光伏畢業(yè)論文--單晶硅太陽電池表面織構化

1、<p>　　學生畢業(yè)設計（論文）</p><p>　　題 目 單晶硅太陽電池表面織構化 </p><p>　　學 院 光伏工程學院 </p><p>　　專 業(yè) 光伏材料加工與應用技術 </p><p>　　班 級 08級光伏（1）班

2、 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　學 號 </p><p>　　指導教師 </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.實驗原理和實驗過程4</p><p>　　2.1 實驗原理4</p><p>　　2.2 實驗過程5&l

4、t;/p><p>　　3 實驗結果及討論5</p><p>　　4.表面織構化技術應用7</p><p><b>　　5結論9</b></p><p><b>　　6致謝10</b></p><p><b>　　7.參考文獻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、覆蓋率高的絨面結構,并且其表面反射率也很低。通過SEM 觀察發(fā)現:開始時,隨著腐蝕時間的增加,金字塔的密度越來越大,最后達到飽和;而且對于不同的濃度,溫度,這種飽和時間不同

6、;如果腐蝕時間過長,金字塔的頂部就會發(fā)生崩塌,從而導致表面發(fā)射率的升高。雖然異丙醇( IPA) 在氫氧化鈉(Noah) 溶液中會明顯地改善織構化的效果,但是在磷酸鈉(Na3 PO4 ·12H2O) 溶液中卻會對織構化有很強的負面效應。最后,在實驗的基礎上對腐蝕機理進行了深入地探討并認為: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)境且可重復性好,所以有可能用于大規(guī)模生產。</p><p>　　關鍵詞:單晶硅;織構;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構不僅可以降低表面的反射率,而且還可以在電池的內部形成光陷阱,從而顯著地提高太陽電池的轉換效率[1 ] 。對于單晶硅太陽電池,主要利用擇優(yōu)腐蝕原理

8、,在硅片的表面形成金字塔結構而達到此目的。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,而且還可以促進大金字塔的形成。這種溶液對硅片織構化的效果好,而且可重復性也很好;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) 溶液來對單晶硅進行織構化處理[7 、8 ] 。其原理是利用CO2-3水解產生OH

9、- ,而且CO2 -3 或HCO-3 還起著異丙醇的作用,從而對單晶硅進行表面織構化。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性較差,這使其很難在大規(guī)模生產中得以應用。本文將首次采用磷酸鈉(Na3PO4·12H2O) 溶液對單晶硅太陽電池表面進行織構化處理,并對腐蝕過程以及異丙醇的加入對織構化的影響作較深入的研究。最后,在實驗的基礎上對織構化的機理作</p><p>

10、;　　2.實驗原理和實驗過程</p><p><b>　　2.1 實驗原理</b></p><p>　　從化學角度, 我們知道, Na2CO3 和Na3PO4 ·12H2O 都是強堿弱酸鹽,在水中會發(fā)生水解,其離子反應方程式如下:</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和原始溶液的摩爾濃度。因為K2hn 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、一定溫度下水的離子積常數。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,那么產生的OH- 的摩爾濃度[OH- ]則反比于K015a 。對于磷酸鈉和碳酸鈉,其水解系數分別為4117 ×10 - 13和4168 ×10 - 11 (298 K) [10 ] ,所以對于相同摩爾濃度的磷酸鈉

13、和碳酸鈉,磷酸鈉水解產生的OH- 的摩爾濃度[OH- ]大約是碳酸鈉產生的[OH- ]的10 倍。從這個角度講, 磷酸鈉(Na3PO4 ·12H2O) 溶液應比Na2CO3 溶液優(yōu)越一些。</p><p><b>　　2.2 實驗過程</b></p><p>　　實驗所用的硅片是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 ,且雙面都經化學拋光。先將試樣在酒精中進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,最后經去離子水沖洗后,在不同的腐蝕條件下進行腐蝕。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行的。需要值得注意的是在腐蝕過程中無須攪拌,因為攪拌對織構化有負作用[7 ] 。腐蝕后,硅片的表面形貌由掃描電鏡(SEM) 觀察,其型號為J SM235CF。硅片的表面

15、反射率是通過帶積分球的分光光度計測試出的,其型號是Shimadzu UV2240 。</p><p><b>　　3 實驗結果及討論</b></p><p>　　圖1 顯示了單晶硅表面經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,其反射率很低,而且可以算出在該范圍內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 溶液可以成功地對單晶硅太陽電池表面進行織構化處理。 圖1 　單晶硅經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:隨著腐蝕時間的增加,金字塔的密度越來越大,到一定的時后,其密度達到飽和。對于不同的濃度和腐蝕溫度,達到飽和的時間不同,例如對5%Na3PO4·12H2O溶液在75 ℃下,飽和時間大約是25min ;而在85 ℃下,則只

