三維pn結(jié)在太陽(yáng)能電池效率提高方面的應(yīng)用探索

1、三維pn結(jié)在太陽(yáng)能電池效率提高方面的應(yīng)用探索Investigation of a 3D PN Junction Structurein improving the efficiency of solar cells、摘要:絨面（硅表面的一種金字塔式結(jié)構(gòu)）由于能有效的提高硅片對(duì)光的吸收率，目前在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域中已廣泛使用。本文試圖在絨面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，探索通過(guò)電化學(xué)刻蝕的方法，在絨面上制作一層多孔硅，以增大硅片對(duì)光的吸收率；同時(shí)在此基礎(chǔ)上用擴(kuò)散的方法制作三維pn結(jié)，以提高太陽(yáng)能電池在能量轉(zhuǎn)化時(shí)的有效pn結(jié)面積，從而有效地提高太陽(yáng)能電池的效率。實(shí)驗(yàn)中使用的電化學(xué)刻蝕法為陽(yáng)極氧化法，即硅作為陽(yáng)極，鉑絲

2、網(wǎng)為陰極，HF（摻入一定比例的水和乙醇或DMF）為電解液；硅片為p型，兩面都拋光。關(guān)鍵詞： 太陽(yáng)能電池 絨面 電化學(xué)刻蝕 多孔硅 三維pn結(jié) Abstract:The texture surface,which can improve the light absorption rate of silicon effectively,has been widely used in solar cells. In this paper we try to gain a layer of porous silicon based on the texture surface by electroch

3、emical etching method,so as to furtherly increase the light absorption.Then we will make 3D pn junction structure by diffusion on the presulfided silicon,which can largely increase the active junction area to improve the conversion efficiency of solar cells.In this experiment, the electrochemical et

4、ching method is electrochemistry anodic oxidation ,that is Si as anode,Pt as cathode,the mixture of hydrofluoric acid and organic solution as electrolyte solution.Silicon wafer ,p-type ,is polished with both sides.Key words: solar cells texture surface electrochemical etching porous silicon 3D pn ju

5、nction第一章引言41.1 選題的背景和意義41.2 論文的主要內(nèi)容5第二章基礎(chǔ)知識(shí)5半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換原理6光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)62.2 太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)介72.3 絨面9第三章多孔硅的制備93.1多孔硅的分類93.2多孔硅的形成機(jī)制10多孔硅的制備103.3.1 電化學(xué)刻蝕裝置113.3 實(shí)驗(yàn)裝置12電化學(xué)反應(yīng)裝置123.4電化學(xué)刻蝕多孔結(jié)構(gòu)的影響因素14第四章三位pn結(jié)的制作174.1三維pn結(jié)174.2三維pn結(jié)的制作工藝174.3三維pn結(jié)與傳統(tǒng)pn結(jié)比較17第五張總結(jié)195.1結(jié)論195.2 展望20參考文獻(xiàn)20致謝22第一章引言1.1 選題的背景和意義一方面，隨著石化燃料資源

6、（油、氣、煤等）的開采，不可再生資源的儲(chǔ)量將迅速減少；另一方面，全球能耗卻成指數(shù)增長(zhǎng)。可以預(yù)見在不久的將來(lái)，石油、煤炭、天然氣的不可再生資源必將枯竭，要維持人類社會(huì)的繼續(xù)發(fā)展，必須要有新的能源出現(xiàn)，風(fēng)能、熱能、水能、生物能、太陽(yáng)能等可再生能源都是可選能源，而太陽(yáng)能則是其中最有希望的新能源，這是因?yàn)樘?yáng)內(nèi)部的熱核反應(yīng)，每秒產(chǎn)生的能量多達(dá)4×10焦耳，恒定輸出壽命將大于100億年，太陽(yáng)輻射到地球的太陽(yáng)能約為1km/m，超出目前人類能源消耗的數(shù)萬(wàn)倍（院士文章）；可見太陽(yáng)能取之不盡用之不竭，開發(fā)和利用太陽(yáng)能，特別是發(fā)展太陽(yáng)能光伏電池產(chǎn)業(yè)具有十分重要的意義。1.2 論文的主要內(nèi)容目前，關(guān)于太陽(yáng)

