摘要
随着全球能源危机和环境污染问题日益严重，太阳能作为一种可再生能源受到人们的广泛关注。光伏发电是太阳能利用形式中重要的一种，其中90％以上采用的是晶硅太阳能电池。在多晶硅太阳能电池生产中，近年来新兴的切割技术为金刚石线锯切割技术，具有切割速率快、精度高、硅原料损耗少、废液易回收等优点，已经全面取代砂浆切割技术。然而，金刚石线锯切割的多晶硅片表面会形成损伤层，传统的制绒工艺较难获得合适的绒面结构，进而获得最优的电池性能。同时，金刚石线锯切割多晶硅片表面损伤层对制绒及电池性能的影响机制尚不明确;绒面结构、反射率及电池性能之间的关系尚不清晰。针对此，本论文研究了金刚石线锯切割多晶硅片的基本性状和损伤层的形成机理，分析了损伤层对制绒工艺和太阳能电池性能的影响。在此基础上，分别采用酸腐蚀法和金属催化化学腐蚀法进行绒面结构的制备和性能研究，阐明了绒面结构中深宽比与反射率和太阳能电池性能之间的关系。 研究结果表明，多晶硅片表面分布着金刚线往复运动而产生的平行排布的划痕以及磨粒磨削所产生的凹坑。多晶硅片表面有一层厚度为40～130nm的非晶层，非晶层下为厚度约1μm的高密度缺陷层。缺陷层中包含大量的孪晶、层错及位错等。切割过程中，在金刚石磨粒的切削作用力下，硅晶体结构发生了晶体-纳米晶-非晶的转变。采用质量分数为20％的NaOH溶液在80℃下反应20s可以完全去除非晶层及缺陷层，去除损伤层后经相同的制绒条件可提高制绒时的腐蚀速率，降低硅片表面反射率。 酸腐蚀法具有设备改造价格极低的优势，本论文采用酸分步腐蚀法制绒时，获得的硅片表面反射率最低为32.48％，比一步腐蚀法制绒后的硅片表面反射率降低了约4.24％。为了有效减缓反应速率、改善表面润湿性、改变气体逸度，起到修饰绒面结构、提高制绒效率的作用，在酸腐蚀制绒液中加入十二烷基苯磺酸溶液、聚乙烯醇、聚乙二醇、NaNO2和柠檬酸钠溶液组成的混合添加剂。经优化后获得的多晶硅片表面反射率最低值比没有添加剂加入时降低了16.66％，获得的太阳能电池片平均光电转换效率为18.38％。 采用银作为催化剂在金刚石线锯切割多晶硅片表面制绒，可以调控绒面结构，使其具有范围较大的深宽比和极低的反射率。本论文中获得的深宽比和反射率分别为0.63～5.31和3.14％～18.15％，反射率随深宽比的增大呈幂指数下降趋势。硅片表面绒面深宽比为1.58的结构，制备出的太阳能电池片光电转换效率最高，为18.53％。此外，采用双氧水和氨水的混合溶液，可以将制绒后多晶硅片表面残留的银完全去除。 银属于贵金属，且含银的废液较难处理，本论文研究了采用成本更为低廉且催化活性较好的铜催化剂进行多晶硅片表面制绒。硅片表面制绒后会形成致密的铜膜，阻碍反应的持续进行。铜膜去除后硅片表面形成局部抛光的现象，反射率为34.18％。通过加入不同氧化能力及溶解状态的氧化剂，实现了硅片表面连续制绒，并获得了复合结构的绒面。铜催化腐蚀液中加入FeCl3制绒后，可获得尺寸约为2～3μm的楔形状腐蚀坑，绒面的反射率为22.85％。加入MnO2时，可获得尺寸较大的呈片状剥落的腐蚀坑以及底部和顶部随机且均匀分布的尺寸约为1μm的腐蚀孔的复合结构，反射率为23.17％。加入H2O2时，可获得均匀分布且尺寸约为1μm左右的倒金字塔状结构的绒面，反射率为18.16％。加入H2O2获得的太阳能电池片的平均光电转换效率为18.92％ 综上，通过对不同条件下获得的绒面结构及性能特点进行分析，深入研究了绒面结构深宽比对硅片表面反射率及电池性能的影响。阐述了最优太阳能电池性能与绒面结构深宽比之间的关系:采用酸腐蚀法制绒，制备出的绒面结构深宽比为0.54～1.60时，获得的太阳能电池片光电转换效率最高可达18.69％。采用金属催化化学腐蚀法制绒，绒面结构的深宽比为1.33～1.76时，获得的太阳能电池片光电转换效率最高可达19.00％。
NETL