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晶硅衬底在氢氧化钠水溶液中的电化学腐蚀制绒研究 [2025-12-30] |
| 【作者】 姚真真 中国科学院电工研究所 【导师】 赵雷 中国科学院电工研究所 本论文提出利用NaOH水溶液对晶硅衬底进行电化学腐蚀制绒的新方法。通过采用双电极电化学腐蚀配置对作为阳极的晶硅衬底施加直流偏压,较为系统地进行了电化学腐蚀条件调控研究。经采用扫描电子显微镜(SEM)观察所得硅衬底表面腐蚀形貌及采用反射光谱测试仪测量表面反射率证实,新方法可以在晶硅衬底上制备多孔硅,从而有效降低表面反射率,具有制备晶硅太阳电池用减反射绒面的潜力。具体包括: 首先采用金刚线切割N型单晶硅衬底进行实验,研究了反应时间、反应电流和NaOH浓度对所制备多孔硅形貌的影响。结果表明,反应时间影响多孔硅分布均匀性,达到一定时间后,多孔硅形貌基本不随时间的进一步延长而变化。腐蚀电流过大容易发生放电反应,多孔硅分布不均匀。碱浓度太小时硅衬底腐蚀程度低,浓度太大时促进硅与碱之间的化学反应,导致多孔硅孔壁溶解。 然后通过对比分析P型金刚线切割硅衬底、P型抛光硅衬底、N型金刚线切割硅衬底、N型抛光硅衬底在相同电化学腐蚀条件下表现出的不同现象,研究了NaOH电化学腐蚀硅衬底表面的反应机理。硅在碱溶液里的电化学腐蚀与硅衬底掺杂类型和表面粗糙度有关,硅/NaOH溶液接触界面上形成肖特基结,在电化学腐蚀过程中,P型硅衬底构成的肖特基结处于正偏置状态,而N型硅衬底构成的肖特基结处于反偏置状态,通过的电流很小,但加光照后产生的光生载流子也可以促进反应的进行。多孔硅形貌的形成与硅衬底表面粗糙度有关,硅衬底表面的粗糙使得电场分布不均匀,从而发生选择性腐蚀,当腐蚀孔间的孔壁厚度达到耗尽区宽度的2倍时,横向腐蚀较难继续发生,由此获得多孔硅,后续的腐蚀将增大孔的深度。由于硅与NaOH溶液间还存在不依赖电场的纯化学腐蚀反应,使得孔壁仍然可以被腐蚀,尤其是在NaOH溶液浓度过高的情况下,所以最终获得的多孔硅形貌将会达到一个平衡态,孔深度也不能一直增加。 接下来针对制备太阳电池用减反射绒面的实际应用,提出了将碱溶液电化学腐蚀新方法与常规方法相结合制备微纳复合结构绒面的新思路。采用NaOH水溶液各向异性化学腐蚀在单晶硅衬底上制备出金字塔绒面,采用HNO3/HF水溶液各向同性化学腐蚀在多晶硅衬底上制备出腐蚀坑绒面,然后再进行NaOH水溶液的电化学腐蚀制备多孔硅。结果可以得到微米尺度的金字塔或腐蚀坑与孔径尺寸约为100-200 nm的多孔硅相复合的绒面结构,在400-1100 nm的宽波长范围内相对AM1.5G太阳光谱的加权平均表面反射率(Ra)在单晶硅衬底上可以降低到7.0%,在多晶硅衬底上可以降低到17.5%。作为对比,单一的传统金字塔绒面和酸腐蚀坑绒面的反射率分别为12.3%和24.8%,减反射效果获得明显改善。如果多晶硅衬底只采用NaOH溶液中的电化学腐蚀,Ra虽然也可以降低到18.5%,但采用两步工艺相结合可以将硅衬底表面的损伤层去除完全,从而保证绒面质量。NaOH水溶液的电化学腐蚀步骤可以在晶硅太阳电池制备过程中的二次清洗之后进行,从而可以集成到太阳电池的常规制备工艺中,使具有良好减反射性能的微纳复合结构绒面获得应用。 晶硅衬底在氢氧化钠水溶液中的电化学腐蚀制绒研究.pdf |



