摘 要

由于化石能源日益显出其弊端，人们展开了对清洁能源的研究，光伏电池是一种重要的生产清洁能源的方法。提升光伏电池的光电转换效率对光伏电池的应用有着重要的意义，而降低单晶硅片表面的反射率可以提升光电转换效率。在单晶硅片表面制备出倒金字塔结构可以显著降低单晶硅片表面的太阳光反射率。本课题通过设置在制备单晶硅片表面倒金字塔结构的几个重要过程中的时间为变量，找出了在预设溶液体系条件下合适的制备出单晶硅片表面倒金字塔结构的时间。在本实验预设的各处理体系溶液浓度下，当挖孔处理，扩孔处理和后处理均是在60℃时，采取挖孔处理时间为2分钟，扩孔处理时间为4分钟，后处理时间为9分钟可以在硅片表面得到最佳的测试平均反射率和硅片表面的倒金字塔结构微形貌。经反射率测试仪测试硅片表面平均反射率为9.78%。由扫描电镜图像得到倒金字塔孔径大小在1.7微米左右。

关键词：单晶硅 倒金字塔 反射率 制绒 金属离子辅助刻蚀

Study on inverted pyramid of single crystal silicon

Abstract

As fossil energy is increasingly showing its drawbacks, people have begun research on clean energy, which is an important method of producing clean energy. Improving the photoelectric conversion efficiency of photovoltaic cells is of great significance for the application of photovoltaic cells, and reducing the reflectivity of the surface of the single crystal silicon wafer can improve the photoelectric conversion efficiency. The preparation of the inverted pyramid structure on the surface of the single crystal silicon wafer can significantly reduce the solar reflectance of the surface of the single crystal silicon wafer. In this paper, by setting the time in several important processes of preparing the inverted pyramid structure on the surface of the single crystal silicon wafer, the time for preparing the inverted pyramid structure of the single crystal silicon wafer under the condition of the preset solution system was found. Under the concentration of each treatment system solution preset in this experiment, when the hole-cutting treatment, the hole-expanding treatment and the post-treatment are all at 60 °C, the hole-cutting treatment time is 2 minutes, the hole-expanding treatment time is 4 minutes, and the post-treatment is performed. The time is 9 minutes to obtain the best test average reflectance on the surface of the wafer and the inverted pyramid structure micro-morphology on the surface of the wafer. The average reflectance of the surface of the silicon wafer was 9.78% by a reflectance tester. The inverted pyramid aperture size is about 1.7 microns from the SEM image.

Keywords: single crystal silicon inverted pyramid reflectivity texturing metal ion assisted etching

