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光陷阱在晶硅太阳电池中的应用重点
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永远扛不住女人的小脾气,女人永远抵不住男人的花言巧语。
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光陷阱在晶硅太阳电池中的应用
陈永生王海燕杨仕娥
G郑州大学物理工程学院!
郑州!
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提要
为了提高太阳能电池的转换效率和降低成本!
采用光陷阱是一种很有效的方法!
如多孔硅可使入射光的反射率减
小到#8左右%对实验室和国外几种实用性很强的光陷阱结构!
如金字塔绒面&多孔硅&压花法&溶胶3凝胶等及其制作方法进行了综述%关键词太阳电池硅光电池光陷阱多孔硅压花法溶胶3凝胶
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E(EN’=? ’(3>A(LK’NA? ? : 引言 提高太阳能电池的转换效率和降低成本是改进硅光电池的两个主要方面%影响太阳能电池转换效率的因素很多! 但都可归结为电池的电压&电流和填充因子! 电池表面对入射光的反射就是其中一个重要因素%对于光面的太阳能电池! 反射光强大约是入射光强的 ;制作金字塔绒面 当用化学腐蚀剂! 如氢氧化钠稀溶液&磷苯二酚水溶液&乙醇氨水溶液等! 对单晶硅片进行腐蚀时! 它们对不同的晶面具有不同的腐蚀速度! 对#*%%’面的腐蚀速度要较#***’面的腐蚀速度快%如果将#*%%’面作为电池的表面! 经过腐蚀! 在表面会出现以四个#***’面形成的正方锥%这些正方锥像丛山一样密布于电池表面上! 好像是一层丝绒! 因此称之为绒面%图*为经过,.W: 稀溶液各向异性腐蚀后的单晶硅表面#*%%’方向上的绒面形貌%图0为正方锥体绒面的纵剖面图X*Y%从单晶硅的晶格结构计算得知! 每个立方的顶角为5%"01! % 当一束强度为! %的入射光投射于绒面上C点! 产生反射光! *和进入硅中的折射光! 0(反射光! *可以继续投射到另一方锥的Z点! 产生二次反射光! ! *和进入硅体的折射光! ! $%对平面光电池! 就不产生第二次的入射%经计算! 第二次反射的光强! ! *[%)**! %! 而对光面电池! 反射光强大约为%)1$! %! 可见绒面可将反射率降至光面的*\1%通过对绒面光学性质做进一步的计算可知! 还有**]的二次反 射光可能进行第三次反射和折射! 由此可算得绒面的反射率为4)%! 8%可见! 对绒面光电池! 只要在接近正入射时其反射损失可达到很小%如果再镀减反射膜! 可将反射率降至 %)10倍%为降低反射! 采用光陷阱 是必要的%硅光电池结构从对光子的作用上可大致分为光子透明体和光子吸收体两部分%前者主要指玻璃这类载体! 后者主要指硅体%要制造光陷阱可分别从这方面着手%但同时要与电池的制造工艺结合起来%下面对几种常见的光陷阱结构作简单的介绍%18以下%在同样尺寸的基片上! 绒面光电池的67(结面积比光面大 收稿日期! 0%%12*03$1$山西人! 讲师! 主要从事多晶硅太阳电池的研究%作者简介"陈永生! 男#*4567 <= 第! "卷! 第#期 $%%! 年#月 ! "#"$%&’( 但并未在多孔硅的织构化上多加考虑"*66%年多孔硅可见光发射现象的发现8使人们对其在光伏方面的应用产生了兴趣8并开展了研究"目前制备多孔硅最常用的方法有三种A*$用2B电化学腐蚀C &’()! *+,’)#-./)0%%! 图#经$%&’腐蚀的单晶硅表面()*照片 $$用2BDE,1F=E,1FG电化学腐 蚀CF$放电刻蚀"化学腐蚀和电化学腐蚀能够有效降低具有不同取向的晶粒表面的光损失! 