单晶硅表面微米纳米复合减反射结构的制备
单晶硅表面微米纳米复合减反射结构的制备[20200408132006]
摘要
在太阳电池产业方面单晶硅占据着几大部分的市场。在硅材料价格居高不下的情况下，要降低太阳电池的成本除了降低硅片厚度，还可以通过提高硅片对光的吸收能力从而进一步增加太阳电池的转换效率并保证其稳定性。本文主要围绕减少单晶硅表面对光的反射进行研究。首先，将反应温度设置为（75℃），另外添加剂（IPA）体积分数设置为1.5%，在碱溶液（质量分数为2.5%的NaOH溶液中）通过各向异性腐蚀单晶硅片，以达到制备金字塔的目的。另外需要改变反应时间以达到优化制备参数的目的。其次，利用Ag离子辅助化学腐蚀法在金字塔绒面基础上，进行二次腐蚀制备黑硅，从而得到复合减反射微结构，测试结果显示，经过上述工艺所制备的微米/纳米复合减反射结构可以有效的降低硅片表面的光反射率。从而得到复合减反射微结构，测试结果显示，经上述工艺制备的微米/纳米复合减反射结构在400-1000nm波长范围内平均低于3%。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:各向异性腐蚀金字塔结构化学腐蚀法黑硅复合减反射微结构
目录
第一章 绪论 1
1.1 太阳电池的研究进展 1
1.2 晶体硅太阳电池表面制绒 2
1.2.1 晶体硅太阳电池表面光学损失分析 2
1.2.2 晶体硅表面绒面陷光原理分析 3
1.2.3 晶体硅太阳电池制绒方法 3
第二章 材料的制备与表征 6
2.1 主要实验原料及实验设备讨论 6
2.1.1 实验原料 6
2.1.2 实验设备 6
2.2 制备方法 7
2.2.1 衬底清洗表面去损伤 7
2.2.2 表面去损伤 7
2.3 性能表征仪器及方法 7
2.3.1 扫描电子显微镜 8
2.3.2 紫外可见分光光度计 8
第三章 金字塔的制备和性能研究 10
3.1 引言 10
3.2 绒面制备方法 10
3.3 实验结果分析 10
第四章 复合减反射微结构的制备及性能研究 13
4.1 多孔金字塔复合结构 13
4.1.1 引言 13
4.1.2多孔-金字塔制备实验 13
4.1.3 结果与讨论 14
4.2 化学腐蚀多孔硅机理分析 17
第五章 结论与展望 18
5.1 结论 18
5.2 展望 18
参考文献 20
致谢 21
第一章 绪论
1.1 太阳电池的研究进展
1839年，法国物理学家Becquerel最先宣布并发现了光生伏特效应。他发现在阳光照射下，将两片金属浸入溶液，它们之间将会产生额外电势。他将此种神奇的现象称为光生伏特。在1876年，英国亚当斯等人通过大量研究，对半导体材料得出了一些发现如:半导体硒受到阳光的照射时，会产生很小的电流，得出其可以产生很弱的光电效应。20世纪50年代，作为半导体材料之一的硒的转化效率也仅仅达到1%左右[1]。
第二次世界大战后，人们发现石油、天然气等石化资源急剧减少，由此推动了太阳能等新能源的探索，掀起了太阳能研究的热潮。
1954年，世界上第一个制备成功的实用型单晶硅材料太阳电池是由美国贝尔实验室的几位科学家Chapin和Pearson等人经过大量的实验研究制备而出的。经过进一步研究，该太阳电池的光电转换效率由6%迅速提升到10%。该研究在全球引起极大的轰动，同时也掀起了太阳电池研究应用的热潮。
20世纪中期之后，太阳能电池已经普遍并且广泛应用于人造卫星、航天飞机等太空器件中。航天事业的发展随着太阳能电池的迅猛发展也得到了极大的发展。同时，由于航天事业对太阳能电池有着极大的需求，这些也进一步促进并推动了太阳能的研究发展。