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 研究背景及意义 1

1.1研究背景 1

1.2 研究意义 2

第二章 文献综述 3

2.1 硅基光伏电池 3

2.1.1 单晶硅光伏电池 3

2.1.2 多晶硅光伏电池 3

2.2 酸制绒 4

2.3碱制绒 5

2.4金属离子辅助刻蚀法 6

2.5倒金字塔结构 6

2.6课题提出的目的 7

第三章 实验方案 8

3.1原料与仪器 8

3.1.1实验原料 8

3.1.2实验仪器 8

3.2实验原理 8

3.2.1初抛 8

3.2.2挖孔 8

3.2.3扩孔 9

3.2.4后处理 9

3.3实验过程 9

3.3.1实验步骤 9

3.3.2注意事项 10

第四章 实验结果分析 11

4.1实验分析 11

4.1.1挖孔时间的影响 11

4.1.2扩孔时间的影响 13

4.1.3后处理时间的影响 17

4.2结论 21

第五章 总结与展望 23

5.1总结 23

5.2展望 23

参考文献 25

致谢 28

第一章 研究背景及意义

1.1研究背景

自从人类历史上的第一次工业革命以来，随着人类社会经济和科技的发展过程中，人类燃烧了大量的化石燃料，使用化石燃料作为能源虽然极大地推动了人类社会经济与科技的发展，但是伴随着化石燃料的燃烧，人类不仅向空气中排放了大量的二氧化硫，二氧化氮，一氧化氮，一氧化碳等有毒气体以及有毒尘埃，严重危害了人类健康的生活环境；而且向大气中排放了大量的二氧化碳等温室气体，造成了全球气候变暖。气候变暖不仅危害了自然生态环境，导致一些动植物有灭绝的危险，而且全球气候变暖会融化地球两极冰川，是地球的海平面上升，淹没沿海城市。综合不同的统计，目前全世界有大约百分^【1】之三十的人口居住在沿海地区，约百分之六十^【2】左右的财富处于沿海地区，几乎全世界所有的大城市和发达城市都位于沿海；海平面上升对人类文明的威胁不可想象。地球气候变暖导致的极其严重的气候变化，造成了一些地区的严重干旱和一些地区的严重洪涝灾害。这严重威胁了人类社会的根基农业的发展，可能会导致全世界范围的粮食减产，目前美国加州就遇到了前所未有的大旱天气，对美国加州的农业造成的一定的打击。化石能源还有一个弊端，就是化石能源常常集中在这个世界的特定地区，如果这些地区受到局势的动荡，或者战争的影响，往往就会造成世界性的能源危机，无上个世纪七十年代欧美国家遇到的的能源危机。我国是一个能源进口大国，现在已经成为全世界最大的能源进口国，我国现在每年有超过50%的能源需要从国外进口，中国每年从国外进口^【3】超过1000亿美元的原油。这说明我国能源战略安全存在极大的隐患，能源结构转型迫在眉睫。

正因为如此，当今全世界范围内的很多科学家都投身到了清洁能源和可再生能源的研究中。太阳能是清洁可再生能源中重要的一种，而利用太阳能光伏电池发电是目前最普遍的一种太阳能利用技术。现在得到广泛应用的硅基光伏电池的光电转换效率大多在20%左右。所以，提高光伏电池的光电转换效率，成为了一门很重要的课题。在光伏电池表面制作绒面是一种重要的提升光^【4】电转换效率的方法，它的原理是通过提高光在绒面内部的反射次数进而降低反射率来提升光电转换效率的。在光伏电池表面制备倒金字^【5】塔结构绒面是一种极具潜力的降低反射率的研究方法，因为相对于正金字塔结构绒面和虫洞状绒面，倒金字塔结构的绒面往往具有更低的反射率。和多晶硅光伏电池进行比较，单晶硅光伏电池有更高的光电转换效率。所以综合以上所述的背景，希望通过在单晶硅表面制备倒金字塔结构来降低光^【6】反射率，进而提升硅电池的光电转换效率。

1.2 研究意义

可再生能源中太阳能是极其重要的新能源中的一种，比起其他的可再生清洁能源，具有更好的前景和更加低廉，更加高效的制备成本，能量的储藏量更高，全世界分布也更为广泛。发展迅速的光伏产业是单晶^【7】硅电池的需求进一步上升，单晶硅电池是光伏发电中的重要需求。虽然以多晶硅为原材料的光伏电池有更低的材料成本，但它光电转^【8】换效率也更低。随着产业技术的进步，工艺的发展完善，单晶硅原材料的制备成本变得越来越低，而以单晶硅作为原材料制造的光^【9】伏电池具有更高的光电转换效率。单晶硅因此会占领越来越多的光伏电池市场，也自然成为了光伏电池的一种重要原材料。原理是在受过抛光之后的硅片表面制备出一层倒金^【10】字塔结构，这种表面能够使阳光在其倒金字塔结构中不断的反射和吸收，从而减少单晶硅片对光的反射率。于是本课题研究使用何种方法制备出的倒金字塔结构具有什么样性能的影响便具有了十分重要的意义。