7、能電池的理論研究已比較完善，單晶硅太陽(yáng)能電池的最高轉(zhuǎn)換效率（）達(dá)到了24.9%，已接近其理論極限值25%，但由于生產(chǎn)成本偏高，離大面積使用還有一定距離。本文介紹了太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀，以及太陽(yáng)能還不能大范圍應(yīng)用的原因，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法，采取簡(jiǎn)單的工藝手段，探索一條在不顯著提高生產(chǎn)成本的情況下，顯著提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率的途徑。文中主要介紹了多孔硅的制作技術(shù)，并比較了幾種制作技術(shù)，說(shuō)明選擇電化學(xué)刻蝕法制作的原因，最后給出了三維pn結(jié)的制作方法，以及三維pn結(jié)在轉(zhuǎn)換效率方面相對(duì)于傳統(tǒng)pn結(jié)的優(yōu)勢(shì)。第二章 基礎(chǔ)知識(shí)2.1光電轉(zhuǎn)換原理及基本概念半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換原理太陽(yáng)能電池是一種將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變

8、為電能的器件。太陽(yáng)能電池的工作原理基于半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)，所以太陽(yáng)能電池又稱為光伏電池。當(dāng)光子入射到光敏材料時(shí)，在材料內(nèi)部產(chǎn)生新的電子和空穴對(duì)，從而改變了材料的導(dǎo)電性質(zhì)。在外電場(chǎng)作用下，電子移向正極，空穴移向負(fù)極，這樣，外電路中就有電流流過(guò)。這種由于光激發(fā)而產(chǎn)生的電流稱為光電流;這種現(xiàn)象就是光電導(dǎo)現(xiàn)象:能產(chǎn)生光電流的物質(zhì)即是光電轉(zhuǎn)換材料(光電導(dǎo)材料);這種能產(chǎn)生光電流的性質(zhì)就是光電轉(zhuǎn)換性質(zhì)。光電導(dǎo)的基本過(guò)程包括:a.光激發(fā);b.載流子的產(chǎn)生;c.載流子的遷移。當(dāng)光照射到光電轉(zhuǎn)換材料時(shí)，只有光子的能量大于該材料的禁帶寬度Eg時(shí)，才可能把價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶中去，使價(jià)帶產(chǎn)生空穴，見圖2-1圖

9、2-1光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)實(shí)際上是一個(gè)單電子反應(yīng)，即在光的作用下，一個(gè)電子從被激發(fā)分子的最低空軌道(LUMO)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)基態(tài)分子的LUMO，或從基態(tài)分子的最高占據(jù)軌道(HOMO)轉(zhuǎn)移到被激發(fā)分子的HOMO，如圖2-2所示圖2-2光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)分子軌道示意圖由圖 1-2 可知，在電子轉(zhuǎn)移過(guò)程中處于激發(fā)態(tài)的分子既可以是電子施主(D)，也可以是電子受體(A). (a)表達(dá)了電子施主受激發(fā)的情況，受激發(fā)的電子施主D*吸收光子，其HOMO軌道上的一個(gè)電子躍遷到LUMO中，然后再經(jīng)過(guò)(b)過(guò)程，激發(fā)態(tài)施主(D*)的電離勢(shì)比基態(tài)低，比其基態(tài)更容易給出電子;電子由D*轉(zhuǎn)移到A，完成了電子

