光伏畢業(yè)論文--單晶硅太陽電池表面織構(gòu)化

1、<p>　　學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　題 目 單晶硅太陽電池表面織構(gòu)化 </p><p>　　學(xué) 院 光伏工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè) 光伏材料加工與應(yīng)用技術(shù) </p><p>　　班 級(jí) 08級(jí)光伏（1）班

2、 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　學(xué) 號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　完成日期 2010

3、.10 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1.引言4</b></p><p>　　2.實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)過程4</p><p>　　2.1 實(shí)驗(yàn)原理4</p><p>　　2.2 實(shí)驗(yàn)過程5&l

4、t;/p><p>　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論5</p><p>　　4.表面織構(gòu)化技術(shù)應(yīng)用7</p><p><b>　　5結(jié)論9</b></p><p><b>　　6致謝10</b></p><p><b>　　7.參考文獻(xiàn)11</b></p

5、><p>　　摘要：一種新型的腐蝕劑,磷酸鈉(Na3 PO4·12H2O) 溶液,首次被用來腐蝕單晶硅太陽電池。在70 ℃下,用3 %的磷酸鈉(Na3 PO4·12H2O) 溶液腐蝕25min 就能在硅片表面形成金字塔大小均勻、覆蓋率高的絨面結(jié)構(gòu),并且其表面反射率也很低。通過SEM 觀察發(fā)現(xiàn):開始時(shí),隨著腐蝕時(shí)間的增加,金字塔的密度越來越大,最后達(dá)到飽和;而且對(duì)于不同的濃度,溫度,這種飽和時(shí)間不同

6、;如果腐蝕時(shí)間過長,金字塔的頂部就會(huì)發(fā)生崩塌,從而導(dǎo)致表面發(fā)射率的升高。雖然異丙醇( IPA) 在氫氧化鈉(Noah) 溶液中會(huì)明顯地改善織構(gòu)化的效果,但是在磷酸鈉(Na3 PO4 ·12H2O) 溶液中卻會(huì)對(duì)織構(gòu)化有很強(qiáng)的負(fù)面效應(yīng)。最后,在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)腐蝕機(jī)理進(jìn)行了深入地探討并認(rèn)為:擇優(yōu)腐蝕是金字塔形成的最基本的原因,而缺陷、PO3 -4 或HPO2 -4 和異丙醇等僅僅是促進(jìn)大金字塔形成的原因。這種腐蝕劑的成本很低,不易

7、污染工作環(huán)境且可重復(fù)性好,所以有可能用于大規(guī)模生產(chǎn)。</p><p>　　關(guān)鍵詞:單晶硅;織構(gòu);磷酸鈉;腐蝕</p><p><b>　　1.引言</b></p><p>　　在太陽電池表面形成絨面結(jié)構(gòu)不僅可以降低表面的反射率,而且還可以在電池的內(nèi)部形成光陷阱,從而顯著地提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率[1 ] 。對(duì)于單晶硅太陽電池,主要利用擇優(yōu)腐蝕原理

8、,在硅片的表面形成金字塔結(jié)構(gòu)而達(dá)到此目的。目前最常用的腐蝕液是Noah ( 或KOH) 、水和異丙醇的混合物[2～6 ] 。其中,異丙醇不僅可以幫助解除氫氣(H2 )氣泡在硅片表面上的吸附,而且還可以促進(jìn)大金字塔的形成。這種溶液對(duì)硅片織構(gòu)化的效果好,而且可重復(fù)性也很好;但是異丙醇不僅成本高,而且易污染工作環(huán)境。最近,有人提出用Na2CO3 (或K2CO3) 溶液來對(duì)單晶硅進(jìn)行織構(gòu)化處理[7 、8 ] 。其原理是利用CO2-3水解產(chǎn)生OH

