全液相两步法金属辅助化学刻蚀制备多晶黑硅太阳能电池

【摘要】：近几年，黑硅作为一种具备纳米陷光结构的新型半导体光电材料，由于其在可见——红外波段反射率极低，能够有效的提高电池片的转化效率，因而受到了人们的极大关注。制备黑硅的方法很多，其中金属辅助化学刻蚀法由于所需设备简单、成本低、易于整合到目前太阳能电池生产工序中而备受人们青睐。目前已有许多小组在从事金属辅助化学刻蚀方法的研究，也取得了一定的成果，但大多都采用一步法进行实验。而一步法制黑硅存在两方面的缺点：一方面，反应过程消耗大量的重金属Ag；另一方面，残留过多的金属粒子增加了后续清洗工作的负担。 本文研发的全液相两步法不仅可以与产线上现有制绒工艺很好的兼容，而且可以有效的解决一步法制黑硅的两大弊端，这在很大程度上节约了生产成本，也简化了产线上的工艺步骤，所以研究两步法制黑硅具有重要的实践意义。 首先，两步法制黑硅(TSM)是指应用控制变量法先将制绒过的硅片先放到硝酸银（催化剂）溶液中反应一定时间，再放入适当体积比的氢氟酸（刻蚀剂）和过氧化氢（氧化剂）混合溶液中反应一段时间，制备出具有纳米陷光的绒面结构，即黑硅结构。本文主要研究了三种溶液浓度以及反应时间下的硅片绒面形貌，选用扫描电子显微镜（SEM）和光学显微镜（OM）对其进行了表征。结果发现：不同的溶液浓度和反应时间会得到纳米线状和孔洞状两种完全不同的结构。 其次，本文通过SEM、EDX和粒径分析软件对两步法与一步法制黑硅中Ag颗粒进行了表征，结果发现：两步法消耗非常少的重金属，而且金属粒子分布很均匀，颗粒大小也有一定的规律性。因为两步法反应消耗很少Ag，后续可以很彻底的将残余的金属粒子去除干净，避免了电池片表面金属残余导致的复合。 最后，从结构上来看两步法制黑硅相当于在原来微米结构的基础上又生长了一种纳米结构，即形成了一种微纳复合结构，这样就使得硅片的反射率由原来的25%左右降低到5%左右甚至更低。选用标准8度角绒面积分式反射仪（D8反射仪）对黑硅的光学性质进行了表征，并发现确实能够获得极低的反射率。然而，这种具有极低反射率的黑硅却有很深的结构，即很大的比表面积，会大大增加表面载流子复合中心数量，导致电池片的转换效率下降。所以，我们在制完黑硅之后加了一步剥离修正，通过参数的调控可以将纳米陷光结构的深度控制在理想的范围内。本文将两步法制完的多晶黑硅电池在苏州阿特斯阳光电力科技有限公司做了流片分析，流片数据表明该类电池的平均效率为18.05%，高于产线17.52%的平均值。 综上所述，我们在实验室和产线上证实了全液相两步法金属辅助化学刻蚀制备黑硅太阳能电池的可行性，并且与一步法比较体现出了其较大优势。本文的研究内容可以在很大程度上促进我国光伏产业的发展，全液相两步法制黑硅技术存在巨大的实践应用潜力。 【关键词】：两步法制黑硅 金属辅助化学刻蚀 Ag纳米颗粒 微纳复合结构 光电转换效率 反射率
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 序言10-27
• 1.1 黑硅的出现和应用10-16
• 1.1.1 黑硅制备方法及优缺点12-14
• 1.1.2 黑硅研究进展和现状14-16
• 1.2 太阳能电池简介16-24
• 1.2.1 太阳能电池制绒清洗工艺18-22
• 1.2.2 太阳能电池性能参数22-24
• 1.3 我国光伏行业发展现状24-26
• 1.4 本文研究意义和主要内容26-27
• 第二章 全液相两步法制黑硅及黑硅的表征方法27-38
• 2.1 全液相两步法制黑硅27-29
• 2.1.1 基片准备27
• 2.1.2 制备流程27-28
• 2.1.3 制备原理28-29
• 2.1.4 注意事项29
• 2.1.5 后续处理29
• 2.2 黑硅的表征方法29-38
• 2.2.1 扫描电子显微镜（SEM）29-31
• 2.2.2 标准 8 度角绒面积分式反射率测量仪31-32
• 2.2.3 X 射线能量色散谱仪（EDS）32-33
• 2.2.4 分形理论介绍33-35
• 2.2.5 Suns-Voc 测量35-36
• 2.2.6 量子效率测试仪36-38
• 第三章 两步法中各参数对黑硅结构的影响38-50
• 3.1 AgNO_3浓度的影响38-40
• 3.2 H_2O_2浓度的影响40-43
• 3.3 第一步反应时间的影响43-45
• 3.4 第二步反应时间的影响45-47
• 3.5 光照的影响47-48
• 3.6 本章小结48-50
• 第四章 黑硅结构的优化与黑硅电池性能的研究50-67
• 4.1 两步法中 Ag 纳米颗粒的研究50-58
• 4.1.1 时间对 Ag 纳米颗粒大小和分布影响50-53
• 4.1.2 有无 H_2O_2对 Ag 纳米颗粒的影响53-54
• 4.1.3 两步法中 Ag 纳米颗粒的清洗研究54-56
• 4.1.4 比较两步法与一步法对 Ag 的消耗56-58
• 4.2 黑硅的剥离优化及黑硅太阳能电池性能研究58-63
• 4.2.1 多晶黑硅上酸剥离研究59-61
• 4.2.2 多晶黑硅上碱剥离研究61-63
• 4.3 多晶黑硅太阳能电池的流片分析63-65
• 4.4 本章小结65-67
• 第五章 总结67-68
• 参考文献68-73
• 攻读硕士学位期间公开发表的论文及科研成果73-74
• 致谢74-75

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