倒四棱锥结构在晶硅太阳能电池上的研究与应用

发布时间：2020-04-25 08:30

【摘要】：太阳能电池一直朝着高效率和低成本的方向发展,其中,晶硅太阳能电池一直占据着光伏市场主要份额。光学损失和电学损失是限制太阳能电池效率的主要因素。对于单晶硅而言,通常采用碱的各向异性刻蚀制备正金字塔结构来降低表面反射率,而倒金字塔结构由于具有更加优异的光学和电学特性被广泛应用于高效太阳能电池当中。但是,目前倒金字塔结构的制备通常需要复杂的工艺,包括光刻、激光等技术,不适用于太阳能电池的产业化。我们组采用了一步法铜催化刻蚀法制备了大面积的倒金字塔结构,对比工业化生产的正金字塔结构具有工艺简单、成本较低等优点。本文研究了碱各向异性刻蚀和铜基酸溶液各向异性刻蚀的差异,以及正金字塔和倒金字塔的形成机理。为了解决金刚线切割多晶硅制绒的问题,我们创新性地引入了铜银共催化刻蚀制备了倒四棱锥结构,其具有低反射和易钝化的特性,并且有效地解决了多晶硅上的色差问题,且该制备工艺简单,与现有的太阳能电池制备工艺兼容。本文中系统地研究了碱和铜催化各向异性刻蚀的差异。碱的各向异性刻蚀特性来自于不同晶面取向的硅表面原子悬挂键密度和背键结构不同,以及其细微的能级差别。碱的各向异性刻蚀再加上其整体刻蚀过程以及点状的形核模式,最终刻蚀得到正金字塔结构。铜催化各向异性刻蚀特性是由于Cu~(2+)/Cu较弱的氧化还原势以及不同取向硅表面原子的电子态不同,铜的沉积呈现出各向异性,从而导致了硅的各向异性刻蚀。铜催化各向异性刻蚀再加上其是局域刻蚀过程以及坑状的形核模式,最终刻蚀得到倒金字塔结构。此外,铜催化刻蚀最终的结构都是由{111}面组成,与衬底的取向无关。与碱刻蚀不同的是,铜催化各向异性刻蚀的各向异性因子与(100)和(111)表面悬挂键密度的比值非常接近,由于金属催化的特性,其在(111)面上也具有较快的刻蚀速率(0.54μm/min),而碱刻蚀的速率基本上趋近于零。通过对铜催化刻蚀的深刻理解,我们可以精确控制倒金字塔的形貌结构参数,包括尺寸,粗糙度以及反射率等。进一步地,我们制备了基于倒金字塔结构的PERC太阳能电池,由于倒金字塔结构优异的减反射性能,其短路电流较正金字塔绒面结构的PERC电池高,同时,其下凹且开阔的结构特性非常有利于电极的填充,在接触电阻方面具有明显优势,大大提高了填充因子,最终提升电池效率。我们创新性地采用一步法铜银共催化刻蚀法制备了具有优异的减反射性能和易钝化的结构特性的倒四棱锥结构,不仅解决了金刚线切割多晶硅的制绒难题,还解决了制绒后的色差问题。铜银共催化刻蚀法的机理是利用了银催化具有较强的纵向刻蚀能力和铜催化刻蚀具有较强的横向刻蚀能力,即在铜银共催化刻蚀过程中,银催化的纵向刻蚀负责向下挖孔,而铜催化的横向刻蚀负责扩孔,挖孔和扩孔在同一步骤完成。此外,我们通过控制工艺条件,权衡铜催化的横向刻蚀特性和银催化的纵向刻蚀特性,得到了高宽比可控的倒四棱锥结构。进一步地,我们研究了基于一步法铜银共催化刻蚀法制备倒四棱锥结构的多晶硅太阳能电池的制备工艺。制备了156 mm×156 mm大面积金刚线切多晶硅太阳能电池,获得了19.49%的超高转化效率,相比于传统的砂浆切割酸制绒电池平均效率提升0.5%以上,而相比于金刚线切割的酸制绒电池,效率提升更多,达到了1.5%绝对值。更重要的是,采用铜银共催化刻蚀法在多晶硅上制备倒四棱锥结构,不需要前处理去损伤层以及后处理扩孔,是真正意义上的一步法制绒,工艺简单,成本较低,非常有利于产业化生产。
【图文】：

能源结构

较于风能、核能和海洋能等能源，太阳能有取之不竭、用之不尽的优势认为是未来最具有竞争性的可再生清洁能源之一。因此，太阳能已经纪取代传统化石能源的最佳选择。2004 年欧洲联合研究中心（JRC）根技术的发展潜力及其资源总量，对未来 100 年的能源需求总量和结构预测：太阳能在未来能源结构中的占比将越来越大，并将在 21 世纪图 1.1 能源结构和发展供应图（来自 JRC）

太阳能电池,转换效率,生产规模化,光伏技术

随着光伏技术不断的进步与生产规模化的扩大，，光伏发电的成本显著降低越来越多的国家已将太阳能光伏产业视作重要的新兴产业。2016 年太阳能光伏新增装机容量首次超过风电与水电，达到 76 GW。从图 1.3 由 ITRPV 提供的光伏组件光平均售价与累积组件出货量关系图可以看到，2017 年太阳能光伏组件图 1.2 从 1975 年到 2018 年不同种类太阳能电池的最高转换效率（来自 NREL）
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4

【参考文献】