10、的轉(zhuǎn)移，形成D+和A -;反之，(C)表達(dá)了電子受體受激發(fā)的情況，當(dāng)A吸收完光子，由基態(tài)A變成了激發(fā)態(tài)A*.電子由HOMO軌道躍遷到LUMO中，這時(shí)激發(fā)態(tài)受體A*的電子親和勢(shì)增加，使其比基態(tài)更容易接受電子，電子由D轉(zhuǎn)移到A*，完成了電子的轉(zhuǎn)移，形成D+和A-。兩者過(guò)程不同，但最終都達(dá)到了(c)的狀態(tài)。2.2 太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)介 光電轉(zhuǎn)換材料作為一種能夠?qū)⒐饽芡ㄟ^(guò)一定的物理化學(xué)途徑轉(zhuǎn)變成電能的新型光功能材料，已成為材料科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前光電轉(zhuǎn)換材料大體可分為無(wú)機(jī)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)化材料、有機(jī)小分子（包括配合物）光電轉(zhuǎn)化材料和高分子光電轉(zhuǎn)換材料。具體而言，目前市場(chǎng)上按照材料的不同主要有以下幾大類：

11、（1） 硅太陽(yáng)能電池，最早是從石英鐘提煉高純度的Si，將其熔融，得到大的圓柱型單晶硅，然后切割成薄片。但此時(shí)的性能較差，隨著光電工業(yè)的發(fā)展和成熟，逐漸應(yīng)用了多晶硅薄片。其初始的晶塊只需簡(jiǎn)單地將熔體導(dǎo)入容器中慢慢固化就可以，這個(gè)晶塊可以非常巨大，重達(dá)幾百千克，可被切割成所需的各種尺寸然后再切片。爾后又形成了通過(guò)Si熔體的流動(dòng)形成袋裝的技術(shù)，避免了切片的操作。20世紀(jì)70年代早期發(fā)明了“絲網(wǎng)印刷”技術(shù)，此時(shí)實(shí)驗(yàn)中的Si電池性能相對(duì)提高了50%，20世紀(jì)80年代，New South Wades大學(xué)發(fā)明了激光切槽技術(shù)，在Si電池表面形成深槽，其金字塔形的表面降低了光的反射，增強(qiáng)了吸收，性能得到進(jìn)一步提

12、高。1997年，Bruton等制備的埋線接觸的pn結(jié)硅太陽(yáng)能電池在不改變電池的成本的條件下，將輸出效率提高了20-30%，這主要?dú)w功于高性能的表面帶隊(duì)藍(lán)光又更好的響應(yīng)，以及表面的緊密結(jié)合導(dǎo)致更低的電阻和更低的光損耗。更低的電阻的單晶硅太陽(yáng)能電池是作為第一種被商業(yè)化應(yīng)用的最早的太陽(yáng)電池材料。目前其生產(chǎn)成本為：40-50元/瓦，轉(zhuǎn)換效率為13%。硅與其他材料相比，隊(duì)太陽(yáng)光吸收較差，Si曾要求相對(duì)厚才能吸收多數(shù)可見光，但是這又導(dǎo)致了需要相當(dāng)高的工作電壓，這兩項(xiàng)相互矛盾，只能在兩者之間找出一個(gè)平衡點(diǎn)。薄膜多晶硅電池的生產(chǎn)成本約30-40元/瓦，轉(zhuǎn)換效率約為10%。還有一類即是非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池，在日

13、本公司被成功地商業(yè)化生產(chǎn)，經(jīng)過(guò)十多年的探索，其主要應(yīng)用于袖珍型計(jì)算器、數(shù)字觀望鏡等。后來(lái)，又有研究報(bào)道在非晶硅薄膜基礎(chǔ)上的疊層太陽(yáng)能電池，能夠較好地改善非晶硅薄膜電池效率衰減的問題。（2） 無(wú)機(jī)化合物薄膜電池，如CdS,CdTe,GaAs,CuInSe等；其中CdTe從技術(shù)上來(lái)說(shuō)是一個(gè)理想材料，已應(yīng)用于小的計(jì)算器，但是大面積的、合適性的組件仍在研究中。GaAs對(duì)可見光有高的吸收系數(shù)，又最佳的禁帶寬度，同時(shí)可以在相對(duì)較高的溫度下工作。CuInSe薄膜電池具有較高的轉(zhuǎn)換效率，小面積的轉(zhuǎn)換效率大于18%，但在生產(chǎn)上還有一些技術(shù)難關(guān)。（3） 功能有機(jī)高分子薄膜太陽(yáng)能電池，這是太陽(yáng)能電池發(fā)展的另一個(gè)分支

