1、 太阳电池单晶硅绒面制备及应用 摘要 摘 要 表面反射是太阳电池发电能量损失的一部分，绒面结构能降低表面的反射率，提高太阳光的利用率。各向异性腐蚀，即在不同的晶面上有不同的溶解速率，是在碱性溶液中硅腐蚀的一个典型的特征。 100晶向的单晶硅片在碱性溶液中的异性腐蚀能够在硅片表面形成覆盖 “ 金字塔 ” 形四方锥的绒面结构。入射到四方锥侧面的光线其反射光将入射到临近四方锥，同一束光形成了二次入射，起到了陷光效果。本文选用氢氧化钠 乙醇系统进行了绒面制备研究，实验采用正交实验法对影响绒面制备的因素进行了分析；利用扫描电子显微镜 （ SEM）分析样品表面形貌，观察表面四方锥的大小及分布；用带积分球的
2、分光光度计测试了样品的表面反射率，反射率作为评价表面绒面陷光效果的重要指标。 氢 氧化钠溶液浓度、溶液温度、腐蚀时间和添加剂乙醇的用量都是影响单晶硅表面绒面制备的因素，通过正交实验得到氢氧化钠浓度在 1wt%到 4wt%范围内影响不显著；温度在 80 95 范围内硅片表面反射率变化不显著 ;而腐蚀时间和添加剂乙醇用量是绒面制备的显著因素；随着腐蚀时间的增长，表面四方锥的大小会一步一步突显 “ 长大 ”，分布也比较均匀，最优的腐蚀时间为 30 分钟；乙醇可以降低溶液表面的张力，有利于加快表面气泡的逸出，对调整异性因子和提高绒面一致性都有好处，但是用量太多反而会降低异性因子，最优的用量为 5vol
3、%。在优化条件下，得到绒面样品表面加权平均反射率为 14.65%，接近理论加权平均反射率值 13.5%。 分析了去损伤层的厚度对绒面的影响，去损伤层不充分会引起制备的表面绒面外观不均匀。 90 下，在 10%的氢氧化钠溶液中至少去损伤层 4 分钟，这时去损伤层的厚度为 25 m 左右；分析了四方锥大小对反射率的影响，当四方锥在 510 m 左右时，表面反射率比较低，当四方锥大小为 5 m 时，反射率最低。 “ 花片 ” 现象是表面外观不均匀的现象，不会影响硅片表面的陷光效果和太阳电池的电学性能，最主要是因为腐蚀溶液的不稳定造成的。硅酸钠作为添加剂会提高制备绒面的稳定性，当硅酸钠用量为 0.4w
4、t%的 时候表面陷光效果最好，外观比较均匀。磷酸钠也可以替代硅酸钠作为添加剂。 将 绒面制备方法应用到了工厂太阳电池工艺中，制备了单晶硅绒面电池，得到的电池效率为 14.72%，填充因子为 0.7316。 关键词： 绒 面 陷 光 正交实 验 “ 花片 ” 现 象 I 硕士学位论文 II ABSTRACT ABSTRACT Surface reflection is part of the energy loss when generate electricity by solar cells, textured surface structure can reduce the surface
5、 reflection ratio and raise the utilization of sunlight. Anisotropic etching which means have different etching speed on different orientation, is a typical characteristic of wafer etching in alkaline solution. Anisotropic etching that happened on 100 orientation of monocrystalline wafer in the alka
6、line solution can form a tetrahedron texture structure like“ pyramid” on the wafer surface. Light incident to one tetrahedron, then the reflected light will incident to the neighboring tetrahedron, so the light come to be couple-incidence, so light trapping happened. In this thesis, we did some text
7、ure research by sodium hydroxide-ethanol system and analyses the factors that affect the texture producing by orthogonal experiment; analyzing the sample surface by Scanning Electron Microscopy (SEM)， observe the size and distributing of tetrahedrons on the surface; test the surface reflection ratio
8、 of the sample, reflection ratio is an important value used for evaluate the light trapping effect. Sodium hydroxide solution concentration, temperature of solution, etching time and the dosage of additive ethanol, all of these are the factors that effect on the surface texturisation of monocrystall
9、ine wafer, according to the orthogonal experiment we know that the effect is not so obvious when the concentration of sodium hydroxide between 1wt% to 4wt%; reflection change of wafer surface is not obvious when temperature between 8095 ; the size of tetrahedrons will keep growing when lengthen etch
