用于异质结太阳能电池应用的Na2CO3溶液的硅片纹理化

引言

在太阳能电池工业中，最常见的纹理化方法之一是基于氢氧化钠或氢氧化钾的水溶液和异丙醇(IPA)。然而，IPA是有毒的，而且相对昂贵，因此人们正在努力取代它。在过去的几年中，硅异质结(SHJ)太阳能电池由于晶体硅的良好性能和薄膜技术的多功能性而引起了光伏行业的兴趣。这些SHJ太阳能电池是通过将薄膜非晶态或微晶硅沉积在碳硅晶片上而形成的。其主要特点是转换效率高、开路电压高、温度系数。这些太阳能电池的性质使它们的界面占主导地位。

实验

纹理化过程首先在硅晶片上进行了分析。一旦确定了纹理化的最佳条件，该工艺将应用于其他类型的基板，FZ晶片厚度为255-305mm，CZ晶片厚度为280-320mm。晶片直径为100mm，但样品尺寸为40mm

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40mm。在纹理化过程之前，样品在超声波浴中用乙醇清洗。然后，样品在室温下在1wt%HF：DIW(18.2Mocm电阻率DIW稀释)溶液中蚀刻，以去除天然氧化物。最后用DIW冲洗。在纹理化过程中，晶片浸在一个包含纹理化溶液的盖容器中。这种溶液以前已经使用带有不锈钢温度传感器的数字控制热板在测定温度下加热。当蚀刻时间结束后，从溶液中取出样品，用DIW冲洗，以停止化学反应。

结果和讨论

使用中等浓度(10wt%)的抛光FZ单晶晶圆样品进行碳酸钠溶液处理。温度在60~901C之间，所有试验的处理时间均保持在30min。结果发现，70℃的温度足够高，足以充分纹理表面。然而，当温度升高到90℃时，形成纹理表面的金字塔的大小增加了。因此，90℃被认为是最佳温度，尽管处理过的表面还没有均匀的纹理。为了在90℃下获得良好的均匀性，蚀刻时间变化为20~60min。

对碳酸钠浓度的影响。通过改变5~30wt%的浓度来评估碳酸钠浓度的影响。随着浓度的增加，乍一看就观察到表面明显恶化。反应变得更加强烈，并产生了许多粘附在样品表面的大气泡。这些氢气泡在表面充当掩膜，抑制结构化反应。因此，表面不均匀，并表现出较宽的明亮区域，其中纹理化过程不成功。在使用碳酸钠溶液的第一次测试中获得的最佳表面上进行的半球反射测量得到的

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21.5%平均值在400到1100nm之间。这些值显著高于使用IPA碱性溶液得到的值。

 

碳酸氢钠在碳酸钠溶液中的影响。我们制备了一组不同的na2co3/nahco3水溶液，其中碳酸氢钠浓度保持在4wt%，而钠浓度则在5~25wt%之间变化。根据上述测定方法，蚀刻时间和温度分别保持在30min和90℃。碳酸氢钠的加入确实导致了粘附在晶圆表面的气泡尺寸的减少，即使在碳酸盐浓度高达25wt%的情况下，也能产生彻底的均匀纹理外观。扫描电子显微镜结果表明，在5wt%的浓度下，样品表面没有完全蚀刻。随着碳酸钠浓度的增加，较大的锥体结构的数量和大小也在增加。碳酸钠/碳酸氢钠溶液纹理的样品与碳酸钠溶液纹理的样品的半球形反射率降低。因此，可以认为碳酸氢盐离子在调节蚀刻反应中起着重要的作用。

我们研究了nahco3/na2co3浓度的比值对锥体密度和形态的影响。样品用纹理溶液蚀刻，其中浓度从0.16到0.53的比例变化。用0.16和0.27之间的低比例溶液蚀刻的样品的锥体形态有明显的改善（即较平坦的小面和较少圆形的顶部）。当比值为0.27 (4 wt%NaHCO3/15wt%碳酸钠)时，形态学效果最佳。 然而，当用较高比例(r¼0.40–0.55)的蚀刻溶液处理时，观察到其纹理表面的形态明显恶化。如前所述，在碳酸钠纹理溶液中加入碳酸氢钠会增加hco3h的种类，从而改善了锥体的形态。相反，这种添加也导致了氢氧根浓度的降低，根据pH测量结果确定(25wt%碳酸钠溶液为6

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10–3mol/l，25wt%na2co3/4wt%碳酸氢钠溶液为1

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10–4mol/l)。

 

总结

本研究研究了碳酸钠和NaHCO3/na2co3水溶液中/100S抛光FZ和粗糙（如切割）和抛光CZ硅晶片的纹理化情况。结果表明，仅含碳酸钠的水溶液不可能获得均匀和完全纹理的表面。必须添加中等数量的碳酸氢钠，以实现完全具有更高质量的纹理表面。因此，可以认为碳酸氢盐离子在调节蚀刻反应中起着重要的作用。应确保溶液中存在足够的碳酸盐2-离子，以避免形成二氧化硅，从而钝化表面，防止蚀刻过程。

基于4wt%碳酸氢钠和25wt%碳酸钠的水溶液能够同时蚀刻抛光的FZ和切割和抛光的CZ硅片。三种硅晶片的400-1100nm之间的平均半球反射率为13-16%。当适的arc沉积在纹理晶片上时，这些值平均下降到5%。这些结果可以被认为是足够低的SHJ太阳能电池应用。当晶圆垂直浸入纹理溶液中时，结果大大改善。此外，QSSPC测量表明，这些具有碳酸氢钠/碳酸钠混合物纹理的硅晶圆的表面质量良好，因为其适用在SHJ太阳能电池中。