14、，有機(jī)高分子光電轉(zhuǎn)換材料成本低，易于加工成大面積，使得它成為研究者的青睞，不過(guò)目前還面臨轉(zhuǎn)換效率低，壽命短等問題。（4） 染料敏化太陽(yáng)電池 主要是模仿光合作用原理，研制出來(lái)的一種新型太陽(yáng)電池，其主要優(yōu)勢(shì)是：原材料豐富、成本低、工藝技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，在大面積工業(yè)化生產(chǎn)中具有較大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)所有原材料和生產(chǎn)工藝都是無(wú)毒、無(wú)污染的，部分材料可以得到充分的回收，對(duì)保護(hù)人類環(huán)境具有重要的意義。自從1991年瑞士洛桑高工（EPFL）M. Grtzel教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在該技術(shù)上去的突破以來(lái)，歐、美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家投入大量資金研發(fā)。2.3 絨面所謂絨面，主要指太陽(yáng)能電池的表面化結(jié)構(gòu)。它在降低反射方面發(fā)揮著重要的作

15、用，其一是通過(guò)再次收集表面反射光而達(dá)到降低表面反射損失的作用;其二是通過(guò)內(nèi)反射將光陷在電池內(nèi)部。本實(shí)驗(yàn)中用到的單晶硅，其表面的絨面的制作是采用堿的各向異性腐蝕，在(100)晶面上得到隨機(jī)分布的金字塔結(jié)構(gòu)，其加權(quán)反射率高達(dá)32.7%。第三章多孔硅的制備3.1多孔硅的分類根據(jù)IUPAC（International Union of Pure and Applied Chemistry,國(guó)際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)）對(duì)多孔材料的分類標(biāo)準(zhǔn)，多孔硅按照孔的大小分為宏多孔硅（macro porous silicon）、中孔多孔硅（meso porous silicon）和微孔多孔硅（micro porous

16、silicon）三種。IUPAC classification of porous materialsDominant pore width(nm)Type of materials2Micro porous2-50Meso porous>50Macro porous硅的電化學(xué)腐蝕一般是在HF酸與其他有機(jī)溶液的混合液（如：無(wú)水乙醇，二甲基甲酰胺，dimethylformamide，簡(jiǎn)稱DMF）中進(jìn)行，硅片作陽(yáng)極，而陰極采用惰性金屬（如Pt）。3.2多孔硅的形成機(jī)制多孔硅是孔狀生長(zhǎng)的。要對(duì)此作出解釋需考慮下述三個(gè)方面：硅表面的初始凹坑產(chǎn)生的原因，孔尖易被腐蝕及多孔硅壁不易腐蝕的原因。目前，

17、已有較多的模型來(lái)描述多孔硅的生長(zhǎng)。被大家所認(rèn)可的相互獨(dú)立的模型有三種：(I)Beale模型，(2)擴(kuò)散限制模型，(3)量子力學(xué)摸型。其余的模型均是在這三種模型的基礎(chǔ)上加以補(bǔ)充而成的。(1) Beale模型M.Beale等通過(guò)用TEM研究制備條件的改變對(duì)多孔硅微結(jié)構(gòu)的影響，提出材料中只有陽(yáng)極氧化電流流經(jīng)處的硅才會(huì)被溶解。在陽(yáng)極氧化開始時(shí)，半導(dǎo)體與電解液交界區(qū)的不均勻性導(dǎo)致電流流動(dòng)的局域性，并由此產(chǎn)生了初始的孔?？组g半導(dǎo)體的電阻率比電解液和體硅的電阻率高得多，這樣電流優(yōu)先流經(jīng)孔中的電解液，從而導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕反應(yīng)主要發(fā)生在孔底。(2)限制擴(kuò)散模型R.L.Smith等的限制擴(kuò)散模型是基于標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)散物理

