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多晶硅太阳电池新腐蚀液的研究及其应用

刘志刚  
【摘要】: 能源是人类社会向前发展的基础,环境是人类可持续发展的必要条件。传统能源日益紧张,人们不断探求新的洁净能源。各种新能源都有其优劣,光伏发电作为新能源的一个分支,越来越引起人们的关注。最近几年,太阳能电池的产量以前所未有的速度增长,晶体硅电池依然占据市场的主流,其中多晶硅占据市场的53%。在晶体硅电池制造工艺中,酸液腐蚀技术越来越多的应用于多晶硅太阳电池工业化生产。但酸液的自催化性使其在应用过程中出现可控性差、重复性差等问题,人们不得不用一些辅助设备以保证其大规模生产,增加了生产成本。 本论文首次提出了用弱碱氨水(NH_3·H_2O)控制氢氟酸(HF)/硝酸(HNO_3)/水(H_2O)体系腐蚀硅片速度的新思路。用正交试验的方法研究了新型腐蚀液(HF/HNO_3/ NH_3·H_2O /H_2O体系)中各成份对腐蚀速度的影响,氨水的加入并不影响HF、HNO_3、H_2O在硅片腐蚀过程中所起的作用。重点讨论了氨水对腐蚀速度的影响。氨水含量增大的过程中,腐蚀速度先增大后减小。定量计算了新型腐蚀液的成份,并将Pitzer理论应用于离子活度系数的计算。结合化学反应速度理论可以看出,氨水增大过程中HNO_3浓度和活度系数的减小是腐蚀速度降低的主要原因。通过比较腐蚀过程中铵离子的消耗量、硅片的消耗量和硝酸根的消耗量可以看出,硅片腐蚀过程中,硝酸铵(NH_4NO_3)不断分解产生一氧化二氮(N_2O)气体,这是本文得出的最重要的结论。建立了三相体系模型,大量N_2O气体附着在硅片表面,起到气泡掩蔽作用,增加了硅腐蚀的动力学阻。而且,大量的N_2O气体增加了HF的传质阻,降低了腐蚀速度。另外,用气体搅拌模型讨论了N_2O在升起的过程中起到的搅拌作用。气体搅拌降低了HF的扩散阻力、HF的浓度梯度及扩散层的厚度,增加了腐蚀速度。氨水体积增加的过程中,HNO_3的浓度及活度系数、N_2O气体的阻止作用及HF的扩散性质共同影响了硅片的腐蚀速度。研究了硅片腐蚀速度随时间的变化规律。硅片在酸液中的腐蚀速度与反应放热、体系与外界的交换热、溶液中的氟离子浓度有关。硝酸铵在腐蚀过程中的分解是造成HF/HNO_3/H_2O体系和HF/HNO_3/ NH3·H_2O /H_2O体系对硅片腐蚀情况不同的根本原因。 将新型腐蚀液应用于多晶硅太阳能电池表面织构工艺。NH_4NO_3不断分解产生的N_2O气体有利于腐蚀坑结构的形成。得到的多晶硅表面均一,晶向依赖性小。与其它方法制备的多晶硅表面相比,虽然300-1200nm波段范围内的反射率不是最低,但制备的电池性能最好。从电压、电流和填充因子等方面分析了电池性能不同的原因。新型腐蚀液在应用过程中稳定、可控性好、重复性好,不需要温控设备和循环设备,降低了生产成本。 介绍了背腐蚀法分离p-n结的原理,将新型腐蚀液应用于晶体硅太阳能电池背腐蚀技术。其对腐蚀速度的抑制作用,可有效消除腐蚀过程中对正面n~+层的破坏。设计了一种碱液腐蚀法,对电池背场进行检测。与等离子刻蚀方法比较,背腐蚀背场均一,长波的光谱响应较高,电池输出电压明显提高。背腐蚀法得到电池的背反射器平坦,长波反射后的光程减小,反射率降低,电流降低。从综合效果上来看,背腐蚀法得到的电池性能较等离子刻蚀法明显改善了。 最后,本文提出了一些后续工作的建议,希望新型腐蚀液早日应用于晶体硅太阳能电池的工业化生产。


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