多晶硅太阳电池新腐蚀液的研究及其应用

论文摘要

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（NH3·H2O）控制氢氟酸（HF）/硝酸（HNO3）/水（H2O）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/HNO3/ NH3·H2O /H2O体系）中各成份对腐蚀速度的影响,氨水的加入并不影响HF、HNO3、H2O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HNO3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（NH4NO3）不断分解产生一氧化二氮（N2O）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N2O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N2O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N2O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,HNO3的浓度及活度系数、N2O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/HNO3/H2O体系和HF/HNO3/ NH3·H2O /H2O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。NH4NO3不断分解产生的N2O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。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 太阳能产业的发展情况
• 1.2 晶体硅太阳能电池新技术的发展情况
• 1.3 研究酸液腐蚀对太阳能电池的意义
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 新型腐蚀液对硅腐蚀机理的研究
• 2.1 硅片在 HF 体系中的腐蚀
• 2.1.1 硅片在HF 体系中的腐蚀机理
• 2.1.2 影响硅片在HF 体系中腐蚀速度的因素
• 2.2 反应速度理论
• 2.3 电解质溶液活度系数的计算方法
• 3/NH₃·H₂O/H₂O 体系中反应规律初探'>2.4 硅片在 HF/HNO₃/NH₃·H₂O/H₂O 体系中反应规律初探
• 2.4.1 正交试验及其设计
• 2.4.2 正交试验的结果及分析
• 2.5 氨水加入量对反应速度的影响
• 2.5.1 实验及结果
• 2.5.2 溶液成份及活度系数对腐蚀速度的影响
• 2.5.3 三相体系的建立及对腐蚀速度变化规律的解释
• 2.5.4 气体搅拌原理对腐蚀速度的解释
• 2.6 硅片腐蚀速度随反应时间的变化
• 2.6.1 实验部分
• 2.6.2 加氨水后腐蚀速度及溶液温度随反应时间的变化规律
• 2.6.3 腐蚀液中氟离子的测试及其随反应时间的变化规律
• 2.6.4 腐蚀速率随反应时间变化规律的解释
• 2.6.5 加氨水酸液与不加氨水酸液对硅片腐蚀的比较
• 2.7 本章小结
• 第三章 新型腐蚀液在多晶硅太阳电池绒面制备上的应用
• 3.1 多晶硅绒面制备的研究概况
• 3.2 几种腐蚀液制备多晶硅表面的比较
• 3.2.1 实验及结果
• 3.2.2 氨水存在情况下腐蚀坑的形成机理
• 3.2.3 不同腐蚀液处理多晶硅表面反射率的比较
• 3.3 不同腐蚀液处理多晶硅所制备电池性能的比较及分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 新型腐蚀液在晶体硅太阳电池p-n 结分离上的应用
• 4.1 p-n 结分离工艺研究概况
• 4.2 背腐蚀法分离p-n 结的原理
• 4.3 不同p-n 结分离方法所制备电池性能的比较
• 4.4 背腐蚀工艺对电池电压的影响
• 4.4.1 背腐蚀法对硅片电压的影响
• 4.4.2 铝背场对电池电压的影响
• 4.4.2.1 铝背场的简介
• 4.4.2.2 铝背场的测试
• 4.4.2.3 背腐蚀法制备的铝背场对电池电压的影响
• 4.5 背腐蚀工艺对电池电流的影响
• 4.6 背腐蚀工艺在多晶硅太阳能电池上的应用
• 4.7 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 博士阶段所做的工作及发表论文情况