18、而構(gòu)成的。即引入有限的和可變的擴(kuò)散長(zhǎng)度，使限制擴(kuò)散聚集模型可以研究擴(kuò)散粒子的隨機(jī)行走。對(duì)于多孔硅的形成過(guò)程，R.L.Smith等認(rèn)為“擴(kuò)散粒子”是硅中的電子或空穴(空穴擴(kuò)散的硅的表面，對(duì)應(yīng)于電子離開硅的表面)與表面的硅原子發(fā)生氧化反應(yīng)，并指出孔底部是體硅中空穴最易擴(kuò)散到的位置，以此解釋了多孔硅腐蝕的方向性。(3)量子模型B.Lehmann等提出了量子模型，即由于量子效應(yīng)引起的硅能隙的加大，減小了硅中游離電荷的濃度并產(chǎn)生了類似于Beale模型中的耗盡層，這樣仿照Beale模型解釋孔的形成。多孔硅的制備制備多孔硅的方法有兩種，一種是用硅在HF系統(tǒng)中的陽(yáng)極腐蝕 ；另一種是在HF+HNO系統(tǒng)中純碎的化

19、學(xué)腐蝕。在本實(shí)驗(yàn)中，我們使用的是陽(yáng)極腐蝕，實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，3.2.2 電化學(xué)刻蝕裝置A 制備多孔硅過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)從上述的反應(yīng)來(lái)看，陽(yáng)極腐蝕要求空穴從硅的體內(nèi)輸送到表面，對(duì)于P型硅，由于硅本身就存在空穴，所以空穴的輸運(yùn)過(guò)程比較簡(jiǎn)單。在陽(yáng)極腐蝕中，硅和腐蝕液之間的電勢(shì)差是硅中的空穴和腐蝕液中的OH移向硅一腐蝕液界面，P型硅也就容易進(jìn)行陽(yáng)極腐蝕。對(duì)于N型硅，由于空穴是少數(shù)載流子，情況則與P型硅不同。研究表明;硅表面的空穴是由于表面擊穿產(chǎn)生的。由于摻雜濃度越高，擊穿電壓越低，所以重?fù)诫s的硅容易進(jìn)行腐蝕。B 電化學(xué)刻蝕工藝的化學(xué)反應(yīng)原理 單晶硅基片在HF溶液中進(jìn)行陽(yáng)極氧化時(shí)，其表面會(huì)產(chǎn)生一層具有高縱

20、橫比、相互隔絕或連通的與表面垂直的納米硅晶層。隨陽(yáng)極氧化過(guò)程的加劇，就會(huì)加深硅片的腐蝕程度，繼而形成微通道。把P型硅基片溶于HF溶液中進(jìn)行電化學(xué)刻蝕時(shí)，縱向腐性速率為橫向腐拙速率的10倍，因此腐蝕后硅基片易于形成大量的孔。在HF溶液中，硅表面首先進(jìn)行陽(yáng)極氧化反應(yīng):Si+2h+2HO = Si0 + 4H+2e (2. 11)硅原子得到2個(gè)空穴并與HO反應(yīng)生成二氧化硅Si0，放出2個(gè)電子。由于溶液中同時(shí)存在HF，沉積在Si表面的不溶解的二氧化硅Si仇立即與HF反應(yīng)生成可溶性六氟硅酸，使陽(yáng)極反應(yīng)進(jìn)行下去。Si0 + 6HF = HSiF+ 2H0 (2.12)陰極反應(yīng)是氫離子還原反應(yīng): 2H+2e

