單晶硅太陽電池的分步制絨工藝研究

摘 要：制絨工藝是單晶硅太陽電池制備過程中的一個重要環(huán)節(jié)，其對于提升太陽電池的整體電性能至關(guān)重要。在工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)中，單晶硅太陽電池的制絨工藝主要依托于氫氧化鈉溶液體系。該溶液體系巧妙利用了單晶硅不同晶面間顯著的腐蝕差異性特點。當與低濃度氫氧化鈉溶液接觸時，這種腐蝕差異性得以充分發(fā)揮，進而驅(qū)動單晶硅表面演化出類似“金字塔”結(jié)構(gòu)的微米級絨面形態(tài)。提出了不同于常規(guī)一步制絨工藝的分步制絨工藝，通過調(diào)整制絨槽的連接方式，實現(xiàn)了對絨面的再處理。針對不同制絨工藝對單晶硅片表面參數(shù)、微觀形貌、膜層厚度及PERC太陽電池電性能的影響進行了對比分析。分析結(jié)果顯示：1）相較于采用常規(guī)制絨工藝，采用分步制絨工藝后，單晶硅片表面的絨面高度、反射率均出現(xiàn)了下降，且出絨率有所提升；2）由分步制絨工藝得到的硅片表面“金字塔”結(jié)構(gòu)較為密集，“金字塔”大小較為均勻，優(yōu)于常規(guī)制絨工藝得到的“金字塔”；3）與采用常規(guī)制絨工藝后制備得到的PERC太陽電池相比，采用分步制絨工藝后制備得到的PERC太陽電池在光電轉(zhuǎn)換效率、短路電流、填充因子方面均存在優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：單晶硅太陽電池；制絨工藝；分步制絨；絨面優(yōu)化；電性能

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0" 引言

太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率提升一直是光伏行業(yè)關(guān)注的核心議題。晶體硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率與其表面“金字塔”織構(gòu)的均勻性密切相關(guān)。在晶體硅太陽電池制備過程中，通過化學制絨技術(shù)形成的“金字塔”結(jié)構(gòu)可以顯著增強硅片對太陽光的吸收，降低反射損失，進而提高光電轉(zhuǎn)換效率。然而，若“金字塔”織構(gòu)分布不均或形態(tài)各異，可能會導致硅片局部區(qū)域的光吸收率和載流子收集率降低，增加光生載流子的復合概率，從而影響到太陽電池的整體電性能，表現(xiàn)為光生電流減小、開路電壓下降，最終導致光電轉(zhuǎn)換效率降低。因此，對“金字塔”織構(gòu)進行精密控制是提升晶體硅太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的重要途徑之一。當前的研究正致力于開發(fā)更為精細、可控且均勻的織構(gòu)化技術(shù)，以實現(xiàn)對硅片表面微結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控，從而在有效提升太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的同時降低成本[1]。

制絨工藝是通過在硅片上形成微米尺度的凸起來減小硅片對太陽光的反射，增加硅片對太陽光的吸收，達到提高硅片光學性能和電學性能的效果。目前，單晶硅片制絨工藝得到的絨面均為“金字塔”形狀，但基于這種絨面的太陽光反射率值較為固定，限制了太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率提升空間。因此，為了使太陽電池具備更高的光電轉(zhuǎn)換效率，需要對單晶硅片制絨絨面形貌進行深入研究，以獲得更有利于吸收太陽光的絨面形貌。基于此，本文提出不同于常規(guī)的一步制絨工藝的分步制絨工藝，并針對不同制絨工藝對單晶硅片表面參數(shù)、微觀形貌、膜層厚度及PERC太陽電池電性能的影響進行分析。

1" 單晶硅片制絨原理

在單晶硅太陽電池制備過程中，未經(jīng)過制絨工藝的原單晶硅片表面的反射率在40%左右，為了減少太陽光的反射損失，提高硅片對太陽光的吸收率，需利用氫氧化鈉溶液對硅片迎光面進行反應腐蝕，使其形成織構(gòu)。在一定濃度的氫氧化鈉溶液中，硅片的腐蝕反應表現(xiàn)出各向異性，由于（100）晶面最先被腐蝕，因此得到圍繞（111）晶面的“金字塔”絨面。由于絨面凹凸不平的結(jié)構(gòu)特性，太陽光在硅片表面的反射率降低，更多的太陽光被硅片吸收，從而提高了單晶硅太陽電池的短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率[2]。

常規(guī)的制絨工藝屬于一步制絨工藝，雖然該工藝已相對成熟，但其在硅片表面反射率和表面復合率方面已接近極限，且此種工藝得到的絨面均勻性和反射率周期穩(wěn)定性均較差。因此，本文提出的制絨工藝屬于分步制絨工藝，是在常規(guī)制絨工藝基礎上進行改進，將并聯(lián)的制絨1#槽、2#槽、3#槽改成制絨1#槽和2#槽并聯(lián)后再串聯(lián)制絨3#槽，即以制絨1#槽或2#槽作為第1步制絨，目的是低減重成核；以制絨3#槽作為第2步制絨，目的是修飾絨面。兩種制絨工藝的流程圖如圖1所示。