且操作简单! 适合于工业化生产"化学腐蚀’酸腐蚀$液主要由 图"电化学腐蚀后的多孔硅剖面()*照片 释放"一般来说! 对高掺杂的,型硅片! 当固定阳极氧化的电流密度时! 2B浓度越高! 多孔硅的孔径越小(当固定2B浓度时! 阳极氧化电流越小! 多孔硅的孔径越小%图! 为2BAH2FH2$12A2$1J*A$A$’体积比$! 电流密度为F#L>MNL0时! 生成的多孔硅剖面OP-照片%当多孔硅用于太阳能电池时! 虽然可使反射率有很大的降低’见图#$! 但实验表明8多孔硅能得到良好的减反射作用%不过! 多孔硅内存在大量的悬空硅键! 使界面复合速度大大增加! 电子的寿命缩短! 对电池造成不利的影响%因此必须对多孔硅加以钝化%常用的钝化方法有氧化法3F4&电化学掺杂原位钝化法3! 4&原位铁钝化水热制备法3#4&路易斯酸浸泡法3Q4等%另外! 要把多孔硅和太阳能电池的制作工艺相互兼容起来! 也是一个需要解决的问题%目前多孔硅在常规多晶硅太阳能电池中主要应用在减反射作用上! 其工艺的低成本化比其它方法更引人注目! 值得继续进行研究% 2B&2,1F和201’或H2FH112$ 组成"通过改变三者的比例! 制备 图+正方锥体硅表面对光的反射 的多孔硅具有不同的孔密度"图F为’! 6I$2BA2,1FA2$1J*AFA#’体积比$条件下制得的多孔硅形貌图! 多孔硅孔洞数量越多&表面积越大! 且浸蚀温度越高+数量和表面积也随之增大"从图中可以看出! 多孔硅孔洞的大小不均匀"电化学腐蚀’阳极氧化法$既保持了各向异性腐蚀的优点! 又避免了被腐蚀材料掺杂浓度高和内应力大等缺点而受到广泛的重视"硅腐蚀是在高浓度的2B’! 6I$乙醇水溶液中或其它缺乏12的溶 K 得多! 因而可以提高短路电流和光生载流子的收集几率"另外! 如果在,.12溶液中加入乙醇或异丙醇3$4等醇类有机物! 不仅可以加速反应产生的氢气泡从硅片表面的逃逸! 更重要的是! 对腐蚀液中的 125从腐蚀液向反应界面的输运过程具有缓冲作用! 减弱了,.12的 腐蚀度! 从而获得良好的各向异性因子"同时使得大批量腐蚀加工单晶硅绒面时! 溶液中,.12含量具有较宽的工艺容差范围! 有利于提高产品工艺加工质量的稳定性" 液中进行! 并且在硅上施加阳极电化学偏置! 则硅在腐蚀过程中就不能完全氧化! 而在表面产生一层无光泽的黑色&棕色或红色的多孔硅层"在阳极氧化过程中! 乙醇的存在可以减小表面张力! 加快氢气的 ! 制作多孔硅 对于多晶硅! 由于晶粒取向各异! 因此很难像单晶硅一样利用碱溶液#如,.12$的各向异性腐蚀特性在其表面形成覆盖均匀的金字塔绒面%为了取得较好的多晶硅表面织构! 人们尝试了机械刻槽&反应离子刻蚀和激光刻槽等方法! 虽取得了成功! 但对原料和设备都有较高要求! 不适合于工业化大规模生产"*67$年89: .;.<等人采用电化学法制作多孔硅氧化膜+得到了良好的减反射=>? @性能8 "玻璃基片织构 对于多晶硅薄膜太阳能电池! 采用9PH&R沉积的多晶硅层! 其厚度在几微米范围内变化! 在此多 图! 经酸腐蚀后的多晶硅表面()*照片 晶硅薄膜上制作多孔硅难度很大%于是便出现了在玻璃基片上制作 - 第! "卷! 第#期 $%%! 年#月 ! "#"$%&’( &’()! *+,’)#-./)0%%! 粒的大小! 一般来说! <520颗粒的大小随着;3值的增加而增大%通常把<520颗粒控制在%)#B*! ? 范围内%用匀胶机在转速>%%%CD? 5@左右下旋转涂敷: %#制成凝胶样品%随后将样品放入干燥箱中+在 *0%"条件下干燥*A形成了表面呈多孔状的<520薄膜如图>所示%最后在此<520薄膜上用E=F&G 图*多孔硅绒面的反射率和波长的关系 等方法沉积多晶硅薄膜制作太阳能电池%玻璃和多晶硅层的折射率分别为*)#和: )H! 