第二章 文献综述

2.1 硅基光伏电池

2.1.1 单晶硅光伏电池

单晶硅光伏电池长期以来在光伏电池市场据有着十分重要的地位，这一种硅基太阳能电池具有以下几个优点：（1）发展迅猛；（2）稳定可靠性高；（3）光电子的转化效率高。生产单晶硅光伏电池的硅材料，其纯度要达到99.9999%以上。单晶硅电池常常被用于不能被阳光长期经常性照射，阳光的光照强度弱，使用的成本代价高昂的场合。其中最典型、最突出的代表是航空航天领域。国内外的研发人员经过采用对硅片的不同物理^【11】化学方法的处理，许多的科研单位和电池生产厂商都制备出了比较高效的单晶硅光伏电池。据文献资料，某研究所的单晶^【12】硅片在小尺寸下其光电子转化效率已经达到了25%，而在较大尺寸的情况下，这种单晶硅片的光电子转化效率也达到了22%。德国范伯格太阳光伏研发中心所研发的一种单晶硅太阳光伏电源到光电子转化效率已经达到了23%以上。国外一家公司通过激光刻槽埋衫技术使他们的光伏电池平均转换效率达到了17%。单^【13】晶硅光伏电池最大的优势在于它的太^【14】阳能转换效率非常高，但这也要求被用作单晶硅光伏电池的原材料的硅要具有十分高的纯度，这也因此带来了单晶硅电池的生产工艺复杂，生产成本高等问题。但是随着单晶硅生产技术的进步，单晶硅这种原^【15】材料的价格也与日降低，这会使单晶硅光伏电池在未来有更广阔的应用前景和发展潜力。

2.1.2 多晶硅光伏电池

多晶硅光伏电池是使用多晶硅为原材料制成的太阳能电池，有时也使用低品位的半导体多晶硅为原材料。虽然在成本上，多晶硅光伏电池的制造价格比单晶硅光伏电池要低，但多^【16】晶硅光伏电池由于多晶硅材料的物理条件限制，他的光电子转换效率也更低。随着单晶硅的生产工艺的完善，多晶硅光伏电池和单晶硅光伏电池在价格上的差距也在日益缩小。技术研发人员改善了多晶硅光伏制备技术和长晶技术，使得多晶硅光伏电池在转化效率方面在近年来得到了很大程度上的提升。早在上个世纪50年代，西^【17】门子公司曾经使用氢气，使其与三氯硅烷反应。他们的科研人员应用这种化学反应来制备高纯度的晶硅。他们的生产环节为先使用硅粉与氯化氢反应生成三氯硅烷，最后得到的三氯硅烷在被氢气还原。从而制得多晶硅硅棒。国外也有科学家使用四氯化硅与气态钠在反应器皿中是钠还原四氯^【18】化硅得到多晶硅。此外，在冶金级的硅中主要有砷硼氧磷几种杂质，这几种杂志在固态硅中的溶解度是远低于其在液态硅中的溶解性能的。利用这种物理学原理，工业上可以使用物理方法来得到高纯度的多晶硅。使用这种方法的优点在于可以控制工艺的次数和减少能量的消耗，从而达到节省成本的目的。

2.2 酸制绒

酸体系制绒的原理是在硅片的表面制造孔洞状的形貌结构。其作用是使进入射到硅片表面的太阳光。在孔洞状的绒面的表面，经过多次的反射与吸收。当归片对光的吸收率变高的同时，也就减少了光子的损耗率。导致了短路电流的光伏电池提高。光电的转换效率也随之的实现了提升与性能的提高。其化学反应原理为：酸^【19】体系的溶液的成分包含硝酸和氟化氢以及去离子的纯水。这种化学反应可以在硅的表面形成一种孔洞状的绒面，而且会放出大量的热量，在这个过程中，首先发生的是硅片的氧化。硝酸和氢氟酸的混合溶液可以对硅片有很好的腐蚀作用。但是氢^【20】氟酸并不直接参与硅片表面发生的化学反应。首先是硝酸对硅片的腐蚀，使得硅片的表面被氧化成为了二氧化硅。这个反应首先会在硅片表面形成一层薄薄的二氧化硅。接着，这层覆盖于硅片表面的薄薄的二氧化硅，经过酸体系溶液中硝酸的腐蚀，硝酸被还原为一氧化氮。接着氢氟酸开始发挥作用，氢氟酸把硅片表面形成的那一层二氧化^【21】硅腐蚀掉，变成六氟酸硅溶解在溶液中。在氢氟酸的腐蚀作用下，硅片得以重新暴露到溶液中来。这样就形成一个循环，两个步骤不间断的反应下去。硅片也就不断地备课时，孔洞状，绒面在这样的反应下不断的重复之后就会出现。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：