9、- ,而且CO2 -3 或HCO-3 還起著異丙醇的作用,從而對(duì)單晶硅進(jìn)行表面織構(gòu)化。由于不需要異丙醇,所以成本低且不易污染環(huán)境。然而,使用該腐蝕劑的腐蝕效果的重復(fù)性較差,這使其很難在大規(guī)模生產(chǎn)中得以應(yīng)用。本文將首次采用磷酸鈉(Na3PO4·12H2O) 溶液對(duì)單晶硅太陽電池表面進(jìn)行織構(gòu)化處理,并對(duì)腐蝕過程以及異丙醇的加入對(duì)織構(gòu)化的影響作較深入的研究。最后,在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)織構(gòu)化的機(jī)理作</p><p>

10、;　　2.實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)過程</p><p><b>　　2.1 實(shí)驗(yàn)原理</b></p><p>　　從化學(xué)角度, 我們知道, Na2CO3 和Na3PO4 ·12H2O 都是強(qiáng)堿弱酸鹽,在水中會(huì)發(fā)生水解,其離子反應(yīng)方程式如下:</p><p>　　CO2-3 + H2O [ HCO-3 + OHPO3-4 + H2O [ HPO2

11、 -4 + OH-</p><p>　　在平衡狀態(tài)下,可以算出水解產(chǎn)生的OH- 的摩爾濃度如下[9 ] :</p><p>　　[OH- ] = -Kh2 +K2h4 + Kh ×C</p><p>　　式中, Kh , C 分別為水的離解系數(shù)和原始溶液的摩爾濃度。因?yàn)镵2hn Kh ×C 且Kh =KwKa,所以水解得到OH- 的濃度大約為OH

12、- ] =C × KwKa</p><p>　　其中Ka 和Kw 分別為水解系數(shù)、一定溫度下水的離子積常數(shù)。從上式可以定性地得到:在一定的溫度下,如果溶液的原始摩爾濃度相同,那么產(chǎn)生的OH- 的摩爾濃度[OH- ]則反比于K015a 。對(duì)于磷酸鈉和碳酸鈉,其水解系數(shù)分別為4117 ×10 - 13和4168 ×10 - 11 (298 K) [10 ] ,所以對(duì)于相同摩爾濃度的磷酸鈉

13、和碳酸鈉,磷酸鈉水解產(chǎn)生的OH- 的摩爾濃度[OH- ]大約是碳酸鈉產(chǎn)生的[OH- ]的10 倍。從這個(gè)角度講, 磷酸鈉(Na3PO4 ·12H2O) 溶液應(yīng)比Na2CO3 溶液優(yōu)越一些。</p><p><b>　　2.2 實(shí)驗(yàn)過程</b></p><p>　　實(shí)驗(yàn)所用的硅片是P 型、電阻率為3～5Ω·cm的直拉單晶硅。試樣的大小是20mm &#

14、215;20mm ,且雙面都經(jīng)化學(xué)拋光。先將試樣在酒精中進(jìn)行取油脂及玷污處理,爾后在低于10 %的HF 溶液中浸泡1min以去除自然氧化層,最后經(jīng)去離子水沖洗后,在不同的腐蝕條件下進(jìn)行腐蝕。腐蝕溫度由恒溫水浴槽控制,其精度為±0. 5 ℃,且腐蝕是在密封體系中進(jìn)行的。需要值得注意的是在腐蝕過程中無須攪拌,因?yàn)閿嚢鑼?duì)織構(gòu)化有負(fù)作用[7 ] 。腐蝕后,硅片的表面形貌由掃描電鏡(SEM) 觀察,其型號(hào)為J SM235CF。硅片的表面

15、反射率是通過帶積分球的分光光度計(jì)測試出的,其型號(hào)是Shimadzu UV2240 。</p><p><b>　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論</b></p><p>　　圖1 顯示了單晶硅表面經(jīng)3 %的Na3PO4 ·12H2O 溶液(重量比) 在70 ℃腐蝕25min 后的掃描電鏡照片。從照片上可以發(fā)現(xiàn)金字塔的大小均勻,覆蓋率高。圖2 顯示了該硅片的表面反射率隨