21、= H (2.13)由于氫離子放電很慢，因此硅腐蝕速度很慢，這就需要加入其它表面活性劑以增加反應(yīng)速度。3.3 實(shí)驗(yàn)裝置本文中實(shí)驗(yàn)裝置包括:電化學(xué)反應(yīng)裝置(臥式腐蝕槽，照明裝置)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(含電源)。電化學(xué)反應(yīng)裝置 本文實(shí)驗(yàn)中腐蝕槽采用的主體材料是氫氟酸常用反應(yīng)容器材料聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，縮寫盯FE)，商品名“特富龍(Teflon)”，俗稱“塑料王”，它是由四氟乙烯經(jīng)聚合而成的高分子化合物，具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性、密封性、高潤(rùn)滑不粘性、電絕緣性和良好的抗老化耐力.能在+250至一180的溫度下長(zhǎng)期工作。腐蝕 植腐蝕 槽 分 為立式槽和臥式槽兩

22、種，所謂立式槽，就是指電化學(xué)腐蝕的正負(fù)兩極分別位于硅片的上面和下面，硅片在槽中進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，是平放的方式，向上的一面是進(jìn)行硅腐蝕的正面，接觸腐蝕液，向下的一面是硅片背面，作為硅電化學(xué)腐蝕的陽(yáng)極。腐蝕槽的上下兩部分將硅片夾住，并通過(guò)不銹鋼螺絲對(duì)稱鎖緊。立式腐蝕裝置起優(yōu)點(diǎn)是不容易制作、而且操作方便，缺點(diǎn)是與硅片背面接觸的電極是固體的鋁電極，不如溶液接觸良好，所以實(shí)驗(yàn)中又制作了背面采用飽和NaCl溶液接觸的臥式腐蝕裝置。所謂臥式，電化學(xué)腐蝕的正負(fù)是在硅片左右的，而在反應(yīng)中硅片是豎置的，陽(yáng)極采用導(dǎo)電溶液飽和氯化鈉液與硅背面接觸，與電源正極連接的鉑網(wǎng)放入飽和NaCl溶液中而不是直接與硅片背面直接觸，

23、結(jié)構(gòu)如圖3.2所示，實(shí)物如圖3.3鹵燈 導(dǎo)電溶液槽 陽(yáng)極 密封墊 腐蝕槽 陰極 硅片 圖3.2 臥式腐蝕裝置結(jié)構(gòu)圖圖 3.3 臥式腐蝕裝置實(shí)物圖照明系統(tǒng) 在實(shí)驗(yàn)中，采用了中阻P型硅片，因此在沒有光照條件下，電化學(xué)刻蝕電流達(dá)不到所需要的要求，所以我們?cè)黾恿吮趁嬲彰飨到y(tǒng)。背面照明的光源采用歐司朗公司(OSRAM)的直流鹵素?zé)?，電壓范圍?-12V,額定功率是100w。同時(shí)鹵素?zé)艄潭ㄔ谥Ъ軆?nèi)，此支架四處開孔通風(fēng)，以利散熱。鹵素?zé)艟嚯x硅片背面(需照明位置)的距離為16厘米，距離可以調(diào)整。在實(shí)際研究與應(yīng)用中，采用電阻率為8-12 .cm， （ 1 0 0 )晶面的硅晶片。分別利用了立式腐蝕裝置和臥式腐蝕

