化学辅助皮秒激光可控制备晶硅高效减反射疏水表面微结构的研究

发布时间：2017-09-25 22:15

  本文关键词：化学辅助皮秒激光可控制备晶硅高效减反射疏水表面微结构的研究

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【摘要】：制备具有陷光微结构的减反射绒面,是提高太阳能电池转化效率的重要途径之一。目前,晶硅太阳能电池仍占据着光伏产业中的大部分市场份额。晶硅分为单晶硅和多晶硅,对于单晶硅太阳能电池,常用的制绒方法为碱溶液各向异性腐蚀制备随机金字塔绒面结构;对于多晶硅太阳能电池,常用的制绒方法为酸溶液腐蚀制备多孔硅绒面结构。但两种方法制备的绒面结构均由于陷光微结构单元的尺寸、形貌及分布的随机性难以控制,而致反射率难以进一步降低,平均典型值高于10%。本论文以进一步降低晶硅太阳能电池表面反射率为目的,提出了一种基于超快皮秒激光的化学辅助激光复合加工方法,制备出新型的绒面结构,同时所制备绒面结构具有优异的陷光性能、良好的疏水和光致发光特性,使材料表面获得多种功能特性,有望提高器件的光电及机械性能和使用寿命等,具有良好的应用发展前景。采用1064 nm波长皮秒激光分别对单、多晶硅片表面进行扫描获得微米级孔阵列,之后使用短时化学腐蚀的方法对阵列表面进行处理,通过皮秒激光加工和化学腐蚀双重调控工艺,制备了两种新型硅基减反射绒面。对于单晶硅,使用热碱溶液对孔阵列表面进行各向异性腐蚀,获得了微-纳米双结构锥孔绒面,其在微米级的孔单元内部具有纳米级的阶梯状陷光精细结构;对于多晶硅,使用酸溶液对孔阵列表面进行各向同性腐蚀,获得了多孔硅绒面结构,其在微米级的孔单元上形成了密集的纳米孔陷光结构。通过SEM和激光共聚焦三维形貌仪获取两种绒面的表面形貌特征,使用分光光度计测量样品的反射率,研究了激光工艺参数和化学腐蚀参数不同调控匹配对新型减反射微结构形成的作用机制,结合反射率测量结果,确定了最佳腐蚀时间;采用FDTD模拟分析方法,探究了表面形貌对降低反射率的影响;对样品进行了接触角测试,并分析了所获绒面结构在疏水性方面的特性及应用优势;对样品的光致发光特性进行了表征,分析了其发光机理。结合文献调研和实验结果,本论文取得了以下四点有价值的研究成果:1、首次使用1064 nm皮秒激光结合化学法,制备出了两种新型微/纳米双结构绒面:微-纳米双结构锥孔绒面(单晶硅)和多孔硅绒面(多晶硅),结构单元的分布不再随机,两种绒面结构制备的工艺可控性获得了大幅度的提高。2、两种新型微/纳米双结构绒面,陷光性能均优于传统单一结构绒面,400~1050 nm波段平均反射率最低可达5%。结合实验结果,认为微米级的单元上所具有的纳米级结构对降低反射率起到了有益作用。3、两种绒面均具有良好的疏水性,其中多孔硅绒面达到了超疏水,并具有光致发光特性,可观察到到两个发光峰:蓝光发光峰和肉眼可见红光发光峰。4、本方法工艺环境开放,无需背景气体,相比传统工艺,制绒区域高度可控,可满足不同生产需求。申请的两项国家发明专利(ZL2013102711376、ZL2013100846701)均已通过初审,现于公示阶段。本研究为应用于太阳能电池和其他半导体器件的硅基减反射兼具疏水特性的表面微结构低成本可控制造,探索了一条超快皮秒激光结合化学辅助方法的复合制造新途径。
【关键词】：晶硅 皮秒激光 微/纳米双结构 减反射 浸润性
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4;TN304.12
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-26
• 1.1 课题研究背景10-14
• 1.1.1 光伏产业发展概况10-13
• 1.1.2 晶硅太阳能电池发展概况13-14
• 1.1.3 制绒的重要性14
• 1.2 国内外研究现状14-23
• 1.2.1 晶硅太阳能电池常见绒面结构和研究现状15-17
• 1.2.2 激光制绒主要绒面结构和研究现状17-20
• 1.2.3 疏水在表面微结构中的应用20-23
• 1.3 本文主要研究内容和意义23-26
• 第2章 实验材料、方法和设备26-32
• 2.1 实验材料及样品处理方法26
• 2.2 实验设备和工艺方法26-31
• 2.2.1 实验设备26-27
• 2.2.2 皮秒激光加工工艺方法27-28
• 2.2.3 皮秒激光加工机理分析28-31
• 2.3 样品表征方法和评价标准31
• 本章小结31-32
• 第3章 皮秒激光-化学法制备微-纳米双结构锥孔绒面32-52
• 3.1 激光扫描获得微米锥孔阵列32-38
• 3.1.1 激光工艺参数的确定32-34
• 3.1.2 不同扫描间距和次数对形成锥孔阵列的影响34-37
• 3.1.3 激光扫描获得微米锥孔阵列机理分析37-38
• 3.2 碱溶液各向异性刻蚀获得微-纳米双结构锥孔绒面38-50
• 3.2.1 NaOH溶液腐蚀结果分析38-40
• 3.2.2 TMAH溶液腐蚀结果对比分析40-44
• 3.2.3 微-纳米双结构锥孔绒面的光场模拟与分析44-45
• 3.2.4 钝化减反层的沉积与少子寿命的测量45-49
• 3.2.5 光响应的实验测试49-50
• 3.3 浸润性分析50-51
• 本章小结51-52
• 第4章 皮秒激光化学法制备多孔硅绒面52-62
• 4.1 激光扫描获得微米锥孔阵列及其机理分析52-53
• 4.2 HF-HON3溶液腐蚀获得多孔硅绒面53-55
• 4.2.1 不同腐蚀时间对表面形貌的影响53-54
• 4.2.2 腐蚀机理分析54-55
• 4.3 多孔硅绒面减反射特性表征与分析55-56
• 4.4 多孔硅绒面光致发光特性表征与分析56-59
• 4.5 多孔硅绒面疏水特性分析59-61
• 4.5.1 腐蚀时间和表面形貌对疏水性的影响59-60
• 4.5.2 疏水特性分析及获得超疏水条件60-61
• 本章小结61-62
• 结论62-64
• 参考文献64-68
• 攻读硕士学位期间完成的学术成果68-70
• 致谢70-71

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 龙学文;白晶;刘欣;赵卫;程光华;;飞秒激光在铽镓石榴石中的光刻光波导[J];光学学报;2014年04期

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本文编号：919861