这样减反射膜的最 织构的方法"常用的方法主要有压花法和溶胶1凝胶法" 得以实现%溶胶1凝胶法制备涂层的基本 ! "#压花法$%& 该方法的步骤为#*$模具的制作%单晶硅上用,.23溶液腐蚀形成倒金字塔! 再在金字塔上面溅射一层45! 6(7*8! 9,&! ! %)#’作为保护层($’安装%将模具与需要织构的玻璃面接触! 玻璃的另一表面与抛光的单晶硅面接触! 以保证其平整度(: ’压花%将玻璃加热到其软化温度以上! 对玻璃两侧的单晶硅片施加足够大的压力! 使玻璃的一侧出现金字塔形貌! 然后在玻璃冷却之前将其与单晶硅模具剥离(! ’沉积%在玻璃的织构面上沉积多晶硅薄膜! 制作电池% 图+溶胶(凝胶法制备的,-.’织构层的理想纵剖面图 原理是#将金属醇盐或无机盐作为前驱体! 溶于溶剂&水或有机溶剂’中形成均匀的溶液! 溶质与溶剂产生水解或醇解反应! 反应生成物聚集成几个纳米左右的粒子并形成溶胶! 再以溶胶为原料对各种基材进行涂膜处理! 溶胶膜经凝胶化及干燥处理后得到干凝胶膜! 最后在一定的温度下烧结即得到所需的涂层%制备<520溶胶液的反应物组成包括正硅酸乙酯&4=2<’)无水乙醇)去离子水)盐酸和氨水% 佳折射率增加到大约$): %而用溶胶8凝胶法制备的<52$织构层的折射率在*)! 左右变化%因此! 可用溶胶8凝胶法制备的452$织构层替代<52$织构层%*总结 目前太阳能电池呈现出从单晶硅电池到多晶硅电池到薄膜电池转变的趋势%太阳能电池的薄膜化! 光损失增大! 光陷阱因而受到了很大重视%对于多晶硅薄膜电池! 压花法需要较大的压力! 同时要将玻璃基片软化! 条件比较苛刻! 并且容易使单晶模具损坏! 不适合于大面积使用(而溶胶8凝胶法操作简单! 很容易在实验室完成! 如要大规模生产! 可以和玻璃生产厂家合作解决%但不论采用何种光陷阱结构! 都必须使其与太阳能电池的制造工艺相互兼容%&此文参考文献见第! ! 页’! "’溶胶(凝胶法$)& 溶胶1凝胶法具有合成温度低)各化学组分易于精确控制&尤其对半导体掺杂物的尺寸和数量容易控制’可制备具有不同寻常组份及高纯度和良好的均匀性等优点的玻璃%由于溶胶1凝胶材料物理刚性大)生物相容性好)光学性能好)热稳定性高)易功能化改性及制备条件温和等优点! 所以其结构和形态可通过控制反应初期的原料配比);3值)共溶剂的种类与数量以及陈化)干燥和热处理条件4=2<)无水乙醇)稀盐酸按一定体 积比混合制成初始溶液进行酸式水解! 使用磁力加热搅拌器! 在##! >%"水浴加热条件下+加热搅拌: %? 5@左右制成胶体溶液(冷却至室温! 加入氨水和乙醇混合液进行碱式水解! 搅拌%)#A后! 得到含<520颗粒的溶胶液%水解时溶液的;3值决定着<520薄膜中<520颗*) 第! "卷! 第#期 $%%! 年#月 ! "#"$%&’( 表% &’()! *+,’)#-./)0%%! 特性参数工作电流P;< 最小典型最大’"%%’’ 如图=所示@$1)0)0光谱特性 正源公司现有的789: 产品工作波长有=#%A;%*1*%A;和 的噪声GHI! 而且可以减少铌酸锂集成光路的加工公差和它同单模光纤的对准公差$ "0% 789: 不仅是光纤陀螺仪! 同 时也是光纤传感器系统和光时域反射仪? JK: LF的理想光源$另外! 它可以替代相当实用的注入型半导体激光器和发光二极管作光纤通信光源! 实现与探测器的单片集成! 用于光学存储读数$随着其性能的提高! 789: 在测量系统%视频光盘%打印机%光触发开关%,BM 7-P2-光纤输出功率’#%%’’’’’Q*%%;<时FP! >1BC带宽PA; 中心波长PA;波动PBC’’’ ! % ’’’ *$D%*1*%*1$% ’’’ *##%A;三种! 光谱宽度在*1*%A;的为! %A;左右&*##%A;的为#%A;左右! 