一種微納複合絨面結構黑矽、黑矽太陽能電池的製備方法與流程
2023-05-27 12:05:56
本發明涉及黑矽製造領域，特別涉及一種微納複合絨面結構黑矽、黑矽太陽能電池的製備方法。
背景技術：
高效率、低成本一直是光伏產業追求的目標，對矽基太陽電池而言，光學損失是阻礙太陽電池效率提高的重要障礙之一，黑矽作為一種具有納米陷光結構的新型半導體光電材料，對太陽光具有極低的反射率和廣角寬光譜吸收特性，成為研究製備高效晶體矽太陽能電池的重要材料，有著重要的產業化前景。然而，目前，黑矽太陽能電池效率的提升存在諸多瓶頸，從產業化應用的角度看，黑矽太陽電池面臨的主要問題在於兩個方面：一個是光電轉換效率問題，一個是生產成本問題。其中光電轉換效率低主要是因為納米結構的黑矽比表面積大，易造成表面複合。而微納複合絨面結構的黑矽，將微米尺度結構的高吸光率和轉化率及納米尺度結構的超寬帶極低反射率相結合，有效解決了傳統矽基太陽能電池吸收光譜範圍窄，而納米尺度黑矽結構太陽能電池效率低下的問題，對研發低成本、高效率的黑矽太陽能電池意義重大。目前，除雷射刻蝕法、電化學方法以外，反應離子刻蝕、等離子體侵沒離子注入和金屬輔助化學刻蝕等方法已經用於矽基太陽電池黑矽材料的製備。其中，金屬輔助化學刻蝕法由於所需設備簡單，成本低，重複性好，易於整合到目前太陽能電池生產工序中而備受青睞。金屬輔助化學刻蝕法是在矽片表面沉積貴金屬薄膜或顆粒（如Au、Pt、Ag等）來催化矽在HF和氧化性物質如H2O2的混合溶液的反應，刻蝕出豎直的孔狀或線狀納米結構。典型的金屬輔助催化刻蝕屬於全液相腐蝕法，分為全液相一步法和兩步法。全液相一步法製備黑矽簡化了步驟和設備，但是反應過程會消耗大量的重金屬Ag，殘留過多的金屬粒子會增加後續清洗工作的負擔，且清洗不乾淨將會導致表面成為載流子複合中心，電池片效率下降。全液相兩步法能減少重金屬的消耗，清洗更為容易，但是操作較為繁瑣且會增大設備投資。目前，在已經公開的黑矽材料製作技術中，採用金屬輔助化學刻蝕法製備黑矽的專利如CN104701392A，採用全液相一步金屬輔助化學刻蝕法在單晶矽微米量級金字塔表面刻蝕納米結構，製備具有微納複合絨面的黑矽，重金屬的消耗量大，需要分別在硝酸和鹽酸中去除殘留的銀，避免表面成為載流子複合中心，專利CN104393114A中，雖然採用全液相兩步金屬輔助化學刻蝕法在多晶矽微米絨面上刻蝕納米結構，製備出了微納複合絨面黑矽，但是該方法製備的低反射率黑矽有很深的結構，不易控制深度，比表面積大，增加了表面載流子複合中心的數量，因而需要對製得的黑矽利用鹼性溶液進一步進行修正刻蝕，以獲得深度合適的納米陷光結構。傳統方法存在的缺點，傳統的全液相腐蝕方法製備微納複合絨面結構的黑矽，一步法反應過程會消耗大量的重金屬Ag，殘留過多的金屬粒子會增加後續清洗工作的負擔，且清洗不乾淨將會導致表面成為載流子複合中心，電池片效率下降，兩步法製備出的微納複合絨面黑矽具有很深的結構，需要對製得的黑矽利用鹼性溶液進一步進行修正刻蝕，且操作較為繁瑣，並會增大設備投資。如何避免這兩者的缺點，研發出一種重金屬消耗量小，清洗容易、微納複合絨面結構深度合適的低成本、高效率的黑矽結構意義重大。
技術實現要素：
鑑於目前技術存在的上述不足，本發明提供一種微納複合絨面結構黑矽、黑矽太陽能電池的製備方法，本發明的方法極大地降低了腐蝕成本，減少了表面複合，提高了光電轉換效率，且操作簡單可控，以及解決了全液相腐蝕法中重金屬消耗多、不易清洗、納米陷光結構深度過深的問題。本發明的採用如下技術方案：一種微納複合絨面結構黑矽的製備方法，包括以下步驟：將矽片進行霧化腐蝕獲得具有絨面結構的矽片；將獲得的具有絨面結構的矽片進行霧化腐蝕得到微納複合絨面結構的黑矽。其中，霧化腐蝕方法，即將腐蝕溶液於霧化裝置中霧化成極小的液滴，這些液滴形成霧化環境充滿整個裝置，矽片在裝置中被這些小液滴腐蝕，形成納米結構。霧化形成的液滴極小，容易擴散，因而消耗的腐蝕溶液非常少，且不會造成腐蝕的納米結構過深和重金屬殘留過多的現象，極大地降低了腐蝕成本，減少了表面複合，提高了光電轉換效率，且操作簡單可控。作為本發明的優選技術方案，所述將矽片進行霧化腐蝕獲得具有絨面結構的矽片的步驟中，將矽片置於氫氧化鉀和異丙醇的混合溶液的霧化環境下霧化腐蝕，獲得具有微米尺度金字塔絨面結構的矽片。