用于異質(zhì)結(jié)太陽能電池應(yīng)用的Na2CO3溶液的硅片紋理化

引言

在太陽能電池工業(yè)中，最常見的紋理化方法之一是基于氫氧化鈉或氫氧化鉀的水溶液和異丙醇(IPA)。然而，IPA是有毒的，而且相對昂貴，因此人們正在努力取代它。在過去的幾年中，硅異質(zhì)結(jié)(SHJ)太陽能電池由于晶體硅的良好性能和薄膜技術(shù)的多功能性而引起了光伏行業(yè)的興趣。這些SHJ太陽能電池是通過將薄膜非晶態(tài)或微晶硅沉積在碳硅晶片上而形成的。其主要特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率高、開路電壓高、溫度系數(shù)。這些太陽能電池的性質(zhì)使它們的界面占主導(dǎo)地位。

實(shí)驗(yàn)

紋理化過程首先在硅晶片上進(jìn)行了分析。一旦確定了紋理化的最佳條件，該工藝將應(yīng)用于其他類型的基板，F(xiàn)Z晶片厚度為255-305mm，CZ晶片厚度為280-320mm。晶片直徑為100mm，但樣品尺寸為40mm

40mm。在紋理化過程之前，樣品在超聲波浴中用乙醇清洗。然后，樣品在室溫下在1wt%HF：DIW(18.2Mocm電阻率DIW稀釋)溶液中蝕刻，以去除天然氧化物。最后用DIW沖洗。在紋理化過程中，晶片浸在一個包含紋理化溶液的蓋容器中。這種溶液以前已經(jīng)使用帶有不銹鋼溫度傳感器的數(shù)字控制熱板在測定溫度下加熱。當(dāng)蝕刻時間結(jié)束后，從溶液中取出樣品，用DIW沖洗，以停止化學(xué)反應(yīng)。

結(jié)果和討論

使用中等濃度(10wt%)的拋光FZ單晶晶圓樣品進(jìn)行碳酸鈉溶液處理。溫度在60~901C之間，所有試驗(yàn)的處理時間均保持在30min。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，70℃的溫度足夠高，足以充分紋理表面。然而，當(dāng)溫度升高到90℃時，形成紋理表面的金字塔的大小增加了。因此，90℃被認(rèn)為是最佳溫度，盡管處理過的表面還沒有均勻的紋理。為了在90℃下獲得良好的均勻性，蝕刻時間變化為20~60min。

對碳酸鈉濃度的影響。通過改變5~30wt%的濃度來評估碳酸鈉濃度的影響。隨著濃度的增加，乍一看就觀察到表面明顯惡化。反應(yīng)變得更加強(qiáng)烈，并產(chǎn)生了許多粘附在樣品表面的大氣泡。這些氫氣泡在表面充當(dāng)掩膜，抑制結(jié)構(gòu)化反應(yīng)。因此，表面不均勻，并表現(xiàn)出較寬的明亮區(qū)域，其中紋理化過程不成功。在使用碳酸鈉溶液的第一次測試中獲得的最佳表面上進(jìn)行的半球反射測量得到的

21.5%平均值在400到1100nm之間。這些值顯著高于使用IPA堿性溶液得到的值。

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碳酸氫鈉在碳酸鈉溶液中的影響。我們制備了一組不同的na2co3/nahco3水溶液，其中碳酸氫鈉濃度保持在4wt%，而鈉濃度則在5~25wt%之間變化。根據(jù)上述測定方法，蝕刻時間和溫度分別保持在30min和90℃。碳酸氫鈉的加入確實(shí)導(dǎo)致了粘附在晶圓表面的氣泡尺寸的減少，即使在碳酸鹽濃度高達(dá)25wt%的情況下，也能產(chǎn)生徹底的均勻紋理外觀。掃描電子顯微鏡結(jié)果表明，在5wt%的濃度下，樣品表面沒有完全蝕刻。隨著碳酸鈉濃度的增加，較大的錐體結(jié)構(gòu)的數(shù)量和大小也在增加。碳酸鈉/碳酸氫鈉溶液紋理的樣品與碳酸鈉溶液紋理的樣品的半球形反射率降低。因此，可以認(rèn)為碳酸氫鹽離子在調(diào)節(jié)蝕刻反應(yīng)中起著重要的作用。

我們研究了nahco3/na2co3濃度的比值對錐體密度和形態(tài)的影響。樣品用紋理溶液蝕刻，其中濃度從0.16到0.53的比例變化。用0.16和0.27之間的低比例溶液蝕刻的樣品的錐體形態(tài)有明顯的改善（即較平坦的小面和較少圓形的頂部）。當(dāng)比值為0.27 (4 wt%NaHCO3/15wt%碳酸鈉)時，形態(tài)學(xué)效果最佳。 然而，當(dāng)用較高比例(r?0.40–0.55)的蝕刻溶液處理時，觀察到其紋理表面的形態(tài)明顯惡化。如前所述，在碳酸鈉紋理溶液中加入碳酸氫鈉會增加hco3h的種類，從而改善了錐體的形態(tài)。相反，這種添加也導(dǎo)致了氫氧根濃度的降低，根據(jù)pH測量結(jié)果確定(25wt%碳酸鈉溶液為6

10–3mol/l，25wt%na2co3/4wt%碳酸氫鈉溶液為1

10–4mol/l)。

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總結(jié)

本研究研究了碳酸鈉和NaHCO3/na2co3水溶液中/100S拋光FZ和粗糙（如切割）和拋光CZ硅晶片的紋理化情況。結(jié)果表明，僅含碳酸鈉的水溶液不可能獲得均勻和完全紋理的表面。必須添加中等數(shù)量的碳酸氫鈉，以實(shí)現(xiàn)完全具有更高質(zhì)量的紋理表面。因此，可以認(rèn)為碳酸氫鹽離子在調(diào)節(jié)蝕刻反應(yīng)中起著重要的作用。應(yīng)確保溶液中存在足夠的碳酸鹽2-離子，以避免形成二氧化硅，從而鈍化表面，防止蝕刻過程。

基于4wt%碳酸氫鈉和25wt%碳酸鈉的水溶液能夠同時蝕刻拋光的FZ和切割和拋光的CZ硅片。三種硅晶片的400-1100nm之間的平均半球反射率為13-16%。當(dāng)適的arc沉積在紋理晶片上時，這些值平均下降到5%。這些結(jié)果可以被認(rèn)為是足夠低的SHJ太陽能電池應(yīng)用。當(dāng)晶圓垂直浸入紋理溶液中時，結(jié)果大大改善。此外，QSSPC測量表明，這些具有碳酸氫鈉/碳酸鈉混合物紋理的硅晶圓的表面質(zhì)量良好，因?yàn)槠溥m用在SHJ太陽能電池中。