分步制絨工藝是在常規(guī)制絨工藝（得到的硅片表面反射率為10%）基礎上，通過采用分步制絨，提高了“金字塔”成核密度，降低了硅片表面反射率，提高了絨面均勻性，進而有助于提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

2" 實驗設備及實驗設計

2.1" 性能測試設備

本文采用超景深顯微鏡（如圖2所示）測量實驗所需的“金字塔”數(shù)據(jù)，包括絨面大小、絨面高度、出絨率，且所有結(jié)果均可由該顯微鏡的測量軟件自動測算得出[3]；采用型號為REF300的反射率測試儀測量硅片表面的反射率數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)均由測試儀自動測得；采用型號為日立SU8600的掃描電子顯微鏡（SEM）掃描“金字塔”形貌。

2.2" 實驗設計

實驗用硅片采用晶澳太陽能科技股份有限公司生產(chǎn)的由直拉法制備的p型摻鎵單晶硅片，硅片尺寸為 182.2 mm×182.2 mm，硅片厚度為150 μm，原硅片的電阻率為0.4～1.1 Ω·mm。

采用德國RENA公司生產(chǎn)的槽式制絨機進行制絨工藝，制絨工藝流程是將硅片依次放入如圖1所示的各個槽中，從而完成制絨。

選取相同制備條件下的單晶硅片4000片，均分為a、b兩組，每組2000片；a組硅片采用常規(guī)制絨工藝，b組硅片采用分步制絨工藝。兩種制絨工藝均按照表1中的參數(shù)設計進行制絨，制絨后均按照常規(guī)PERC太陽電池的制備流程制備太陽電池，以便分析不同制絨工藝對太陽電池電性能的影響。需要說明的是，采用常規(guī)制絨工藝時，制絨1#～3#槽的參數(shù)一致；而采用分步制絨工藝時，制絨1#、2#槽的參數(shù)一致。所以表中只體現(xiàn)了制絨1#槽和3#槽的參數(shù)數(shù)值。

3" 實驗結(jié)果與分析

3.1" 不同制絨工藝對單晶硅片表面的參數(shù)的影響

分別對采用兩種制絨工藝后單晶硅片表面的總減重量、反射率、絨面大小、絨面高度及出絨率進行測試，測試結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出：

1）采用常規(guī)制絨工藝后，單晶硅片總減重量為0.32 g，絨面大小為1.384 μm；而采用分步制絨工藝后，單晶硅片總減重量為0.32 g，絨面大小為1.380 μm；二者的差別不大。

2）采用常規(guī)制絨工藝后，單晶硅片絨面高度為1.10 μm；而采用分步制絨工藝后，單晶硅片絨面高度為0.98 μm，相較于采用常規(guī)制絨工藝時下降了0.12 μm。

3）采用常規(guī)制絨工藝后，硅片表面的出絨率為267507 mm2；而采用分步制絨工藝后，單晶硅片表面的出絨率為299843 mm2，相較于采用常規(guī)制絨工藝時提升了3萬mm2左右。

4）采用常規(guī)制絨工藝后，硅片表面的反射率為10.0%；而采用分步制絨工藝后，單晶硅片表面的反射率為9.4%，相較于采用常規(guī)制絨工藝時下降了0.6%。

對比兩種制絨工藝下單晶硅片在392～987 nm波段范圍內(nèi)的反射率情況，如圖3所示。

由圖3可知：從波長392 nm開始，采用分步制絨工藝后單晶硅片的反射率就低于采用常規(guī)制絨工藝后單晶硅片的反射率，在392 nm時，分步制絨工藝得到的單晶硅片反射率較常規(guī)制絨工藝時低0.4%；隨著波長的增長，分步制絨工藝與常規(guī)制絨工藝下的單晶硅片反射率差值先增大，在630 nm時分步制絨工藝較常規(guī)制絨工藝下的單晶硅片反射率差值達到最大，為0.8%，之后隨著波長的增加，二者的差值逐漸減小；在987 nm時分步制絨工藝較常規(guī)制絨工藝下的單晶硅片反射率差值縮小為0.35%。

3.2" 不同制絨工藝對單晶硅片表面微觀形貌的影響

利用SEM對采用兩種制絨工藝后的單晶硅片表面微觀形貌進行掃描，掃描結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出：常規(guī)制絨工藝得到的硅片表面微觀形貌“金字塔”結(jié)構(gòu)較稀疏，且 “金字塔”大小也不均勻；而分步制絨工藝得到的硅片表面“金字塔”結(jié)構(gòu)較為密集，“金字塔”大小也較為均勻。由此可知，分步制絨工藝得到的“金字塔”結(jié)構(gòu)優(yōu)于常規(guī)制絨工藝。

3.3" 不同制絨工藝對單晶硅片膜層及外觀的影響

對分別采用兩種制絨工藝后的單晶硅片進行鍍膜，并對鍍膜后的膜厚及折射率進行測試，測試結(jié)果如表3所示。需要說明的是，膜厚均勻性的值越小，表明膜層均勻性越好。

