyMaterialsandSolarCells,1992,26:3452356.

[4]　FukuiK,InomataY,ShirasawaK.Surfacetexturingusingreac2

tiveionetchingformulti2crystallinesiliconsolarsells[A].Pro2

ceedingsonIEEE26PVSC[C].1997.[5]　ZHAOJian2hua,WANGAi2hua.CampellPatric,etal.A19.8%

efficiencyhoneycombmulticrystallinesiliconsolarcellswithimprovedlighttrapping[J].IEEETransActionsonElectronDe2vices,1999,46:197821983.[6]　VazsonyiE,FriedM,LohnerT,etal.HighefficiencysiliconPV

cellswithsurfacetreatmentbyanodicetching[A].Proc.13ECPhotovoltaicSolarEnergyConf.,[C].1995,37240.[7]　SUNXiao2feng,WANGHai2yan,LUJing2xiao,etal.Preparation

oflarge2areatexturedpolycrystallinesilicon[J].SemiconductorOptoelectronics,2004,25(3):1972200.[8]　CHENYu2wu,HAOQiu2yan,LIUCAI2Chi,etal.Investigationof

thepropertiesofin2linPECVDsiliconnitrideafterRTP[J].JournalofOptoelectronics・Laser(光电子・激光),2008,19(10):135721360.(inChinese)[9]　JennyNelson.PhysicsofSolarCells[M].UK:ImperialCollege,

UK,2003.

A120.346.78607.431.240.02639.850.72613.80A321.947.04609.331.860.02054.060.76914.93O22.706.36593.431.590.023171.10.73613.81η/%　　从太阳电池基本原理可以知道,Rs越小和并联电阻Rsh越

大时,填充因子FF越大。A3组与A1组相比,其Rs略小、Rsh

作者简介:

吕肖前(1984-),女,硕士研究生,主要从事太阳能电池制绒方面的研究1

因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容

查看全文