2023年表面微结构对多晶黑硅太阳电池效率的影响.doc

TABLE OF CONTENTS 1 INTRODUCTION 1 1.1research background and meaning 1 1.2 Silicon solar cell 4 1.2.1The principle of solar cells 4 1.2.2Type of solar cells 5 1.3Black silicon and black silicon solar cells 11 1.3.1Black silicon etching method 12 2 SOLAR CELL WORKING PRINCIPLE AND ITS MODEL 14 2.1 The basic principle of semiconductor 14 2.1.1 Semiconductor energy band 14 2.1.2 PN junction 17 2.2 Absorption and reflection of light by solar cells 19 2.3Carrier separation mechanism 20 2.3.1P-n junction barrier 21 2.3.2Schottky barrier 22 2.3.3Back surface field 23 2.4Factors affecting conversion efficiency 23 2.4.1Reflection loss of incident light on the surface of the receiver 23 2.4.2Loss of light when absorbed 23 2.4.3Absorbed energy loss 24 2.4.4Voltage factor 24 2.4.5Losses due to compounding (collection efficiency of minority carriers due to Jc) 24 2.4.6Loss caused by component internal resistance 25 3 EFFECT OF SURFACE MICROSTRUCTURE ON PHOTOELECTRIC PROPERTIES OF BLACK SILICON BATTERY 26 3.1Raw silicon wafers 26 3.1.1Effect of Solution Proportioning on Velocity and Efficiency of Papermaking 26 3.1.2The effect of the length of texturing on the efficiency 29 3.1.3Characterization equipment used in this section 31 3.2.The Formation of Nanostructure on Black Silicon Surface 32 3.3Experiment procedure 33 3.3.1 Preparation of black silicon solar cells 34 3.3.2 Influence of NaOH Corrosion Time on Reaming Rate 35 3.5Conclusion 38 4 EXPLORING THE EFFECT OF AL2O3 DEPOSITION ON BATTERY PERFORMANCE BY ATOMIC VAPOR DEPOSITION 39 4.1Basic principles of atomic vapor deposition 39 4.1.1. ALD method 39 4.1.2. PECVD method 40 4.1.3. Other methods 40 4.1.4 ALD--Al2O3 oxide film 40 4.1.5 Industrial ALD technology 41 4.2Explore the best solution for ALD---Al2O3experiment 42 4.2.1 Explore the effect of ALD deposition temperature on the deposit 42 4.2.2 Experimental process and results analysis 44 4.2.3 Exploring the Effect of Annealing Temperature on Deposit Quality 45 4.3 Explore the effect of deposition temperature on the quality of sedimentary layers 47 4.4Comparison of Al2O3 and Al2O3/SiOx Stack Performance in PERC Cell Structure 49 4.4.1 Experimental preparation 49 4.4.2Result analysis 50 4.5Chapter summary 53 5 CONCLUSION AND OUTLOOK 54 5.1 Conclusion 54 5.2Outlook 56 REFERENCES 57 1 绪 论 1.1研究背景与意义 伴随化石能源储量的日益减少与对生态的破坏日益加重，尽最大可能开发包括太阳能在内的清洁的可再生的能源被人们愈发的重视，且已经变成事关国家能源平安与可持续开展的重要问题。