16、波長的變化。圖中表明,在波長從400nm 到800nm 范圍內(nèi),其反射率很低,而且可以算出在該范圍內(nèi)的平均反射率大約是10165 %。良好的表面形貌和如此低的表面反射率說明用Na3PO4·12H2O 溶液可以成功地對(duì)單晶硅太陽電池表面進(jìn)行織構(gòu)化處理。 圖1 　單晶硅經(jīng)3 %的Na3 PO4·12H2O</p><p>　　溶液在70 ℃腐蝕25min 后的掃描電鏡照片<

17、/p><p>　　Fig. 1 　SEM photograph of Cz2Si textured by 3 %Na3 PO4·12H2O at 70 ℃for25mi圖2 　單晶硅經(jīng)3 %的Na3 PO4·12H2O 溶液在70 ℃腐蝕25min 后的表面反射率隨波長的變化</p><p>　　Fig. 2 　Dependency of reflectivity on w

18、avelength of Cz2Sitextured by 3 % Na3 PO4·12H2O at 70 ℃for 25min</p><p>　　通過掃描電鏡觀察還可以發(fā)現(xiàn):隨著腐蝕時(shí)間的增加,金字塔的密度越來越大,到一定的時(shí)后,其密度達(dá)到飽和。對(duì)于不同的濃度和腐蝕溫度,達(dá)到飽和的時(shí)間不同,例如對(duì)5%Na3PO4·12H2O溶液在75 ℃下,飽和時(shí)間大約是25min ;而在85 ℃下,則只

19、需要約15min ,硅片上的金字塔密就可以達(dá)到飽和。測試的反射率結(jié)果也表明如此。如果腐蝕時(shí)間過長或濃度過高,金字塔的頂部就會(huì)發(fā)生崩塌現(xiàn)象,如圖3 所示。與尖銳的金字塔相比,這種形貌會(huì)減少一部分光的反射次數(shù),從而導(dǎo)致硅片表面反射率的升高,如圖4 所示。因此,綜合考慮溶液濃度、腐蝕溫度和腐蝕時(shí)間對(duì)單晶硅太陽電池表面織構(gòu)化尤其重要。而在Na3PO4·12H2O 溶液中,一旦加入了異丙醇( IPA) 后,溶液立即變渾濁,這說明異丙醇不

20、能與Na3PO4·12H2O】存,而且OH- 與Si 的反應(yīng)速度也迅速降低。圖5 顯示了硅片經(jīng)Na3PO4·12H2O 和異丙醇混合液腐蝕后的表面形貌。從照片中可以看出:雖然用此溶液也能在硅片表面形成一些零星的細(xì)小金字塔,但是硅片原來被化學(xué)拋光過的形貌并沒有發(fā)生實(shí)質(zhì)性的改變。圖6 顯示了不同濃度異丙醇對(duì)單晶硅表面反射率的影</p><p>　　圖3 　單晶硅經(jīng)5%的Na3PO4·12

21、H2O溶液在85 ℃腐蝕30min 后的掃描電鏡照片</p><p>　　Fig. 3 SEM photograph of Cz2Si textured by 5 %Na3 PO4·12H2O at 85 ℃for 30min</p><p>　　圖4 　單晶硅經(jīng)5%的Na3 PO4·12H2O 溶液在85 ℃腐蝕15 和25min 后的表面反射率對(duì)比Fig. 4 　C

22、omparison of reflectivity curves of Cz2Si textured by 5% Na3 PO4·12H2O at 85 ℃for 15min and 25min</p><p>　　4.表面織構(gòu)化技術(shù)應(yīng)用</p><p>　　目前，表面織構(gòu)化技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)中,但是關(guān)于金字塔初始形成的機(jī)理至今仍然不清楚。到目前為止, 已經(jīng)提出[8

23、、11 、12 ] 好幾種解釋,主要是: 1) 金字塔是從硅片表面缺陷處產(chǎn)生的;</p><p>　　2) 缺陷和表面沾污導(dǎo)致金字塔的形成; 3) 由于化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的硅的水合物不易溶解,從而導(dǎo)致金字塔的形成; 4) 異丙醇和碳酸根(CO2-3 ) 是產(chǎn)生金字塔的原因。</p&