10、ing time, and finely dispersed, the best etching time is 30minutes; ethanol can reduce the tension of solution surface, be propitious to the transgression of surface bubble, is good for adjust the Anisotropic Factor(AF)r and raise the texture consistency, but will reduce the AF if over committing. T
11、he optimization dosage is 5vol%. After analyzing the effect of the saw-damage depth to the texture, the surface will be not so uniform if the saw-damage not fully removed. At 90 ,need at least 4 minutes to remove the saw-damage in the 10% sodium silicate solution, at this time,the removed depth is a
12、bout 25 m. We have analyzed function of the size of tetrahedron effect to the reflection, when the size of tetrahedron is 510 m,the III 硕士学位论文 surface reflection is low, and the surface reflection is lowest when the size of tetrahedron is 5 m. skewbald surface phenomenon means the surface is not sym
13、metrical, this will not affect the light trapping and the electricity performance of the wafer surface, it appears when the etching solution is not stable. As a additive, sodium silicate will raise the stability when generating texture. We can get the best light trapping effect and uniform surface w
14、hen the dosage of the sodium silicate is 0. 4wt%. Sodium phosphate can be used as additive instead of sodium silicate。 We have applied the texturisation method to production, produced the monocrystalline silicon solar cells, and get the cell efficiency 14.72%, fill factor 0.7316. Keywords: texturisa
15、tion； light trapping； orthogonal experiment； skewbald surface phenomenon IV 目录 目 录 摘要 . ABSTRACT. 第一 章 综述 . 1 1. 1 太阳能资源分布 . 1 1.2 光伏发电发 展现状 . 2 1. 2.1 世界光伏发电现状 . 2 1. 2.2 我国光伏产业现状 . .3 1. 2.3 高效太阳电池 . 4 1.3 影响太阳电 池效率 的因 素 . 7 1. 4 绒面技术 . 9 1. 4.1 机械刻槽工艺 . 9 1. 4.2 等离子刻蚀法 . 9 1. 4.3 光刻技术 . 10 1. 4.4
16、 电化学腐蚀法 . 10 1. 4.5 湿化学腐蚀法 . 11 1. 5 本课题研究内容 . 13 第二章 陷光结构及异 性腐蚀 机理模型 . 14 2.1“ 陷光 ” 光学模型 . 14 2. 2 硅在 NaOH 溶液中的反应 . 14 2. 3 异性腐蚀模型 . 15 2. 3.1 速率控制过程 . 15 2. 3.2 钝化模型 . 16 2. 3.3 基于表面反应动力学的模型 . 17 2. 3.4 各向异性腐蚀机理 . 18 2. 4 异性因子 . 21 2. 5 本章小结 . 21 第三章 异性腐蚀绒面 制备及 结果分析 . 22 3. 1 实验药品及设备 . 22 3. 2 实验过
17、程 . 22 3. 3 测试与表征 . 23 3. 3.1 扫描电镜 . 23 3. 3.2 分光度计 . 23 3. 3.3I-V 曲线测试仪 . 23 V 硕士学位论文 3.4 太阳辐射光谱及反射率计算 . 24 3.5 去损伤层厚度与时间的关系 . 25 3.6 正交实验设计及结果分析 . 27 3. 6.1 四方锥大小对反射率的影响 . 33 3. 6.2 碱溶液浓度、温度、添加剂和时间对绒面制备的影响 . 34 3.7 优化条件下扩大实验 . 37 3. 8 本章小结 . 39 第四章 绒面 “ 花片 ” 改进及工厂应用 . 40 4.1 绒面 “ 花片 ” 微观形貌 . . 40
18、4.2 在工厂应用时会碰到的问题 . 41 4. 2.1 硅片清洗 . 41 4 . 2 . 2 在工厂应用时出现的问题 . 41 4. 2.3 Na2 SiO3 对绒面制备的影响 . 41 4. 2.4 用 Na3 PO4 作为添加剂试验 . 44 4.3 单晶硅绒面电池制备 . 45 4. 3.1 太阳电池基本理论 . 45 4. 3.2 太阳电池工艺 . 48 4. 3.3 工厂应用情况 . 49 4.4 本章小结 . 51 结论 . 52 参考文献 . 54 攻读学位期间发表的论文 . 57 致谢 . 58 附录 1. . . . . . . . . . . . 59 附录 2. .
