黑硅與黑硅太陽電池的制備與性能研究.pdf

1、眾所周知,在當(dāng)前光伏市場中,晶體硅太陽電池仍然占據(jù)著絕大部分份額。隨著人類需求的增加,人們對晶體硅太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的要求也越來越高。在眾多提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率的方法中,降低硅片表面反射率是一種非常有效的方式,于是出現(xiàn)了黑硅這個概念。黑硅是一種在紫外至近紅外波長范圍內(nèi)都具有極低反射率的材料,正是黑硅的這個特性使得其吸引了業(yè)界廣泛的關(guān)注,同時黑硅的制備方法和性能也成為領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)。
　　本論文首先采用SF6和O2作為反應(yīng)氣體,

2、通過反應(yīng)離子刻蝕(Reactive ion etching, RIE)法在已制備金字塔的單晶硅表面上制備了黑硅結(jié)構(gòu)。相對于現(xiàn)有的RIE工藝,本實(shí)驗(yàn)是在室溫、不加脈沖偏壓且沒有掩膜的情況下進(jìn)行的,研究了不同刻蝕參數(shù)對黑硅性能的影響規(guī)律,并結(jié)合 RIE法制備黑硅結(jié)構(gòu)的機(jī)理對所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明,刻蝕功率、SF6和O2流量比(26 OFSF/F)以及刻蝕時間對所制備的黑硅的結(jié)構(gòu)形貌、表面反射率以及少子壽命有著非常重要的影響。最

3、終在刻蝕功率為150W、26 OFSF/F為18sccm/6sccm和刻蝕時間為20min的條件下制備出了在400-900nm范圍內(nèi)表面反射率為4.94％的單晶黑硅樣品,同時該樣品的少子壽命為8μs。
　　但是,RIE法制備黑硅時需要在真空環(huán)境中進(jìn)行,且RIE設(shè)備昂貴,制備周期長,所以該方法不是很適合低成本產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。本文選用了工藝簡單、制備周期短和低成本的金屬輔助化學(xué)腐蝕(Metal-assisted chemical etch

4、ing, MACE)法。在現(xiàn)有的MACE法中所采用的輔助金屬都屬于貴金屬,如鉑(Pt)和金(Au)等。因此,本文采用更廉價的金屬Ni來作為輔助金屬,研究了不同工藝參數(shù)對所制備的黑硅性能的影響,同時結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了Ni輔助化學(xué)腐蝕法制備黑硅結(jié)構(gòu)的原理。研究結(jié)果表明,腐蝕溫度、腐蝕液中 H2O2濃度和腐蝕時間對黑硅的結(jié)構(gòu)形貌、表面反射率和光致發(fā)光性能有著非常重要的影響,經(jīng)過優(yōu)化工藝參數(shù),我們制備出了表面反射率為1.59%(400-900n

5、m)的單晶黑硅。同時,由于Ni的電負(fù)性只有1.91,只比Si(1.90)大0.01,因此,在Ni輔助化學(xué)腐蝕硅的過程中,Ni納米顆粒從Si中得電子的速度小于腐蝕液從Ni中得電子的速度,致使Ni本身的電子被奪去,最終導(dǎo)致Ni納米顆粒在輔助腐蝕過程中消失。而Pt(2.28)和Au(2.54)的電負(fù)性比Si(1.90)大更多,因此Pt和Au從Si中得電子的速度要比Ni從Si中得電子的速度快,從而可以保證自身的電子不會失去。另外,結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可

6、以分析出,Ni輔助化學(xué)腐蝕法制備黑硅結(jié)構(gòu)的過程中,其腐蝕方向傾向于<111>方向。
　　由于上述 Ni納米顆粒是采用磁控濺射法制備的,為了降低制備成本,本文嘗試了采用化學(xué)法在硅片表面制備Ni納米顆粒。但發(fā)現(xiàn)化學(xué)法制備的Ni極易成膜,很難形成納米顆粒分布在硅片表面,且其與硅片的接觸不是很好,導(dǎo)致后期腐蝕過程中Ni膜直接脫落,無法進(jìn)行輔助腐蝕。因此,本著低成本產(chǎn)業(yè)化的目的,本文采用全化學(xué)法的 Ag輔助化學(xué)腐蝕法制備了單晶黑硅結(jié)構(gòu),研究

7、了不同工藝參數(shù)對黑硅性能的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,Ag顆粒沉積時間、腐蝕液中 H2O2濃度、腐蝕溫度和腐蝕時間對樣品的結(jié)構(gòu)形貌、表面反射率、光致發(fā)光性能有著極其重要的影響,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了不同腐蝕深度和不同腐蝕孔徑的硅納米結(jié)構(gòu)的減反射原理。最終經(jīng)過工藝參數(shù)的優(yōu)化,制備出了在400nm至900nm波長范圍內(nèi)平均反射率為0.98%的單晶黑硅,且發(fā)現(xiàn) Ag納米顆粒優(yōu)先在金字塔的頂端和四條棱邊處形核和長大。為了進(jìn)一步降低成本和簡化工藝,本文

8、采用一步腐蝕法并將 AgNO3濃度降低為原來1/200,最終制備了400nm至900nm范圍內(nèi)表面反射率為1.11%的黑硅結(jié)構(gòu)。
　　目前光伏市場上主要以多晶硅太陽電池為主,主要原因是其價格相對單晶硅較便宜。同時,在表面反射率方面,制絨后的單晶硅為13%,沉積完SiNx減反射膜后僅為4%,而制絨后的多晶硅的表面反射率則大于20%,沉積完SiNx減反射膜后仍有10%。因此,多晶硅的表面反射率的可降低空間更大,又由于其價格相對較便宜,

9、所以本文采用全化學(xué)法的 Ag輔助化學(xué)腐蝕法來制備多晶黑硅結(jié)構(gòu),同時,在 Ag輔助化學(xué)腐蝕法制備黑硅電池的工藝中,由于該工藝制備的腐蝕孔洞的孔徑偏小,以至于后期PECVD法沉積的SiNx薄膜不能完全沉積到腐蝕孔洞底部,致使腐蝕孔洞底部出現(xiàn)大量的裸硅表面,最終導(dǎo)致光生載流子在此處被復(fù)合。因此,本文采用稀釋的NaOH溶液對多晶黑硅表面進(jìn)行擴(kuò)孔處理,以便于腐蝕孔洞底部能被徹底鈍化。研究了NaOH擴(kuò)孔時間對所制備的黑硅結(jié)構(gòu)形貌以及光學(xué)性能的影響規(guī)