在人类社会迈进21世纪以来，一直面临着可持续开展与经济建设到达平衡的重大挑战，在资源储量有限和环境保护的法律愈发严格的双重牵制下，怎样在资源有限和环境保护法双重控制下实现可持续开展与经济建设的平衡保证经济开展速度已经成为被热议的全球议题，能源来源问题在其中最为突出。能源的缺乏使得大局部国家都面临着能源短缺的问题。放眼未来，全球目前石油储量仅可继续开采三十年左右，天然气也只够继续开采四十年左右，即便一直以来被认为充足的煤炭也只能延续一到两个世纪[1-3]。无限的开采仅有的化石燃料所引发的燃料短缺和因此而来的生态环境遭到破坏的问题严重限制世界各国的开展。随着矿业开采能力的增加，矿物能源资源迅速减少，全人类都都将面对传统能源即将消耗殆尽的严峻威胁。作为世界人口最多的国家，也是全球第二大经济体，我国每年都要消耗大量的能源，这也说明现在国际性的能源短缺愈发严重。中国的人均能源占有率仅为全球平均值的11%。[1]我国的能源人均储量也远远低于世界平均值。 图1 世界能源结构 Figure 1.World energy structure 所以找到传统能源的代替品是全人类的共同使命与挑战。人类今天所开发的替代能源主要有原子能、水能、风能、生物质能、太阳能等。原子能虽然是一种巨大的潜在能源利用方式，但在核电站的生产过程中产生的核废料。如果不妥善处理,会严重损害自然人的生存环境。广为人知的日本福岛福岛第一核电站事故已经极大地影响了当地的生态环境,使人们不得不对新核电站的平安问题和运行核电厂谨慎考虑。因此,有一个平安环保的新能源取代不可再生能源是人类的共同目标。在这些绿色能源中，水力、潮汐能与风能由于过于受地理环境限制，在大面积推广时有诸多限制，所以只能起到补充主流能源的作用。而生物能源受制于原料限制，目前只有少数农牧业较为兴旺的国家使用，且饥饿还没有从我们世界消失，粮食短缺依然严重，使用可食用农作物获取能源不利于广泛推广。 图2 未来能源结构的猜想 Figure 2Future Energy Structure Conjecture 太阳能发电真正具有洁净、方便、平安等特点，所以被世界各国重点关注。根据德国气候变迁参谋委员会的推论，未来世界能源结构如图2所示，太阳能将在未来占据更多的比重。在下个世纪初年将到达百分之七十。近十年来太阳能行业以每年50％的增速飞速增长[2]。我国的太阳能发电产业在上世纪的七十年代起步，九十年代就已稳定开展。产量每年都有稳定的上升。在历经了三十几年的开展滞后我国光伏产业已经迈入了新的历史阶段。从2022年以来，中国的太阳能电池的根底产能以100％以上的年增长率飞速增加，2023年的产量为9.0GW，约占全世界总产量的50％[3]，随后四年中产量一直保持全球第一，在工业中生产出的晶硅电池的转化率接近19％，硅基底薄膜电池的效率也到达了8％以上。 表1 世界各国的优惠政策[12] Table 1 World Preferential Policies 太阳能电池板通常由60英寸晶体硅晶片制成的60个太阳能电池组成如图3所示。其输出功率范围为250-265W。基于晶圆的多晶硅技术在全球太阳能市场占据主导地位，其份额为85％- 90％[2,3]。 太阳能市场的装机容量自1999年以来每两年大约增加一倍，并已累计至约137吉瓦[2]。与装机容量的稳定趋势相反，太阳能电池板价格多年来呈现出不稳定的开展态势。在2022年之前一直稳步下降，在2022年至2023年期间几乎保持稳定不变。自2023 年以来，因为生产能力过剩，太阳能电池板价格每年减半。太阳能电池板价格的下降会有助于以可再生能源取代化石能源。 在大多数欧洲国家，电网平价（光伏电站将电能传输给电网时,价格与火电、水电价格持平） 已于2023年达成[3]。但在另一方面，太阳能电池价格的下跌导致在我国很多生产企业出现产能过剩导致的亏损。 因此，在太阳能电池的设计与制造中参加技术创新，并将这些创新实施到大规模生产，提高光电转化效率以增强市场竞争力是现在企业研发的热点。 图3：具有60个串联的多晶硅太阳能电池的太阳能电池板 Figure 3：60 solar panels in series with polycrystalline silicon solar cells 1.2 硅太阳能电池 1.2.1高效晶硅电池技术 图4展示了一个典型的商业化p型多晶硅太阳能电池的横截面图。顶部SEM）图像显示了单晶Si外表的结构，底部被铝基金属层覆盖，形成Al-Si共晶区和Al背场区。上外表触点主要由银栅组成，下外表触点由铝层和银线或衬垫组成。 目前，使用的p型多晶硅材料掺杂有硼或镓。晶片的厚度约为200微米。 晶片可以是单晶硅材料或多晶硅材料。太阳能电池的正面被刻蚀制绒，覆盖有抗反射涂层（ARC，一般为70-80nm厚的SiNx膜），以减弱太阳光在Si外表/玻璃上的反射，SiNx 薄膜同时可以对硅片进行外表钝化与体钝化以减少外表复合。在单晶Si晶片上一般绒面结构为金字塔结构，而在多晶硅的绒面结构为不规那么的抛物线状凸起。在SiNx薄膜顶部丝网印刷金属栅格。发射极结深<0.5μm，常为掺杂磷原子的重掺杂n型硅层。 太阳能电池反面的铝层在烧制步骤期间通过产生 BSF，深度约为10μm[4-6]。所得到的高掺杂浓度的p型层，借助铝掺杂层与衬底间形成的高-低结降低载流子输运过程中的外表复合损失。 在铝层和BSF之间形成了Al-Si共晶体欧姆接触层。 图4 c-Si太阳能电池的示意性横截面图 Figure4 Schematic cross section of c-Si solar cell 目前高效晶体硅电池包括以下几种：钝化发射极背部局域扩散(PERL)电池、具有非晶硅薄膜单晶硅衬底的异质节结构太阳(HIT)电池、交替式背电极接触(IBC)电池、金属电极绕通太阳(MWT)电池以及钝化发射极和反面（PERC）电池[4-6]，本