碱制绒对单晶硅表面织构化的影响

摘要：在单晶硅太阳能电池的制作过程中，一般采用碱制绒的方式将硅片表面织构化，利用表面的陷光作用促进太阳光的吸收，提高电池的转换效率。

为了制作高效率的硅太阳能电池,硅片表面的光反射率应降到最低，太阳电池的表面反射率是影响太阳电池光转化效率的重要因素之一；利用碱对单晶硅的各向异性腐蚀硅片表面，提高入射光吸收效率,进而提高硅太阳能电池的转换效率，因此硅片表面腐蚀对提高太阳能电池效率具有重要意义。

关键词碱制绒；单晶硅；表面结构；反射率；各向异性腐蚀；

中图分类号：C35文献标识码： A

引言

单晶硅具有非常好的光电性能，是太阳能光电子器件基础材料。但单晶硅光电子器件一般都要对其表面进行织构化处理，使之获得更好的光电转换效能。提高单晶体的表面织构化，有效的办法是在硅表面进行修饰，使硅表面形成绒面结构，使单晶硅表面形成均匀分布的金字塔[1,2]，使光能在硅表面多次反射折射，从而使光有更多的机会进入到晶体硅中[3,4]。

陷光机理：当光入射到一定角度的斜面或粗糙的表面，光会反射到另一角度得斜面，形成二次或者多次吸收，从而增加吸收率。

一、硅腐蚀的化学反应原理

制绒是晶硅电池的第一道工艺，又称“表面织构化”。对于单晶硅来说，制绒是利用碱对单晶硅表面的各向异性腐蚀，在硅表面形成无数的四方椎体。目前生产中通常是根据单晶硅片的各项异性特点采用碱与醇的混合溶液对（100）晶进行腐蚀，从而在单晶硅片表面形成类似“金字塔”状的绒面[5]。

在氢氧化钾溶液中，硅与碱发生如下反应：

Si+2KOH+H2O=K2SiO3+2H2

对于单晶硅，由于各个晶面的原子密度不同，与碱进行反应的速度差异也很大。碱溶液浓度、反应温度、反应时间、添加剂的用量都会影响晶体硅表面绒面的形成。

二、碱溶液对单晶硅表面织构的影响分析

KOH浓度对绒面形成起决定性的影响；同时溶液的温度影响着反应物的活性；添加剂用来改变反应溶液的表面张力；反应时间影响金字塔生长的程度。碱制绒绒面的形成是“金字塔”消失与生长的过程，在不同的时间下生长的“金字塔”形貌和大小都不一样，对反射率有很大的影响。“金字塔”的大小以及分别密度决定了光陷效果。

2.1 KOH浓度影响

通过更改KOH浓度达到不同的腐蚀深度：

表1不同KOH浓度时的腐蚀深度及反射率

腐蚀深度 4μm 5μm 6μm 7μm 8μm 12μm 16μm

反射率 9.61% 9.93% 9.89% 9.55% 10.59% 9.45% 9.32%

图1，腐蚀深度为4μm时的SEM图2，腐蚀深度为6μm时的SEM

图3，腐蚀深度为12μm时的SEM图4，腐蚀深度为16μm时的SEM

由于生成物K2SiO3溶于水而被去除，从而硅片被化学腐蚀。通过改变KOH的浓度对金刚线切割片进行制绒工艺，随着KOH浓度的增加腐蚀深度成增大趋势但是金字塔均一性就较差，大小不均。

由于KOH腐蚀具有各向异性，可以制备成绒面结构。因为在硅晶体中，（111）面是原子最密排面，腐蚀速率最慢，所以腐蚀后4个与晶体硅（100）面相交的（111）面构成了金字塔型结构。

2.2制绒时间的影响

通过更改制绒时间达到不同的腐蚀深度：

表2不同制绒时间时的腐蚀深度及反射率

腐蚀深度 4μm 5μm 6μm 7μm 8μm 12μm 16μm

反射率 9.41% 9.63% 9.66% 9.37% 9.53% 9.61% 9.72%

图5，腐蚀深度为4μm时的SEM图6，腐蚀深度为6μm时的SEM

图7，腐蚀深度为12μm时的SEM图8，腐蚀深度为16μm时的SEM

制绒制备过程中随着时间的推移，硅片表面的“金字塔”四方锥会越来越大。“金字塔”太小时，光与硅片的作用与光束入射到平整表面时不同；“金字塔”太大时，入射光束不能进行二次入射而损失，同时对后期制备电池表面电极带来不利影响，所以应当控制腐蚀时间以得到适合的“金字塔”大小。

2.3添加剂的影响

通过更改添加剂用量达到不同的腐蚀深度：

表3不同添加剂用量时的腐蚀深度及反射率

腐蚀深度 4μm 5μm 6μm 7μm 8μm 9μm

反射率 8.62% 8.46% 9.32% 8.36% 8.56% 8.22%

图9，腐蚀深度为4μm时的SEM图10，腐蚀深度为6μm时的SEM

图11，腐蚀深度为7μm时的SEM图12，腐蚀深度为9μm时的SEM

添加剂影响异性因子，同时也影响溶液的表面性质，当用量较少时，溶液表面张力大，反应形成的气泡比较大，而且会在硅片表面逗留，阻碍了腐蚀反应的进行；当用量较多时，异性因子趋向于1，不能够形成理想的“金字塔”覆盖的绒面，所以必须控制添加剂的用量。

2.4反应温度的影响

溶液温度会影响化学反应的速率，在常温下，碱溶液对硅片的织构化反应很难完成，提高反应温度可以加快反应速度。而当温度过高时，反应速度过快，部分绒面结构被碱溶液腐蚀，对光线的反射吸收能力下降，不能得到理想的表面反射率。因此，把腐蚀槽碱溶液温度控制在80℃。

三、结束语

通过碱溶液的各向异性腐蚀制备了“金字塔”形的绒面结构。研究碱溶液浓度、反应温度、反应时间、添加剂的用量等过程参数对制绒绒面效果及表面反射率的影响。发现将腐蚀量控制在5-7um之间时，表面反射率较低，且表面金字塔大小均匀。

参考文献

[1] Vazsonyi E, Clercq K De, Einhaus R, et al. Improved anisotropic etching process for industrial texturing of silison solar cells [J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 1999, 57: 179

[2] SUN Tietun(孙铁囤), CUI Rongqiang(崔容强), WANG Yongdong(王永东). The measurements and analysison texturing of solar cell(太阳电池绒面测试与分析)[J]. Acta Energiae Solaris Sinica(太阳能学报), 1999, 20: 422

[3] Martin A Green. Silicon Solar Cells: Advanced Principles & Practice[M]. Australia: University of New South Wales, Centre for Photovoltaic Devices and Systems, 1995.

[4] DUAN LingWei(段苓伟), XUE Junming(薛俊明), YANG Ruixia(杨瑞霞), et al. 面氧化锌透明导电薄膜性能的影响)[J]. Journal of Optoelectronics・Laser(光电子・激光), 2008, 19, 1206

[5] 沈辉，刘锡运.太阳能电池单晶硅表面织构化正交试验.华南理工大学学报：自然科学版.1000-565X（2006）10-0011-04