太阳能作为一种取之不尽、用之不竭新兴可再生能源，因其具有清洁、无污染、高效等显著优点，逐渐成为人们关注的新能源，形成新产业。21世纪随着工农业等产业的不断发展对能源的需求日益扩大，同时由于煤炭、石油、天然气等石化能源的有限产量和大量消耗，导致这些矿物资源逐渐枯竭。据国际能源机构预测，照目前的发展情况全球石油、天然气将在30至60年后消耗殆尽，而煤炭大约仅可使用220年。据估计，我国的煤炭大约可开采80年，而石油、天然气仅仅分别可以开采20年和30年左右。面对能源日渐枯竭的严重趋势，人类为了能够继续在地球上生存下去积极寻求新的能源。在此大条件下，光伏产业作为一种新兴产业逐渐登上历史舞台，推动社会的进一步发展。近年来光伏产业发展迅猛，产业规模日益扩大，产品成本大幅下降。在2009年时，全世界的太阳能电池产量仅为10.66GW，当年生产多晶硅约为11万吨。而在次年，太阳能产量已经达到20.5GW，单晶硅生产约16万吨。另外组件价格不断下降，2000年时为4.5美元/瓦，到了2010年已经下降至1.7美元/瓦。据国际能源署(IEA)估计，在将来的半个世纪之内太阳能将成为全世界能源供应的首选。这也将有利于环境保护，温室气体等等的排量也将大幅度减少。根据《亚太地区主要光伏市场》得出，中国在促进光伏领域的发展方面做出了不可估量的贡献。目前，中国正逐步实施上网电价的政策，该政策的推行将进一步推动光伏市场的发展。《太阳能光伏产业十二五发展规划》的相关文件指出，我国将太阳能光伏产业列入未来国内发展新型产业行列中，大力支持新能源产业的发展。
目前，太阳能市场主要以晶体硅（包括单晶硅、多晶硅和带硅等）为原材料，约占市场份额的90%。据估计，直至2020年太阳能电池市场主要还是以晶体硅为主导。因此，在相当长的一段时间内太阳能电池对晶体硅的需求都保持极大的需求量。而由于能源供应紧张，晶体硅成本较大，减少硅片厚度成为降低电池原材料使用量的最有效手段。在薄化硅片的同时，要求最大化光吸收和钝化。尤其是当钝化效果较好时，光吸收成为保证太阳电池效率的关键因素。因此，在薄化硅片的同时，需尽量最大限度的增加硅基对光的吸收效率。本文将围绕提高单晶硅的光吸收问题来展开研究。
1.2 晶体硅太阳电池表面制绒
1.2.1 晶体硅太阳电池表面光学损失分析
太阳辐射强度按波长分布可分为：无线电波、红外线、可见光、紫外线和射线等等。 当太阳光照射到地球表面时，由于地球大气层的反射及衰减，到达地面的太阳辐射以红外线能量最多（约50%-70%），可见光能量较次红外线（约30%-46%），而紫外线所占能量最少（约0.1%-4%）。当光波（即电磁波）照射到煤质界面时会发生反射和折射现象。一部分光会在界面反射，另一部分则通过投射进入媒介。根据能量守恒定理，反射能流与投射能流之和为入射能流。对硅基太阳能电池而言，其对光的吸收波段主要吸收波段为300nm-1100nm。跟据相关资料显示其反射率n>3.5[6]，反射系数R>30%,另外由于太阳能电池表面的栅线电极等结构的影响，如若硅电池表面没有减反射层和陷光结构，其光损失将非常严重（反射率达35%以上）并且电池效率也受到极大的影响。。晶体硅表面对可见光-红外光有很高的反射率。为了减少晶体硅表面对光波的反射，有关科学家采用了许多的手段，如光刻技术、反应离子刻蚀、电化学腐蚀等一系列的实验方法和技术[2-5]。这些技术都有着极大优点，并且很大程度上改变晶体硅表面及其近表面形貌，最终达到减少硅表面对光的反射以及提高器件的工作效率。
1.2.2 晶体硅表面绒面陷光原理分析
对于太阳电池而言，降低光学损失时提高太阳电池效率的重要手段。研究分析表明主要可以通过两条途径来减少光反射，即：利用减反射薄膜和减反射陷光结构。其中，减反射薄膜是在硅表面镀上薄膜，利用光的相干性（1/4光波长厚度的薄膜上表面与下表面的反射光相位差为180°，通过光的相干性可以减弱光反射）来降低光反射损失。而减反射陷光结构则通过在硅表面制作一些微结构来降低硅表面的反射率。目前，广泛采用的减反射结构包括V型槽，倒“金字塔”，多孔硅以及正向随机“金字塔”等绒面结构。
本实验主要采用正向随机“金字塔”的绒面结构。当太阳光照射到金字塔表面时(如图1所示),光线会在金字塔表面发生反射从而照射到另一个金字塔结构上，一方面降低了硅表面对太阳光的反射，另一方面光线斜射入晶体硅增加了太阳光在硅片内部传播的有效长度增加光线被吸收的机会。有关分析表明，光线在硅表面经过两次反射之后，硅表面的反射率大约可降至11%。因此，金字塔绒面结构对晶体硅提高光线吸收效率有很大的帮助。