由表3可知：相較于采用常規(guī)制絨工藝的單晶硅片膜厚平均值，采用分步制絨工藝的單晶硅片膜厚平均值降低了3.5 nm；相較于采用常規(guī)制絨工藝的單晶硅片膜厚均勻性，采用分步制絨工藝的單晶硅片膜厚均勻性提升了4.4%。

不同制絨工藝下，單晶硅片鍍膜后的正面外觀，如圖5所示。

從圖5可以看出：采用分步制絨工藝時，單晶硅片鍍膜后的正面外觀顏色，較采用常規(guī)制絨工藝時的深，這是因為其“金字塔”的大小和形貌更均勻，膜層也就更均勻，外觀顏色也就偏深。該結(jié)論與根據(jù)表3得到的“分步制絨工藝后單晶硅片膜厚偏低、均勻性相對更好”的結(jié)論相對應。

3.4" 不同制絨工藝對PERC太陽電池電性能的影響

對采用不同制絨工藝的單晶硅片按照PERC太陽電池制備工藝完成太陽電池制備，并對太陽電池進行電性能測試，測試結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出：與采用常規(guī)制絨工藝后制備得到的PERC太陽電池相比，采用分步制絨工藝后制備得到的PERC太陽電池在光電轉(zhuǎn)換效率、短路電流、填充因子方面均存在優(yōu)勢。這是因為，采用分步制絨工藝形成的“金字塔”結(jié)構(gòu)能夠有效減少硅片對太陽光的反射，使硅片表面反射率降低，更多的太陽光在多次反射后被太陽電池吸收，從而提高了短路電流；此外，良好的絨面結(jié)構(gòu)有助于提高硅片表面的鈍化效果，減少表面缺陷導致的載流子復合，這有利于提高太陽電池的填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率。

4" 結(jié)論

本文提出了不同于常規(guī)的一步制絨工藝的分步制絨工藝，通過調(diào)整制絨槽的連接方式，實現(xiàn)了對絨面的再處理。針對不同制絨工藝對單晶硅片表面參數(shù)、微觀形貌、膜層厚度及PERC太陽電池電性能的影響進行了分析。分析結(jié)果顯示：1）相較于采用常規(guī)制絨工藝，采用分步制絨工藝后，單晶硅片表面的絨面高度、反射率均出現(xiàn)了下降，且出絨率有所提升；2）由分步制絨工藝得到的硅片表面“金字塔”結(jié)構(gòu)較為密集，“金字塔”大小較為均勻，優(yōu)于常規(guī)制絨工藝得到的“金字塔”；3）與采用常規(guī)制絨工藝后制備得到的PERC太陽電池相比，采用分步制絨工藝后制備得到的PERC太陽電池在光電轉(zhuǎn)換效率、短路電流、填充因子方面均存在優(yōu)勢。

[參考文獻]

[1] 龔寧寧. 單晶硅電池制絨工藝的研究[D]. 蘇州：蘇州大學，2017.

[2] 陳哲艮，鄭志東. 晶體硅太陽電池制造工藝原理[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2017：152-153.

[3] 郭望東，趙環(huán)，張繩亮，等. 單晶硅片表面“金字塔”尺寸對太陽電池電性能的影響[J]. 太陽能，2022（9）：65-69.

RESEARCH ON STEP-BY-STEP MAKING PROCESS OF

MONO-Si SOLAR CELLS

Cao Wenxue，Guo Wangdong，Sun Jinghong，Yan Haigang，

Wang Huifang，Zhang Shengliang

（YiWu JingAo Solar Co.，Ltd.，Jinhua 322000，China）

Abstract：The velvet making process is an important step in the preparation of mono-Si solar cells，which is crucial for improving the overall electrical performance of solar cells. In large-scale industrial production，the velvet making process of mono-Si solar cells mainly relies on the sodium hydroxide solution system. This solution system cleverly utilizes the significant corrosion differences between different crystal planes of mono-Si. When in contact with low concentration sodium hydroxide solution，this corrosion difference is fully utilized，which drives the evolution of micro scale textured morphology similar to a \"pyramid\" structure on the surface of mono-Si. Unlike the conventional one-step velvet making process，this paper proposes a step-by-step velvet making process that achieves the reprocessing of the velvet surface by adjusting the connection method of the velvet making groove. Some analyses are conducted on the effects of different velvet making processes on the surface parameters，microscopic morphology，film thickness of mono-Si wafers，and PERC solar cell electrical performance. The analysis results show that：1） Compared with the conventional velvet making process，the use of a step-by-step velvet making process resulted in a decrease in the velvet height and reflectivity on the surface of the mono-Si wafer，and an increase in the velvet yield. 2） The surface \"pyramid\" structure of the silicon wafer obtained by the step-by-step velvet process is more dense，and the size of the \"pyramid\" is more uniform，which is better than the \"pyramid\" obtained by the conventional velvet process. 3） Compared with PERC solar cells prepared by step-by-step velvet processing，PERC solar cells prepared by stepwise velvet processing have advantages in photoelectric conversion efficiency，short-circuit current，and fill factor.

Keywords：mono-Si solar cells；velvet making process；step-by-step velvet making；suede optimization；electrical performance