多晶制绒刻蚀深度对电池片转化效率的影响

采用HF、HNO3和纯水的混合溶液对多晶硅片进行表面酸腐蚀绒面制备。实验通过调整制绒设备滚轮转速来控制刻蚀深度,制备出深度分别为3.2μm、3.5μm和3.8μm的电池硅片,然后进行相同的电池生产工序,制备出生产用电池片。
摩尔光伏     2017-1-16 15:25:38


摘要:采用HF、HNO3和纯水的混合溶液对多晶硅片进行表面酸腐蚀绒面制备。实验通过调整制绒设备滚轮转速来控制刻蚀深度,制备出深度分别为3.2μm、3.5μm和3.8μm的电池硅片,然后进行相同的电池生产工序,制备出生产用电池片。对比制绒微观形貌和电学性能参数,结果显示:在片源、电池生产实验工艺参数相同,制绒刻蚀深度为3.5μm时,制备出的绒面微观腐蚀坑均匀致密,电池转换效率最优。


  在太阳能电池的生产工艺中,硅片表面绒面的优化制备是提高电池转换效率的有效手段。目前多晶硅片绒面的制备技术有:机械刻槽[1]、等离子刻蚀[2]和各向同性酸腐蚀。机械刻槽和等离子刻蚀技术制备出的多晶绒面有很好的陷光效果,但因其相对复杂的处理工序和昂贵的加工设备,不能满足工业化的大批量生产[3]。酸腐蚀制绒技术因其成本低和简单的工序,可以广泛应用到太阳能电池的规模生产中。因此,对酸腐蚀制绒技术的研究有着重要的意义。

  该实验是将多晶硅片置于酸/碱溶液中进行多次化学反应,对多晶硅片进行腐蚀、清洗、干燥,在硅片表面形成减反射的绒面结构,再将硅片依次经过扩散、激光刻槽、湿法切边、去PSG、PECVD镀膜、丝网印刷、烧结和筛选等工艺,最后制成实用的太阳能电池片。制绒制备的减反射绒面结构,当入射光在其表面多次反射延长了光程,增加了对红外光子的吸收,增强了电池片对光线的吸收能力,从而提高了电池片的转换效率,其制绒的主要反应方程式为:

  Si+2HNO3=SiO2+H2O+NOx

  SiO2+6HF=H2SiF6+H2↑


1

实验辅材及设备


  实验选用江西赛维LDK太阳能高科技公司生产的P型M2多晶硅片,面积为156mm×156mm;制绒酸腐蚀液为49%的HF,67%的HNO3和纯水;制绒后的硅片用显微镜观察其微观形貌,制绒设备为Centrothern公司生产的多晶槽式设备。


2

结果分析


  2.1生产线各工艺参数对比

  该实验中各工艺段的所用的参数如表1所示。


  除制绒刻蚀深度有较大差别外,其他工艺实验采用相同的参数,因生产过程中会有些许差异,所以每组电池片生产数量为500片,以保证实验的稳定和准确性,表1中参数为每组电池片在各工艺中的平均值。A组刻蚀深度为3.5μm,B组刻蚀深度为3.2μm,C组刻蚀深度为3.8μm。

  2.2微观形貌分析


  酸制绒绒面微观腐蚀坑呈蠕虫状。该实验制得的绒面微观外貌在显微镜下观察如图1所示。图1中(a)、(b)和(c)分别为制绒刻蚀深度是3.2μm、3.5μm和3.8μm的硅片的微观腐蚀坑形貌图,放大倍数为50倍。从图中可以看出,3.5μm的硅片其制绒蠕虫状的腐蚀坑比3.2μm的均匀、致密,但坑的长度和宽度相差不大。该实验是通过滚轮速度来控制制绒深度,硅片在腐蚀液中的时间越长,其刻蚀量越多。硅原子与HNO3反应在硅片表面形成点蚀坑,并迅速形成一层SiO2膜,该膜随之被HF去除。硅片表面在腐蚀液中经过较长时间的氧化、溶解过程,即形成如图1所示的蠕虫状腐蚀坑。当刻蚀深度为3.8μm时,由于浸泡时间较长,形成的腐蚀明显变宽变长。由图1可知,3.5μm时的硅片表面形成的腐蚀坑大小均匀、致密,有利于光的吸收。

  2.3电学参数分析

  实验制得的电池硅片在最后进行模拟光照实验,光照过程中产生不同的短路电流、开路电压、并联电阻和串联电阻,同时记录电池片的填充因子和光电转化效率。图2是实验中不同刻蚀深度下各参数的对比柱状图和效率散点图。


  图2为三组电池片各电学参数柱状图和转换效率的散点图。刻蚀过浅,硅片表面织构化不好,从图2可以看出,3.2μm硅片的腐蚀坑不够致密,这样造成绒面存在较大的表面反射率,导致Isc偏低;绒面制备效果不好,同样也影响随后的扩散效果,使pn结不均匀,Uoc出现低落现象;原材料硅片表面存在一定的损伤层,制绒不够会残留表面损伤层,形成漏电流,影响短路电流和并联电阻,从而影响填充因子,最终电池片的转换效率受限。

  在刻蚀深度为3.8μm时,刻蚀过深,腐蚀坑大而深,太阳光难以达到沟槽的深处,减少了电池片对太阳光的接受面积,增加漏电流,降低短路电流,最终影响转换效率[4]。在刻蚀较深时,腐蚀坑边缘较圆滑,减少了金属与硅发射极之间的接触电阻,故有较高的填充因子[5]。

  适中的制绒深度3.5μm下,腐蚀坑密度大而均匀,可使光在其表面多次往返,延长了光程,增加了光的吸收,降低表面反射率,提高了电池片的填充因子,最终得到较好的转换效率。

3

结语

  文章研究了在酸性多晶制绒条件下,不同制绒深度对电池电学性能的影响。研究发现:在采用相同电池片生产工艺的条件下,过浅或过深的制绒深度均会影响电池片的电流,降低转换效率。在采用适中的制绒深度3.5μm时,制备出的电池片的微观腐蚀坑密度大而均匀,转换效率为最佳,500片电池片的平均效率为17.51%。

  但在工业生产中,酸性制绒属于化学反应,批量生产中存在不稳定性,故在工业生产中寻求工艺的稳定是目前多数企业及研究领域的重点。


参考文献:

[1] GERHARDS C. MARCKMANN C,TONE R. et al. MechanicallyV - textured low cost multi - crystalline siliconsolar cells with a novel printing metallization[C]/ /Proc ofthe 26th Photovoltaic Specialists Conference. Anaheim,CA,USA, 1997: 43 - 46.
[2] RUBY D S,ZAIDI S H,NARAYANAN S, et al. RIE - texturingof industrial multicrystalline silicon solar cells[J].J. Sol. Engrgy Eng, 2005, 127( 1) : 146 - 149.
[3] PARK S W,KIM J. Application of acid texturing to multicrystallinesilicon wafers[J]. Journal of the Korean PhysicalSociety, 2003, 43( 3) : 423 - 426.
[4] ZHANG Fa - yun,YE Jian - xiong. Texturing of multicrystallineSilicon with acidic etching[J]. Acta Photonica,2011, 40( 2) : 222 - 226.
[5] 王坤霞,冯仕猛,徐华天,等. 表面钝化对多晶硅绒面形貌的影响[J]. 光子学报, 2012, 41( 2) : 236 - 239.



李雪方,孟汉堃,武佳娜,刘文超
山西潞安太阳能科技有限责任公司






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