19、需要約15min ,硅片上的金字塔密就可以達到飽和。測試的反射率結果也表明如此。如果腐蝕時間過長或濃度過高,金字塔的頂部就會發(fā)生崩塌現象,如圖3 所示。與尖銳的金字塔相比,這種形貌會減少一部分光的反射次數,從而導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、腐蝕溫度和腐蝕時間對單晶硅太陽電池表面織構化尤其重要。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 的反應速度也迅速降低。圖5 顯示了硅片經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小金字塔,但是硅片原來被化學拋光過的形貌并沒有發(fā)生實質性的改變。圖6 顯示了不同濃度異丙醇對單晶硅表面反射率的影</p><p>　　圖3 　單晶硅經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5%的Na3 PO4·12H2O 溶液在85 ℃腐蝕15 和25min 后的表面反射率對比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.表面織構化技術應用</p><p>　　目前，表面織構化技術已經廣泛地應用于大規(guī)模生產中,但是關于金字塔初始形成的機理至今仍然不清楚。到目前為止, 已經提出[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生的;</p><p>　　2) 缺陷和表面沾污導致金字塔的形成; 3) 由于化學反應產生的硅的水合物不易溶解,從而導致金字塔的形成; 4) 異丙醇和碳酸根(CO2-3 ) 是產生金字塔的原因。</p&

24、gt;<p>　　以上4 種解釋似乎是太片面。對于直拉單晶硅來說,其晶體質量非常好,表面缺陷的密度極低,遠小于硅片表面上金字塔的密度,因此沒有理由認為缺陷就是金字塔結構初始形成的原因。當然,不可否認的是缺陷會導致大金字塔的形成。其次,如果異丙醇的加入能使硅的水合物更易溶解而導致金字塔的形成,那么異丙醇的加入應使硅與堿的反應速 圖5 　</p><p>　　單晶硅經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Fig. 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

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拋光硅片中加入異丙醇后,反應速度顯

27、著地降低,這似乎很難自洽。同樣,在硅片被織構化前先后經過去油脂處理和去除自然氧化物的處理,應該說,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,金字塔的密度也應越來越高,然而實驗表明:當它們的濃度很高時,其密度十分低且金字塔也很大,所以這種解釋也不合理。事實上,實驗表明:只用NaOH 溶液,就可以在硅片表面上形成

28、金字塔結構,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,化學反應首先在一些高活性的地方開始(當然也包括缺</p><p>　　在硅的不同晶面上,懸掛鍵的數目不同,導致在不同的晶面上反應速度不同,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致大金字塔的形成。在Na3PO4 ·12H2O 溶液, PO3 -4 水解產生大量的OH- 以腐蝕單晶硅。同時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,而且可以同時降低反應的活化能而導致?lián)駜?yōu)腐蝕加劇。當然,這僅僅是一種推測,關于其腐蝕機理,還需要做大量的工作。</p><p><b>　　5結論</b></p><p>　　本文首次采用磷酸鈉(Na3PO4·12H2O) 溶液對單晶硅的表面進行了織構化處理。SEM 形貌分析和反射率的測試結果均顯示出:采用該腐

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

32、果。爾后在磷酸鈉(Na3PO4·12H2O) 溶液中加入異丙醇,結果顯示織構化效果變差。這說明異丙醇對用磷酸鈉(Na3PO4·12H2O) 溶液腐蝕單晶硅太陽電池有負作用。最后通過對織構化機理的分析認為: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候，我首先要衷心的感謝我的導師曹志偉老師。在我讀大學期間，兩位老師經常從繁忙的教學事務中抽出時間來指導我的學業(yè);在對本文課題的研究中，兩位還階段性的檢查和指導課題的研究進展。老師以淵博的知識、精深活躍的科研思想、敏銳靈活的思維視角讓我在課題進展方面受益匪淺。他們那嚴謹積極的治學態(tài)度、勤奮高效的工作作風、寬容真誠的待人方式又教給我作為一名科技工作者應有

34、的品質，又給我樹立了永遠的學習榜樣，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院實驗室進行的，感謝教研室領導和教員、感謝各位曾經教過我的老師、感謝各位曾經帶過我的隊干部，他們對我的課題完成的幫助是不言而喻的。</p><p>　　感謝全體同學自由的討論問題。感謝他們創(chuàng)造了一個嚴謹而濃郁的學習氛圍，使我受益匪淺，我會永遠懷念與他們一起工作、學習的美好生活。<

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

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