24、gt;<p>　　以上4 種解釋似乎是太片面。對(duì)于直拉單晶硅來說,其晶體質(zhì)量非常好,表面缺陷的密度極低,遠(yuǎn)小于硅片表面上金字塔的密度,因此沒有理由認(rèn)為缺陷就是金字塔結(jié)構(gòu)初始形成的原因。當(dāng)然,不可否認(rèn)的是缺陷會(huì)導(dǎo)致大金字塔的形成。其次,如果異丙醇的加入能使硅的水合物更易溶解而導(dǎo)致金字塔的形成,那么異丙醇的加入應(yīng)使硅與堿的反應(yīng)速 圖5 　</p><p>　　單晶硅經(jīng)10 %的Na3

25、 PO4·12H2O 溶液并加入5 %的異丙醇在75 ℃腐蝕25min 后的掃描電鏡照片F(xiàn)ig. 5 SEM photograph of Cz2Si textured by 10 %Na3 PO4·12H2O with 5 %IPA at 75 ℃for 25min</p><p><b>　　圖6</b></p><p>　　單晶硅在85 ℃下經(jīng)

26、10 %的Na3 PO4·12H2O 溶液在加入不同濃度異丙醇腐蝕25min 后的表面反射率對(duì)比Fig. 6 　Comparison of reflectivity curves of Cz2Sitextured by 10 % Na3 PO4·12H2O at 85 ℃for25min with different IPA concentration度都增加,然而在較高濃度的堿化學(xué)拋光硅片中加入異丙醇后,反應(yīng)速度顯

27、著地降低,這似乎很難自洽。同樣,在硅片被織構(gòu)化前先后經(jīng)過去油脂處理和去除自然氧化物的處理,應(yīng)該說,硅片的表面很清潔而不存在什么玷污,即使有,其分布也不會(huì)那么均勻而且高密度,所以這種說法也很難使人信服。最后,如果異丙醇或碳酸根是金字塔初始形成的原因那么隨著它們濃度的增加,金字塔的密度也應(yīng)越來越高,然而實(shí)驗(yàn)表明:當(dāng)它們的濃度很高時(shí),其密度十分低且金字塔也很大,所以這種解釋也不合理。事實(shí)上,實(shí)驗(yàn)表明:只用NaOH 溶液,就可以在硅片表面上形成

28、金字塔結(jié)構(gòu),而異丙醇的加入和缺陷的存在只能使金字塔的體積變大。眾所周知,化學(xué)反應(yīng)首先在一些高活性的地方開始(當(dāng)然也包括缺</p><p>　　在硅的不同晶面上,懸掛鍵的數(shù)目不同,導(dǎo)致在不同的晶面上反應(yīng)速度不同,這是金字塔形成的最直接的、最基本的原因。無論是Noah 溶液, 還是Na2CO3 溶液,它們都是堿性溶液,所以這種最基本的原理是相同的;不同的是與Noah 溶液相比,在Na2CO3 溶液中, 除了OH- 外

29、, 還有CO2 -3 和HCO -3 ,正是它們起著類似異丙醇的作用而導(dǎo)致大金字塔的形成。在Na3PO4 ·12H2O 溶液, PO3 -4 水解產(chǎn)生大量的OH- 以腐蝕單晶硅。同時(shí)PO3 -4 或HPO2 -4 也可能同樣起著異丙醇的作用,使腐蝕的各向異性加劇從而導(dǎo)致大的金字塔得以形成。盡管在目前如何使這種各向異性加劇的原因不清楚,但有一種可能的原因是PO3 -4 或HPO2 -4 、CO2 -4 或HCO -3 和異丙醇均