波动小于%)0BC$*1*%A;产品的光谱性能如图D所 示! 性能指标如表*所示? ! E$#! F$ %)* %)$ ! "#性能1)0)*234"564特性789: 是一种无阈值的器件! 当注入电流大于某一值时! 输出功率随注入电流线性增加#正源公司的789: 产品! 在工作电流*%%;<时! 组件出纤功率可大于=%%! > $结束语 光纤陀螺仪是一种比较先进的制导设备! 目前其工作波长从短波%)=#! ;向*)1! ;和*)#! ;发展$采用长波长! 不仅可以显著降低由光纤圈中反向瑞利散射引起 N 到广泛的应用$ 参考文献 *RSTU.VWX8,Y7Z.[ZWB\Z.A’X77+C/]VT’X.8&"#$%&&’()*"#+,-.*).’"/*)(012)#3*D^*Y$M*^1D"*^! ! 0-W[.;WJ! ’_S‘ZWN! N.].[.a)9;W]]W’A]bc‘VT.(dWBVZUT’.BcAWA_e’T4AO.<]2P4A2]SbcT(S;WAc]‘cAVBW’Bc])45567()83*DD*Y%! &Q0FM*11f*1^1R.;WA’d4! 9W]cA]VcWAO! 7VS(\8)-c.]STc;cAV’eVZc;’ B.(Tce(c‘VWXWV/’e.A.AVWTce(c‘VW’A‘’.VWA_’A.]SbcT(S;WAc]‘cAVBW’Bc)9555: ;<2$0#&5%")#7(0&3*D=1Y%’Q! FM! D1f! D#! <(bZ’A]cO OW(UcTV: C! a.TXc/-O)aW_Z3b’dcT]SbcT(S;WAc]‘cAVBW’Bc])9555: &<2$0#&5%")#7(0&! *D==Y#$Q*$F($! #! f$! #^#,._.Wa! ’_S‘ZWN! 7SB’7)aW_Z3b’dcTYZW_Z3ceeW‘WcA‘/*)1! ;]SbcT(S;WAc]‘cAVBW’BcdWVZ.USTTWcBUcAV.U]’TUWA__SWBc]VTS‘VSTc)=>>%6,-.? "##;! *D=D! ($Q*=FM*^*D"*^$*H斯卡尔鲍罗gC)林士谔等)陀螺仪理论和应用G-I)北京(国防工业出版社! *D=*)*^^f*=* ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! )上接第(&页* 参考文献 *刘恩科)光电池及其应用! 北京(科学出版社! *D=D(*H^f*HD$许彦旗! 汪义川! 季静佳等)关于单晶硅各向异性腐蚀机理的讨论! $*世纪太阳能新技术! $%%1M1! f1=1R’‘Z&2Y-S]‘ZW[KY-.V]S;’V’VK"#@%)YL.bWB3VZcT;.(3’hWBW\cBb’T’S]7W3KZc]SbcTW’TbZ’V’(S;WAc]‘cAV7W)=>>%;6,-.;? "##)Y*DD$Y)%Q=FMD! 1fD! #! 龚孟濂! 曾春莲! 石建新等! 掺铕多孔硅的恒电位电解法制备及其光致发光)高等学校化学学报! *DDD! #*)#*(^#%f^#111#李新建! 富笑男! 姚乾凯等! 铁钝化多孔硅的水热制备法及其光致发光特性)激光与光电子学进展)增刊*! *DDD! )D*(1*fHCSTW.[g-Y7Vcd.TV-2YOcBcT]K>"#@%))8cdW].‘WB;cBW.VcBZ/BT’]W(/(.VW’A’Ab’T’S]]W(W‘’A]STe.‘c): ;=/;A,"/;B();Y*DDDY%#%M**! 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- 陷阱 太阳电池 中的 应用 重点
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