增强金属辅助化学刻蚀在6英寸单晶与多晶硅太阳能电池上制备大面积硅纳米线阵列

摘要

本文展示了一种可规模化的溶液法金属辅助化学刻蚀 (MacEtch) 技术，在 6 英寸单晶和多晶硅片上制备均匀硅纳米线 (SiNW) 阵列。SiNW 长 470 nm，密度 3.02×10¹¹ cm⁻²，提供宽带抗反射效果，300-1100 nm 波长范围反射率 <6%。全片均匀性优异，中心到边缘反射率变化 <22%。尽管有效少数载流子寿命因表面积增加而适度下降，SiNW 纹理化多晶 Al-BSF 电池平均效率达 17.83%，优于传统酸纹理对照器件。该低成本、室温、高通量工艺已具备商业光伏部署条件。

引言

硅纳米结构相比平面硅具有优越的捕光和抗反射性能，无需昂贵抗反射涂层即可提高太阳能电池效率。金属辅助化学刻蚀 (MacEtch) 提供了一种低成本、室温制备此类纳米结构的途径，但大面积均匀制备一直受限。本研究通过优化 MacEtch 适用于 6 英寸硅片，并将所得 SiNW 阵列应用于工业级 Al-BSF 太阳能电池，填补了这一空白。

实验方法

MacEtch 机制

在 AgNO₃/HF 溶液中，Ag⁺ 氧化 Si 为 SiO₂，同时还原的 Ag 沉积表面。HF 除去氧化层，Ag 保护区发生各向异性刻蚀形成 SiNW。该过程通过氧化剂浓度和金属沉积图案高度可控。

6英寸硅片上 SiNW 制备

单晶 (100) 和多晶 p 型硅片 (180 µm 厚，0.5-3 Ω·cm) 经清洗后，浸入 23 mM AgNO₃/6.4 M HF 溶液，室温下刻蚀 3 分 19 秒。对比两种刻蚀方案：(1) 传统单批次浸泡法；(2) 改进的样品架法，确保整个硅片同时接触刻蚀液，获得均匀 SiNW。

Al-BSF 太阳能电池制备

SiNW 纹理化后，硅片经 POCl₃ 扩散 (850°C, 30 min) 形成 N⁺ 发射极 (方阻 ≈75 Ω/□)，HF 刻蚀去除 PSG。PECVD 沉积 70 nm SiNx:H 抗反射层，标准丝网印刷 Ag 浆 (正面) 和 Al 浆 (背面)。制备 SiNW 纹理化和酸纹理参比两组器件，AM 1.5G 标准光照下测试。

结果与讨论

6英寸硅片上均匀 SiNW 阵列

方案 2 制得 SiNW 阵列均匀性优异：SEM 截面显示 470 nm 长度和高密度贯穿全片。方案 1 因浸泡过程中 Ag⁺ 浓度差异导致明显的边缘-中心不均匀性。

表面形貌

图示 (省略) 展示从金字塔或原始切割表面向致密 SiNW 阵列的转变。多晶硅片显示取向依赖的 SiNW 生长 (<100>、<110>、<111>)，影响光学颜色和反射率。

光学反射率

单晶 SiNW 硅片 400-1000 nm 反射率 <6%，500 nm 处最低 3%。全片反射率变化 <22%。多晶硅片反射率 <10%，400 nm 处最低 4%。1.5×1.5 cm 和 6 英寸基底均匀性一致 (差异 <1%)。

少数载流子寿命

有效少数载流子寿命：单晶从 2.55 µs 降至 2.11 µs，多晶从 1.51 µs 降至 1.37 µs，归因于表面复合速率 (S_eff) 增加。尽管寿命下降，但器件性能因反射率降低而提升。

器件性能

SiNW 纹理化 Al-BSF 电池平均效率 17.83%，酸纹理对照 17.23%，绝对增益 0.6%。短路电流密度增 1.2%，开路电压增 1.35%，填充因子改善，归因于增强的捕光和更大电极接触面积。

结论

改进的 MacEtch 工艺可靠地在 6 英寸单晶和多晶硅片上制备均匀、低反射率的 SiNW 阵列。所得 Al-BSF 电池效率超 17.8%，验证了该技术的商业可行性。其低成本、简便、可规模化的特点使其成为下一代光伏制造的有力候选者。