24、裝置制備多孔結(jié)構(gòu)。在硅的電化學(xué)刻蝕過(guò)程中，刻蝕電流精確控制是利用虛擬儀器軟件LABview的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它能實(shí)時(shí)監(jiān)控腐蝕回路中的電流，在與設(shè)定的電流值比較之后調(diào)整腐蝕電壓或是光源電壓，從而穩(wěn)定回路中的電流。利用這種方法可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)Eat精確電流腐蝕。并且也能實(shí)現(xiàn)精確變電流腐蝕。這套系統(tǒng)由PC機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、帶計(jì)算機(jī)控制的低壓大功率直流穩(wěn)壓電源(025V 200W)和低壓直流穩(wěn)壓源(025V SOW),電流及電壓采樣電路，和用于工藝控制的虛擬儀器軟件組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖分別示于圖4.6和圖4.70數(shù)據(jù)采集卡以一定的采樣頻率采集電化學(xué)刻蝕系統(tǒng)的回路電壓，電流信號(hào)，并將其輸入到計(jì)算機(jī)控制程

25、:計(jì)算機(jī)控制程序?qū)π盘?hào)計(jì)算比較，輸出一個(gè)計(jì)算結(jié)果，將結(jié)果輸入采集卡。采集卡將次結(jié)果以電壓形式輸入到程序控制電源，以此控制電源的輸出功率，從而保證了整個(gè)回路在整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中電流或電壓可以保持恒定。LABview計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.4電化學(xué)刻蝕多孔結(jié)構(gòu)的影響因素 硅片類型（n，p：決定了孔的尺寸和刻蝕時(shí)間），硅片晶向 （100）的刻蝕速度是（111）的50倍），硅片結(jié)構(gòu)（單面拋光或者雙面拋光以及表面的粗糙程度），摻雜水平（通常在1010/cm；摻雜濃度越高孔的尺寸越?。?，HF濃度（越高電流越大），酒精或DMF濃度（作為活性劑，去除硅片表面反應(yīng)氣泡H，濃度越高，孔的密度越高），電流密度（521

26、mA/cm 電流越大，刻蝕速度越大），刻蝕時(shí)間（時(shí)間越長(zhǎng)，多孔硅層越厚），溫度（必須恒定）。在調(diào)研的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)中使用的硅片晶向?yàn)椋?00）方向，采用背部光照，活性劑分別用酒精和DMF作為比較，HF酸濃度分別為2mol/L,3mol/L,4mol/L;HF濃度（混合有DMF 或 酒精）光壓（V）刻蝕時(shí)間(min）刻蝕電流（mA)偏壓（V）2mol/L6.9/7.8/8.820/10/1020/35/5093mol/L7.8/8.4/920/10/1020/35/5094mol/L8/9/1020/10/520/35/509圖（4mol/L HF/HO/DMF)圖(2mol/L HF/HO/DM

27、F)通過(guò)SEM（電子顯微鏡）觀察，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流太大時(shí)，整個(gè)硅片的絨面結(jié)構(gòu)別破環(huán)，如圖所示，當(dāng)電流太小時(shí)，硅片幾乎沒有被刻蝕，如圖3.4.2所示。通過(guò)多次SEM觀察并沒有發(fā)現(xiàn)有明顯的孔的形成，原因可能有以下幾個(gè)：一是還沒能找到合適的刻蝕電流和刻蝕時(shí)間以及合適的HF酸濃度；二是絨面的不規(guī)則結(jié)構(gòu)并不適合于多孔硅的形成；三是由于實(shí)驗(yàn)用的絨面是在堿性的環(huán)境下制作的，因此在酸性環(huán)境刻蝕過(guò)程中可能并不合適?？傊@些還有待進(jìn)一步探索研究。第四章三維pn結(jié)的制作4.1三維pn結(jié)三維PN結(jié)是通過(guò)制作光子晶體或硅微通道結(jié)構(gòu)的技術(shù)，在半導(dǎo)體硅襯底上制作宏多孔硅，然后通過(guò)擴(kuò)散形成三維PN結(jié)結(jié)構(gòu)。4.2三維pn結(jié)的制作工藝