19、. . . . . . . . . . 60 VI 第一章 绪论 第一章 绪论 能源是国民经济发展和人民生活水平提高的重要物质基础。目前，我国能源供应主要依赖煤炭、石油、天然气等化石能源，但化石能源的资源有限性和开发利用带来的环境总是严重制约着经济和社会的可持续发展。可再生能源包括有太阳能资源、风力发电资源、生物质能源、水电资源以及地热资源和海洋能资源，它们资源丰富、分布广泛、环境影响小、可持续利用，加快可再生能源的开发利用是解决我国能源和环境的重要途径和措施。 1.1 太阳能资源分布 各地太阳能资源的分布情况，决定于各地的纬度、海拨高度及气候状况。 总的来讲，在美国西南部、非洲 、澳大利亚等
20、地总辐射量或日照时数都最大。 而在加拿大与西北欧洲是太阳能资源丰度最低的地区。 图 1-1 中国太阳能资源分布 1 6700MJ/m2； 54006700 MJ/m2； 42005400 MJ/m2； 4200 MJ/m2 我 国太阳能资源比较丰富，特别是西部地区的西藏、青海、新疆、甘肃、 宁 夏、内蒙古高原的总辐射量和日照时数均为全国最高，属世界太阳能资源丰富地区之一，年日照时间达 3000h 以上，而我国无电地区大多集中于此。全国 1 硕士学位论文 2/3 以上地区的年日照大于 2200h，年均辐射量约为 5900MJ/m2。我国各地区的太阳能资源分布如图 1-1 所示。 广州亚热带季风气
21、候显著，全年气温暖热少寒，夏长冬短，雨量充沛，雨季明显，阳光充足。广州地区年总辐射量在 44005000MJ/(m2 a)之间。 太阳能是资源最丰富、最清洁、取之不尽、用之不竭的可再生能源。 1.2 光伏发电发展现状 1. 2.1 世界光伏产业现 状 由 于环保意识的增强以及世界各国政府的大力支持，世界太阳光伏发电发展迅速，在 1988 年到 2001 年的 13 年间太阳电池市场的平均年增长率为 22%。而在最近的 2001 年到 2004 年间，太阳电池市场的年增长率更是达到 43%。 图 1-2 2005 年世界太阳光伏安装量 2 2005 年世界太阳电池产量由 2004 年的 1146
22、MW 增加到 1656MW，产量增长了 44%。日本企业继续保持领先，占产量的 46%，欧洲占 28%，美国在 2005 年的产量为 156MW。 2005 年世界太阳光伏的安装量创纪录的高达 1460MW，如图 1-2 所示。德国的光伏市场在 2005 年增长了 53%达到了 837MW，占世界光伏市场的 57%。八倍于美国市场，日本增长了 14%达到 292MW。 太阳能光伏发电能在最近的时间内发展如此迅速，与发达国家政府积极的推广政策分不开，如德国，他们通常采用有如下政策：提供优惠贷款、津贴支 2 第一章 绪论 持、制定光伏研发计划、相关立法支持、公司税（营业税）减免扶持和对于可再生能源
23、生产者给以较高标准的固定补贴等。例如投资可再生能源的企业，国家可以以低于市场利率 12 个百分点的优惠利率，提供相当于设备投资成本 75%的优惠贷款 3 。目前德国光伏产业已经成为一个非常活跃的经济行业。 2004 年德国光伏安装总量首次超过日本，走在了世界的前列，这也为我国的光伏发展提供了许多值得借鉴的经验。 1. 2.2 我国光伏产业现 状 我 国于 1958 年开始研究太阳能电池，于 1971 年首次成功地应用于我国发射的东方红二号卫星上。于 1973 年开始将太阳能电池用于地面。 在 “ 六五 ” (1981-1985)和 “ 七五 ” (1986-1990)期间，国家开始对光伏工业和
24、光伏市场的发展给以支持，中央和地方政府在光伏领域建立了示范，如微波中继站、部队通讯系统、水闸和石油管道的阴极保护系统、农村载波电话系统、小型户用系统和村庄供电系统等。同时，在 “ 七五 ” 期间，国内先后从国外引进了多条太阳能电池生产线，除了一条 1MWp 的非晶硅电池生产线外 ，其它全是单硅电池生产线，使得我国太阳能电池的生产能力增加到 4.5MWp/年 (实际年销售量达到 0.5MWp)，售价也由 “ 七五 ” 初期的 80 元 /Wp 下降到 40 元 /Wp 左右，这对于光伏市场的开拓起到了积极的推动作用。太阳能电池已不再仅仅用于小功率电源系统，而开始广泛用于通信、交通、石油、农村电气
25、化、民用产品等各个领域，光伏发电不但列入到国家的攻关计划，而且列入到国家的电力建设计划，同时也在一些重大工程项目中得到采用，如国家计委的 “ 光明工程 ” 、电力部的西藏无电县建设计划，西藏阿 里光电计划、林业部的森林防火通信工程、邮电部的光缆工程、石油部的管道阴极保护工程、广电部的村村通工程等。 2001 年，我国的太阳能电池年实际年销售量已达 4.5 MWp，累计用量超过 20 MWp。 2002 年，原国家计委启动了 “ 西部省区无电乡通电计划 ” ，即 “ 送电到乡 ” 工程，通过光伏和小型风力发电的方式，最终解决了西部七省区 (西藏、新缰、表海、甘肃、内蒙、陕西和四川 )近 800 个无电乡的用电问题，光伏组件用量达到 19.6MWp，风力发电机 840KWp。这一项目的启动大大刺激了光伏工业的发展，国内建起了几条太阳能电池的封装线，使我国太阳能电池组件的年生产能力迅速达到 100MWp(组件封装能力 )， 2002 年当年销售量为 20MWp。 而最近的几年受国际光伏市场的推动，中国的光伏产业发展迅速，涌现出一大批新兴的光伏企业，如无锡尚德、南京中电、保定英利等。 目 前光伏发电最关键的问题还是提高转换效率和降低成本。影响太阳电池 3
