单晶硅片制绒

时间：2022-11-04 百科知识版权反馈

【摘要】：在单晶硅太阳能电池的制备过程中，经常利用碱溶液对电池表面进行“织构”，以形成陷光，增强对光的吸收。图7－1、图7－2为单晶硅片制绒前后的绒面。其化学反应方程式是经过上述化学反应，生成物Na2SiO3溶于水被去除，从而硅片被化学腐蚀。由此说明单晶硅绒面电池是好的光陷阱。每插100张硅片，需更换手套。操作中严禁工作服与硅片和片盒接触。

在单晶硅太阳能电池的制备过程中，经常利用碱溶液对电池表面进行“织构”，以形成陷光，增强对光的吸收。在NaOH溶液中制备硅片时，由于各个晶面的腐蚀速率不同，在硅片表面会形成类“金字塔”形绒面。碱溶液浓度、添加剂用量、反应温度以及时间等都会影响到绒面的形成。图7－1、图7－2为单晶硅片制绒前后的绒面。

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图7－1　制绒前显微镜观察图

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图7－2　制绒后显微镜观察图

1．绒面形成原理

实验表明，不同浓度的碱溶液（NaOH，KOH等）对（100）晶面和（111）晶面的腐蚀速度不一样，适当浓度的碱溶液可以在单晶硅表面得到金字塔结构，使光产生二次或多次反射，可以对不同波长的光都有较好的减反射作用，具有这种结构的作用的表面称为绒面。其化学反应方程式是

经过上述化学反应，生成物Na2SiO3溶于水被去除，从而硅片被化学腐蚀。因为在硅晶体中，（111）面是源自最密排面，腐蚀的速率最慢，所以腐蚀后4个与晶体硅（100）面相交的（111）面构成了金字塔形结构，如图7－3所示。

各向异性腐蚀，即在不同的晶面上有不同的溶解速率，是在碱性溶液中硅刻蚀的一个典型的特征。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，书中将单晶硅的（100）面与（111）面的腐蚀速率之比定义为“各向异性因子”（Anisotropic Factor，AF）。碱溶液浓度、反应温度和添加剂用量都会影响AF，当AF＝1时，硅片各晶面的腐蚀速度相似，得到的表面是平坦的、光亮的，有抛光的作用；当AF＝10时，对各向异性制备绒面效果最佳。从本质上讲，绒面形成过程是：NaOH溶液对不同晶面的腐蚀速度不同，（100）面的腐蚀速度比（111）面大数十倍以上，所以（100）晶向的单晶硅片经各向异性腐蚀后最终在表面形成许许多多表面为（111）的四面方锥体，而这些类“金字塔”方锥体之间的硅已被NaOH所腐蚀。

通过碱溶液的异性腐蚀可以制备得到“金字塔”形的绒面结构，碱溶液浓度、反应温度、腐蚀时间和添加剂用量影响了AF值，对制备绒面效果有一定的影响，其中反应时间和添加剂的用量对制备得到的绒面表面陷光效果影响显著，在工业中要对这两个主要因素进行控制。

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图7－3　金字塔形多面体结构

2．绒面反射原理

绒面具有受光面积大和反射率低的特点。其粗略解释如下：

如图7－4所示，金字塔形角锥体的总表面积SO等于四个边长为a的正三形面积S之和

由此可见绒面的面积比光面提高了1．732倍。

如图7－5所示，对垂直于太阳能电池平面的入射光，在（111）面的上部将产生“二次入射”。而靠近沟槽底部的入射光将产生“三次入射”。如果具有反射率R的表面上反射与角度的依赖性可以忽略，那么，n次入射后的反射率将为Rn。对于硅在（100）晶面上用碱溶液腐蚀制作的绒面，角锥体表面为（111）面，与底面为54．73°，计算得到所有垂直入射光将得到至少两次入射机会，11．1%的在沟槽底部的入射光将经历三次入射，致使反射率大大降低。相应于具有两次入射的入射光，其入射角分别为i1和i2，三次入射的入射角为i3。根据单晶硅绒面角间的确定关系，可计算出其值分别为

i1＝54．73° i2＝15．80° i3＝86．33°

由几何光学知，光在两种介质界面上满足反射定律和折射定律，又n1＝1，n2＝3．7。由此可计算出折射到达硅底面的入射角i1＝41．98°。而光由折射率高的光密媒质进入折射率低的光疏媒质时，使得折射角为90°的入射角ic＝15．68°，由于i1＝41．98°＞ic＝15．68°，因此垂直入射到单晶硅表面的光经界面折射到底面的入射光发生全射现象。由此说明单晶硅绒面电池是好的光陷阱。

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