28、三維PN結(jié)結(jié)構(gòu)制作工藝的實(shí)施一般包括以下幾個(gè)步驟:掩膜光刻定義待腐蝕的窗口反應(yīng)離子刻蝕恤OH或TMAH腐蝕制作倒金字塔結(jié)構(gòu)電化學(xué)刻蝕形成多孔結(jié)構(gòu)擴(kuò)散形成三維PN結(jié)結(jié)構(gòu)金屬化完成歐姆接觸和連線。由于本實(shí)驗(yàn)中使用的料是絨面結(jié)構(gòu)的單晶硅，所以三維pn結(jié)的制作只需要在制備好了多孔硅結(jié)構(gòu)以后，通過(guò)擴(kuò)散形成三維pn結(jié)，然后再完成歐姆接觸和連線。圖4.1 PN結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖4.3三維pn結(jié)與傳統(tǒng)pn結(jié)比較下圖（4.1）是傳統(tǒng)平面pn結(jié)與三維pn結(jié)的比較圖，從圖中易看出：由于孔的存在，極大地增加了pn結(jié)的結(jié)面積，孔越深，孔壁的面積越大，pn結(jié)的面積也就越大。由pn結(jié)的結(jié)電流公式 I = AJ = AI(e -

29、1） ， = AIe （其中A表示結(jié)面積）易知，結(jié)面積越大，電流增加的越越快，即轉(zhuǎn)換效率越高。 傳統(tǒng)pn結(jié) 三維pn結(jié)圖4.2圖4.2，圖4.3分別是在相同工藝條件下制備的平面pn結(jié)與三維pn結(jié)的IV特性圖，從圖中可以看出正向?qū)〞r(shí)，三維pn結(jié)比平面pn結(jié)有更陡峭的IV特性，這是由于三維pn結(jié)比平面pn結(jié)有更大的結(jié)面積的緣故。圖4.3 平面PN結(jié)IV特性圖44 三維PN結(jié)IV特性第五章總結(jié)5.1結(jié)論 在絨面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用基于多孔硅的三維PN結(jié)結(jié)構(gòu)來(lái)制備太陽(yáng)能電池。由于三維PN結(jié)結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)平面PN結(jié)的有效結(jié)面積大很多，從而可以大大提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率，具有良好的應(yīng)用前景。本文討論了基于多

30、孔硅的三維PN結(jié)結(jié)構(gòu)的制備原理和制備工藝，.并探索了在P型硅上采用電化學(xué)刻蝕制備三維PN結(jié)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究和實(shí)驗(yàn)工作。其中主要從事的的研究工作所得到的結(jié)論和具體研究結(jié)果總結(jié)如下: (1)在進(jìn)行了大量背景文獻(xiàn)資料調(diào)研的基礎(chǔ)上，介紹了太陽(yáng)能電池的分類和發(fā)展現(xiàn)狀以及三維pn結(jié)結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理。 (2)對(duì)制作三維PN結(jié)所涉及的工藝步驟進(jìn)行了詳細(xì)地概述，尤其特別詳細(xì)地討論了電化學(xué)刻蝕的工作原理及其影響因素，試圖找出合適的刻蝕濃度，刻蝕時(shí)間。這是因?yàn)殡娀瘜W(xué)刻蝕對(duì)多孔硅的形成以及質(zhì)量的好壞對(duì)三維PN結(jié)性能影響至關(guān)重要。5.2 展望基于三維pn結(jié)的太陽(yáng)能電池由于其制作工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，以及在對(duì)光的吸收率，轉(zhuǎn)換效率等方面有很大改善等優(yōu)點(diǎn)，可能使光伏行業(yè)的發(fā)展更進(jìn)一個(gè)臺(tái)階，使太陽(yáng)能早日成為地球主要能源更近一步。參考文獻(xiàn)1 Jinlong Li, Shaohui Xu, Xinping Qu, Guoping Ru, Zhengyin Yu, Weili Liu, Zhit