30、是起一種表面活性劑的作用,不僅使氫氣氣泡更易去除,而且可以同時(shí)降低反應(yīng)的活化能而導(dǎo)致?lián)駜?yōu)腐蝕加劇。當(dāng)然,這僅僅是一種推測,關(guān)于其腐蝕機(jī)理,還需要做大量的工作。</p><p><b>　　5結(jié)論</b></p><p>　　本文首次采用磷酸鈉(Na3PO4·12H2O) 溶液對(duì)單晶硅的表面進(jìn)行了織構(gòu)化處理。SEM 形貌分析和反射率的測試結(jié)果均顯示出:采用該腐

31、蝕劑對(duì)單晶硅具有十分理想的織構(gòu)化效果;并且從腐蝕單晶硅太陽電池這個(gè)角度來看,磷酸鈉同時(shí)具有異丙醇和NaOH 這兩種物質(zhì)的作用。但是采用該腐蝕劑腐蝕,若時(shí)間過短,則硅片表面就不會(huì)被金字塔所覆蓋;腐蝕時(shí)間過長,金字塔的頂部就會(huì)崩塌,從而導(dǎo)致反射率的升高。對(duì)于腐蝕溫度和Na3PO4·12H2O的濃度變化,也會(huì)出現(xiàn)同樣的情況。因此,需要綜合考慮Na3PO4·12H2O 的濃度、腐蝕溫度和腐蝕時(shí)間這三個(gè)因素,以獲取好的織構(gòu)化效

32、果。爾后在磷酸鈉(Na3PO4·12H2O) 溶液中加入異丙醇,結(jié)果顯示織構(gòu)化效果變差。這說明異丙醇對(duì)用磷酸鈉(Na3PO4·12H2O) 溶液腐蝕單晶硅太陽電池有負(fù)作用。最后通過對(duì)織構(gòu)化機(jī)理的分析認(rèn)為:堿與硅的擇優(yōu)腐蝕是金字塔形成的最基本的原因,而缺陷、PO3 -4 或HPO2 -4 、CO2 -3 或HCO -3 和異丙醇是導(dǎo)致大金字塔形成的原因。</p><p><b>　　6

33、致謝</b></p><p>　　在論文即將完成的時(shí)候，我首先要衷心的感謝我的導(dǎo)師曹志偉老師。在我讀大學(xué)期間，兩位老師經(jīng)常從繁忙的教學(xué)事務(wù)中抽出時(shí)間來指導(dǎo)我的學(xué)業(yè);在對(duì)本文課題的研究中，兩位還階段性的檢查和指導(dǎo)課題的研究進(jìn)展。老師以淵博的知識(shí)、精深活躍的科研思想、敏銳靈活的思維視角讓我在課題進(jìn)展方面受益匪淺。他們那嚴(yán)謹(jǐn)積極的治學(xué)態(tài)度、勤奮高效的工作作風(fēng)、寬容真誠的待人方式又教給我作為一名科技工作者應(yīng)有

34、的品質(zhì)，又給我樹立了永遠(yuǎn)的學(xué)習(xí)榜樣，并將使我受益終生。</p><p>　　本文的課題研究工作是在渝州科技學(xué)院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，感謝教研室領(lǐng)導(dǎo)和教員、感謝各位曾經(jīng)教過我的老師、感謝各位曾經(jīng)帶過我的隊(duì)干部，他們對(duì)我的課題完成的幫助是不言而喻的。</p><p>　　感謝全體同學(xué)自由的討論問題。感謝他們創(chuàng)造了一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)而濃郁的學(xué)習(xí)氛圍，使我受益匪淺，我會(huì)永遠(yuǎn)懷念與他們一起工作、學(xué)習(xí)的美好生活。<

35、;/p><p>　　衷心的感謝生我養(yǎng)的父母，他們對(duì)我的思念和期望一直是我前進(jìn)的動(dòng)力。</p><p>　　最后再次感謝支持關(guān)心我的老師、同學(xué)、朋友、親人以及所有支持關(guān)心我的人!</p><p><b>　　謹(jǐn)以此文為謝!</b></p><p><b>　　7.參考文獻(xiàn)</b></p>

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