摘要
在太阳电池产业方面单晶硅占据着几大部分的市场。在硅材料价格居高不下的情况下，要降低太阳电池的成本除了降低硅片厚度，还可以通过提高硅片对光的吸收能力从而进一步增加太阳电池的转换效率并保证其稳定性。本文主要围绕减少单晶硅表面对光的反射进行研究。首先，将反应温度设置为（75℃），另外添加剂（IPA）体积分数设置为1.5%，在碱溶液（质量分数为2.5%的NaOH溶液中）通过各向异性腐蚀单晶硅片，以达到制备金字塔的目的。另外需要改变反应时间以达到优化制备参数的目的。其次，利用Ag离子辅助化学腐蚀法在金字塔绒面基础上，进行二次腐蚀制备黑硅，从而得到复合减反射微结构，测试结果显示，经过上述工艺所制备的微米/纳米复合减反射结构可以有效的降低硅片表面的光反射率。从而得到复合减反射微结构，测试结果显示，经上述工艺制备的微米/纳米复合减反射结构在400-1000nm波长范围内平均低于3%。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:各向异性腐蚀金字塔结构化学腐蚀法黑硅复合减反射微结构
目录
第一章 绪论 1
1.1 太阳电池的研究进展 1
1.2 晶体硅太阳电池表面制绒 2
1.2.1 晶体硅太阳电池表面光学损失分析 2
1.2.2 晶体硅表面绒面陷光原理分析 3
1.2.3 晶体硅太阳电池制绒方法 3
第二章 材料的制备与表征 6
2.1 主要实验原料及实验设备讨论 6
2.1.1 实验原料 6
2.1.2 实验设备 6
2.2 制备方法 7
2.2.1 衬底清洗表面去损伤 7
2.2.2 表面去损伤 7
2.3 性能表征仪器及方法 7
2.3.1 扫描电子显微镜 8
2.3.2 紫外可见分光光度计 8
第三章 金字塔的制备和性能研究 10
3.1 引言 10
3.2 绒面制备方法 10
3.3 实验结果分析 10
第四章 复合减反射微结构的制备及性能研究 13
4.1 多孔金字塔复合结构 13
4.1.1 引言 13
4.1.2多孔-金字塔制备实验 13
4.1.3 结果与讨论 14
4.2 化学腐蚀多孔硅机理分析 17
第五章 结论与展望 18
5.1 结论 18
5.2 展望 18
参考文献 20
致谢 21
第一章 绪论
1.1 太阳电池的研究进展
1839年，法国物理学家Becquerel最先宣布并发现了光生伏特效应。他发现在阳光照射下，将两片金属浸入溶液，它们之间将会产生额外电势。他将此种神奇的现象称为光生伏特。在1876年，英国亚当斯等人通过大量研究，对半导体材料得出了一些发现如:半导体硒受到阳光的照射时，会产生很小的电流，得出其可以产生很弱的光电效应。20世纪50年代，作为半导体材料之一的硒的转化效率也仅仅达到1%左右[1]。
第二次世界大战后，人们发现石油、天然气等石化资源急剧减少，由此推动了太阳能等新能源的探索，掀起了太阳能研究的热潮。
1954年，世界上第一个制备成功的实用型单晶硅材料太阳电池是由美国贝尔实验室的几位科学家Chapin和Pearson等人经过大量的实验研究制备而出的。经过进一步研究，该太阳电池的光电转换效率由6%迅速提升到10%。该研究在全球引起极大的轰动，同时也掀起了太阳电池研究应用的热潮。
20世纪中期之后，太阳能电池已经普遍并且广泛应用于人造卫星、航天飞机等太空器件中。航天事业的发展随着太阳能电池的迅猛发展也得到了极大的发展。同时，由于航天事业对太阳能电池有着极大的需求，这些也进一步促进并推动了太阳能的研究发展。
