湿法化学蚀刻硅太阳能电池的光电特性

引言

通过在含有H2O2的HF溶液中蚀刻，在两步工艺中对商用硅太阳能电池进行纹理化。银纳米粒子作为催化位点，有助于蚀刻过程。确定了在表面制备纳米孔的蚀刻时间。利用光谱仪测量了硅太阳能电池表面纳米结构的光学特性。样品的全反射系数低于未经处理的硅太阳能电池。硅太阳能电池的整体效率取决于所选的银离子浓度制备条件和湿法蚀刻时间。太阳能电池的纹理化表面显示出效率的提高，电路光电流高于没有纹理化的参考硅太阳能电池。给出了各种硅电池的J-V曲线，并讨论了其与表面形态的关系。

实验

材料所有反应均在室温下进行。接收时使用硝酸银、过氧化氢抛光的单晶（100）型砷掺杂硅晶片，电阻率为0.001-0.005Ωcm，将晶片切成1.0×1.0cm2的区域，在室温下用丙酮和去离子水进行超声清洗10min。购买纹理单晶硅太阳能电池，在室温下用丙酮和去离子水进行超声清洗10分钟。

通过在室温下将硅(100) n型和硅太阳能电池浸入5%硝酸银m/m和HF 5M的混合物中一段时间来进行湿法蚀刻。然后将样品浸入H2O2 5% m/m和HF 5M的第二水溶液中一定时间，范围从30 s到10 min。还使用原子力显微镜研究了样品表面的形态。从样品中获取的原子力显微镜图像用显微镜以交流、敲击和接触模式使用硅悬臂尖端记录。

结果和讨论

银纳米粒子的沉积和硅纳米孔的形成。用氟化氢和氧化剂蚀刻硅和硅太阳能电池，以获得允许光捕获的结构化表面。这里，我们使用单晶n型硅晶片作为衬底，该衬底具有与单晶硅太阳能电池几乎相同的特性。在这两种情况下，蚀刻都在n型层上进行。在蚀刻过程中，将带有银颗粒的衬底浸入氟化氢和氧化剂的溶液中。X射线衍射分析。图1显示了用5%m/m的硝酸银和HF 5M处理18秒时沉积在n型(100)硅上的结晶银纳米颗粒的x光衍射图。光谱显示在2θ= 38.2°、44.5°和64.8°处有三个峰，它们分别属于金属银的面心立方(fcc)结构的(111)、(200)和(220)反射。根据XRD图谱计算的晶格参数为a = b = c = 4.07846，与值a= 4.086一致。所用的方程是D = 0.9 λ/β cos θ，其中D是平均晶粒尺寸，λ是用于衍射实验的辐射波长，θ是衍射角，β是观察到的峰的半峰全宽(FWHM)。最强衍射峰(111)用于计算微晶尺寸。在5%硝酸银溶液中浸泡18秒的银样品的微晶尺寸为62纳米，样品硅为18/0。

图1 用硝酸银氟化氢溶液(硅-180)处理18秒后，n型(100)硅上银纳米颗粒的XRD图谱(111)和(200)

光谱反射率。硅(100)和硅太阳能电池的光谱反射率如图2a所示。该图显示了样品在曝光后的反射率，首先，在硝酸银/氢氟酸溶液中曝光18秒，其次，分别在H2O 2/氢氟酸溶液中曝光0、30和120秒。对于硅(100)晶片样品(硅-18/0、硅-18/30和硅-18/120)，在300和800纳米之间的波长范围内，反射率值低于抛光硅晶片(硅-0/0)的反射率值。硅晶片样品(Si18/0)表面上银纳米粒子的存在有效地降低了反射率。这种效应类似于在平坦的硅表面和氮化硅纹理表面上使用金纳米粒子的报道结果。还注意到，对于波长超过550纳米的抛光硅晶片的不同反射行为类似于其他小组报告的行为。图2b显示了在相同条件和蚀刻时间下，用18 s硝酸银/氟化氢处理的商用硅太阳能电池中织构化的多孔阵列的测量反射光谱。商用硅太阳能电池(SC-18/0)表面上的金属纳米颗粒的存在有效地降低了反射率，类似于在硅晶片上观察到的反射率。然而，对于波长超过550纳米的太阳能电池样品中的反射，反射率更接近。如所预期的，与太阳能电池参考(SC-Ref)相比，在太阳辐射具有最大强度的波长范围内，具有蚀刻溶液处理的太阳能电池中的反射率降低。对于改性的太阳能电池样品，在300至800纳米的范围内，加权平均反射小于10 %。对于硅晶片和商用硅太阳能电池，该结构反射率的降低归因于硅晶片和硅太阳能电池粗糙度的增加，这是由于样品表面的纹理化。由于两组样品中的纳米多孔结构，观察到反射率的抑制得到改善。

图2 (a)硅片和(b)商业硅太阳能电池在蚀刻溶液中以0秒、30秒和120秒的银/高频拍摄的光学反射光谱

伏安曲线。为了测量样品的伏安曲线，我们在商用硅太阳能电池表面制作了不同刻蚀时间的阵列。与标准硅太阳能电池相比，用银辅助蚀刻织构化的硅太阳能电池样品的表面增加了0.9毫安/平方厘米的Jsc，并导致绝对效率增加了0.8%。电效率的提高归因于表面有孔的太阳能电池的反射率降低等。讨论了即使使用低分辨率表面纹理，光吸收也能显著增强。从这个意义上说，在不引入大量表面缺陷的情况下使用纹理显示了这些工艺在光转换器件制造中的潜在应用。我们证实了在硅表面掺入银纳米粒子没有不利影响，因为它不会增加表面复合，图3显示了商业硅太阳能电池(SC-Ref)和纹理化太阳能电池的太阳能基准在不同蚀刻时间的I-V曲线。其中，我们最好的黑硅纳米结构太阳能电池SC-18/30包含在两个插件中，以便进行最佳比较。在蚀刻溶液中，在更高的处理时间观察到效率降低。具有更大深度的样品显示出相对较差的电性能，尽管具有更好的光吸收，在催化步骤中，以18 s处理超过1分钟的硅太阳能电池显示出差的电性能。据报道，纳米多孔结构增加了硅表面的表面积，并诱导了与该增加的面积相关的更高的表面复合速度。

图3 以商用硅太阳能电池(SC-Ref)作为参考的发光J-V特性曲线，以及具有银纳米颗粒和多孔纹理的太阳能电池样品

总结

我们通过两步银辅助化学蚀刻工艺在硅片和商用硅太阳能电池上制备了纹理表面。采用湿化学法合成了银纳米粒子，将两种基底浸入含氟化氢和过氧化氢的溶液中.银纳米粒子在硅晶片上显示出近似球形的颗粒。原子力显微镜图像显示基底表面有大量尺寸分布均匀的孔隙。拓扑分析中观察到银离子溶液在较长时间内粒径增加和蚀刻时间较长时深度增加。对于硅晶片和商用硅太阳能电池，反射率测量结果显示总反射率在更长的蚀刻时间下降低。我们发现，获得太阳能电池最佳效率所需的最佳实验条件是通过在银盐酸溶液中浸泡18 s和在蚀刻溶液中浸泡30 s来实现的。在具有较长蚀刻时间的样品中观察到光电流效率值的降低。这些结果表明，这种效率损失与太阳能电池上的高孔深度有关，这是由于与表面积增加相关的表面复合增加。尽管如此，该过程显示出提高太阳能电池效率的良好潜力，同时最小化这些器件的制造成本。