作為本發明的優選技術方案，所述將獲得的具有絨面結構的矽片進行霧化腐蝕得到微納複合絨面結構的黑矽的步驟中，將獲得的具有絨面結構的矽片在氫氟酸、雙氧水、硝酸銀混合溶液的霧化環境下進行霧化腐蝕，其中在絨面結構上腐蝕出納米尺度的孔洞或線結構。本發明的另外一面，一種黑矽太陽能電池的製備方法，包括以下步驟：除去微納複合絨面結構的黑矽表面殘留的銀；將表面殘留銀除去的微納複合絨面結構的黑矽依次進行擴散制結、刻蝕周邊、沉積氮化矽、絲印電極和燒結，獲得具有微納複合絨面結構的黑矽太陽能電池。作為本發明的優選技術方案，所述除去微納複合絨面結構的黑矽表面殘留的銀的步驟中，在硝酸溶液中除去微納複合絨面結構的黑矽表面殘留的銀。本發明的有益效果：極大地降低了腐蝕成本，減少了表面複合，提高了光電轉換效率，且操作簡單可控，以及解決了全液相腐蝕法中重金屬消耗多、不易清洗、納米陷光結構深度過深的問題。附圖說明為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發明中短時間霧化腐蝕形成的微納複合絨面單晶矽片的掃描電子顯微鏡（SEM）表面示意圖。圖2為本發明中長時間霧化腐蝕形成的微納複合絨面單晶矽片的掃描電子顯微鏡（SEM）表面示意圖；圖3為本發明的流程圖。具體實施方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。如圖1-圖3所示，一種微納複合絨面結構黑矽的製備方法，包括以下步驟，步驟S1：將矽片進行霧化腐蝕獲得具有絨面結構的矽片；具體為將矽片置於氫氧化鉀和異丙醇的混合溶液的霧化環境下霧化腐蝕，獲得具有微米尺度金字塔絨面結構的矽片。步驟S2：將獲得的具有絨面結構的矽片進行霧化腐蝕得到微納複合絨面結構的黑矽，具體為將獲得的具有絨面結構的矽片在氫氟酸、雙氧水、硝酸銀混合溶液的霧化環境下進行霧化腐蝕得到微納複合絨面結構的黑矽，其中在絨面結構上腐蝕出納米尺度的孔洞或線結構。本發明的另一面，一種黑矽太陽能電池的製備方法，包括以下步驟：步驟a:除去微納複合絨面結構的黑矽表面殘留的銀,具體為在硝酸溶液中除去微納複合絨面結構的黑矽表面殘留的銀，要說明的該微納複合絨面結構的黑矽，也就是通過本發明的一種微納複合絨面結構黑矽的製備方法製備而來。步驟b:將表面殘留銀除去的微納複合絨面結構的黑矽依次進行擴散制結、刻蝕周邊、沉積氮化矽、絲印電極和燒結，獲得具有微納複合絨面結構的黑矽太陽能電池。在本發明中，霧化腐蝕方法，即將腐蝕溶液於霧化裝置中霧化成極小的液滴，這些液滴形成霧化環境充滿整個裝置，矽片在裝置中被這些小液滴腐蝕，形成納米結構。霧化形成的液滴極小，容易擴散，因而消耗的腐蝕溶液非常少，且不會造成腐蝕的納米結構過深和重金屬殘留過多的現象，極大地降低了腐蝕成本，減少了表面複合，提高了光電轉換效率，且操作簡單可控，以及解決了全液相腐蝕法中重金屬消耗多、不易清洗、納米陷光結構深度過深的問題，降低了生產成本，提高了光電轉換效率，並製備出其微納複合絨面結構的黑矽太陽能電池。本發明的優點是利用霧化腐蝕的方法代替全液相腐蝕法製備微納複合絨面結構，極大減少了腐蝕溶液尤其是重金屬的消耗，節約成本，易於清洗；在微米金字塔結構表面霧化腐蝕形成的納米孔洞或線結構反射率低，深度合適，減少了表面複合，光電轉化效率提高；霧化腐蝕尚未改變金字塔結構的基本形貌，且具有深度合適的納米陷光結構，不需要進一步修正刻蝕，使後續的黑矽太陽能電池製備與常規電池製備技術得到很好的兼容性，解決了全液相腐蝕法中重金屬消耗多、清洗不易、納米陷光結構深度過深的問題。該霧化腐蝕方法可以通過調控腐蝕時間、霧化流量和溶液配比，腐蝕出不同深度和形貌的納米結構，簡單易控。通過優化霧化腐蝕條件，能在微米金字塔絨面上腐蝕出深度合適的納米陷光結構，製備出低反射率、複合減少、光轉換效率高的微納複合絨面結構的黑矽，極大減少了重金屬和腐蝕溶液的消耗，易於清洗，成本低，能大面積製備，可應用於工業生產。以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本領域技術的技術人員在本發明公開的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應以所述權利要求的保護範圍為準。