太阳能作为一种取之不尽、用之不竭新兴可再生能源，因其具有清洁、无污染、高效等显著优点，逐渐成为人们关注的新能源，形成新产业。21世纪随着工农业等产业的不断发展对能源的需求日益扩大，同时由于煤炭、石油、天然气等石化能源的有限产量和大量消耗，导致这些矿物资源逐渐枯竭。据国际能源机构预测，照目前的发展情况全球石油、天然气将在30至60年后消耗殆尽，而煤炭大约仅可使用220年。据估计，我国的煤炭大约可开采80年，而石油、天然气仅仅分别可以开采20年和30年左右。面对能源日渐枯竭的严重趋势，人类为了能够继续在地球上生存下去积极寻求新的能源。在此大条件下，光伏产业作为一种新兴产业逐渐登上历史舞台，推动社会的进一步发展。近年来光伏产业发展迅猛，产业规模日益扩大，产品成本大幅下降。在2009年时，全世界的太阳能电池产量仅为10.66GW，当年生产多晶硅约为11万吨。而在次年，太阳能产量已经达到20.5GW，单晶硅生产约16万吨。另外组件价格不断下降，2000年时为4.5美元/瓦，到了2010年已经下降至1.7美元/瓦。据国际能源署(IEA)估计，在将来的半个世纪之内太阳能将成为全世界能源供应的首选。这也将有利于环境保护，温室气体等等的排量也将大幅度减少。根据《亚太地区主要光伏市场》得出，中国在促进光伏领域的发展方面做出了不可估量的贡献。目前，中国正逐步实施上网电价的政策，该政策的推行将进一步推动光伏市场的发展。《太阳能光伏产业十二五发展规划》的相关文件指出，我国将太阳能光伏产业列入未来国内发展新型产业行列中，大力支持新能源产业的发展。
目前，太阳能市场主要以晶体硅（包括单晶硅、多晶硅和带硅等）为原材料，约占市场份额的90%。据估计，直至2020年太阳能电池市场主要还是以晶体硅为主导。因此，在相当长的一段时间内太阳能电池对晶体硅的需求都保持极大的需求量。而由于能源供应紧张，晶体硅成本较大，减少硅片厚度成为降低电池原材料使用量的最有效手段。在薄化硅片的同时，要求最大化光吸收和钝化。尤其是当钝化效果较好时，光吸收成为保证太阳电池效率的关键因素。因此，在薄化硅片的同时，需尽量最大限度的增加硅基对光的吸收效率。本文将围绕提高单晶硅的光吸收问题来展开研究。
1.2 晶体硅太阳电池表面制绒
1.2.1 晶体硅太阳电池表面光学损失分析
太阳辐射强度按波长分布可分为：无线电波、红外线、可见光、紫外线和射线等等。 当太阳光照射到地球表面时，由于地球大气层的反射及衰减，到达地面的太阳辐射以红外线能量最多（约50%-70%），可见光能量较次红外线（约30%-46%），而紫外线所占能量最少（约0.1%-4%）。当光波（即电磁波）照射到煤质界面时会发生反射和折射现象。一部分光会在界面反射，另一部分则通过投射进入媒介。根据能量守恒定理，反射能流与投射能流之和为入射能流。对硅基太阳能电池而言，其对光的吸收波段主要吸收波段为300nm-1100nm。跟据相关资料显示其反射率n>3.5[6]，反射系数R>30%,另外由于太阳能电池表面的栅线电极等结构的影响，如若硅电池表面没有减反射层和陷光结构，其光损失将非常严重（反射率达35%以上）并且电池效率也受到极大的影响。。晶体硅表面对可见光-红外光有很高的反射率。为了减少晶体硅表面对光波的反射，有关科学家采用了许多的手段，如光刻技术、反应离子刻蚀、电化学腐蚀等一系列的实验方法和技术[2-5]。这些技术都有着极大优点，并且很大程度上改变晶体硅表面及其近表面形貌，最终达到减少硅表面对光的反射以及提高器件的工作效率。
1.2.2 晶体硅表面绒面陷光原理分析
对于太阳电池而言，降低光学损失时提高太阳电池效率的重要手段。研究分析表明主要可以通过两条途径来减少光反射，即：利用减反射薄膜和减反射陷光结构。其中，减反射薄膜是在硅表面镀上薄膜，利用光的相干性（1/4光波长厚度的薄膜上表面与下表面的反射光相位差为180°，通过光的相干性可以减弱光反射）来降低光反射损失。而减反射陷光结构则通过在硅表面制作一些微结构来降低硅表面的反射率。目前，广泛采用的减反射结构包括V型槽，倒“金字塔”，多孔硅以及正向随机“金字塔”等绒面结构。
本实验主要采用正向随机“金字塔”的绒面结构。当太阳光照射到金字塔表面时(如图1所示),光线会在金字塔表面发生反射从而照射到另一个金字塔结构上，一方面降低了硅表面对太阳光的反射，另一方面光线斜射入晶体硅增加了太阳光在硅片内部传播的有效长度增加光线被吸收的机会。有关分析表明，光线在硅表面经过两次反射之后，硅表面的反射率大约可降至11%。因此，金字塔绒面结构对晶体硅提高光线吸收效率有很大的帮助。
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