1 引 言

黑硅，也称湿法黑硅，是由肉眼观察硅片表面呈黑色而得名。近年来，随着光伏行业的快速发展，如何提高太阳能电池转换效率和降低生产成本成为关注的焦点。传统多晶硅太阳能电池的生产主要流程为：酸制绒、扩散、湿法刻蚀、减反射膜的沉积、丝网印刷和烧结。多晶硅湿法黑硅太阳能电池的生产主要流程为纳米绒面制备（或称湿法黑硅）、扩散、湿法刻蚀、减反射膜的沉积、丝网印刷和烧结^[2]。黑硅纳米绒面制备采用槽式设备，经过碱抛、沉银、挖孔、脱银、扩孔等工艺处理后完成纳米绒面制备。

从理论看，反射率越低，光吸收的越多，电池转换效率越高。但黑硅电池受制绒后表面结构的影响，不同反射率对太阳光的吸收波长和吸收强度都有影响，从而影响电池转换效率。文中通过实验验证了反射率控制在16%~17%范围时，太阳能电池转换效率最高。

1 实验过程

实验选用157 mm×157 mm的P型多晶金刚线硅片，厚度为190±10 μm。实验过程如下：选用同一硅锭采用金刚线法切割的硅片，均分3组，每组200片，实验设备采用无锡景裕KINGRICH设备。主要工艺步骤有：①碱抛、②酸洗、③沉银、④挖孔、⑤脱银、⑥扩孔、⑦水洗后烘干。通过改变“④挖孔”和“⑥扩孔”的工艺时间来得到反射率为14.5%、16.5%、18.5%的三组黑硅制绒后硅片。14.5%组挖孔时间为185 s、扩孔时间为190 s，16.5%组挖孔时间为180 s、扩孔时间为200 s，18.5%组挖孔时间为175 s、扩孔时间为210 s。然后三组实验经扩散工艺、湿法刻蚀工艺、链式上镀膜工艺、印刷烧结工艺后完成黑硅太阳能电池制备。以上工艺都采用同一设备，以保证实验结果准确性。最后用halm测试仪在温度25 ℃、AM1.5标准光谱条件下测试黑硅太阳能电池的电池参数。

实验电池片的反射率采用D⁃8绒面反射仪测量，然后用扫描电子显微镜（SEM）测量制绒后硅片的外貌、孔径。

2 实验结果与分析

2.1　湿法黑硅制绒原理及反射率差异分析

湿法黑硅制绒原理是：由于Ag⁺系统能量远低于硅的价带边缘，Ag⁺从硅的价带中得到电子，还原成Ag，反应式为Ag⁺+e^-→Ag。Ag颗粒沉降在硅表面，在H₂O₂、HF等混合液作用下，Ag颗粒周围的硅被H₂O₂氧化腐蚀，同时生成的二氧化硅被HF腐蚀溶解，Ag颗粒下沉，从而实现“挖孔”；脱银处理后在扩孔槽进行化学反应，增加孔洞宽度，从而实现“扩孔”。通过“挖孔”与“扩孔”达到制绒效果，增加受光面积，反应式为2H₂O₂ +Si→SiO₂ +2H₂O、SiO₂ +6HF→H₂SiF₆+2H₂O^[3]。挖孔时间影响挖孔深度，扩孔时间影响孔径大小。

D⁃8绒面反射仪测量反射率可以很直观地区别三组实验的反射率，表1为三组实验片抽测反射率值及均值。由于承载硅片的装置为100片的片盒，实验用KINGRICH设备每个槽体可以同时生产200片，故反射率测试片取片为第一个片盒取第10、40、70片，第二个片盒取第30、60、90片，每组实验测试6片。

表2为选取各组硅片3在扫描电子显微镜（SEM）下不同倍数的外貌图片。由于碱抛等前处理工艺为同一工艺条件，故三组实验的SEM图500倍和2 000倍肉眼观察区别不大，但是8 000倍条件下，能够看出，挖孔孔径大小有着明显差异，14.5%组孔径约0.45 μm，16.5%组孔径约0.6 μm，18.5%组孔径约0.9 μm，实测孔径数据如表3。

表 2. 不同反射率黑硅硅片SEM图

Table 2. 不同反射率黑硅硅片SEM图

实验分组 500倍 2 000倍 8 000倍 14.5%组 16.5%组 18.5%组

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2.2　结果分析

测试电池参数的光源为模拟太阳光。由图1太阳光组成示意图可见，波长在0.4 μm~1.0 μm波段的太阳光辐射能力较强，其中波长在0.45 μm~0.65 μm波段的辐射能力最强。由表3不同反射率黑硅硅片孔径值可见反射率14.5%组孔径约0.4 μm~0.5 μm，反射率16.5%组孔径为0.5 μm~0.75 μm，反射率18.5%组孔径约0.85 μm~0.95 μm。

图 1. 太阳光组成示意图

Fig. 1. Diagram of the composition of the sun's rays

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反射率14.5%组的黑硅硅片因相对16.5%组增加了5秒挖孔时间，挖孔较深，减少了10秒扩孔时间，孔洞孔径偏小；反射率18.5%组的黑硅硅片因相对16.5%组减少了5秒挖孔时间，挖孔较浅，增加了10秒扩孔时间，孔洞孔径偏大。

14.5%组虽然反射率最低，但是孔洞孔径偏小，在0.4 μm~0.5 μm，由光的直线传播和光的衍射原理可知，辐射能力最强波段的太阳光难以通过直线传播进入小孔。虽然部分光可以通过衍射照到孔内，但是强度明显降低，使光的吸收利用率降低^[4]；且孔洞过深会导致后续磷扩散的不均匀和表面杂质浓度较高，底部附着的银颗粒很难被彻底清洗干净，成为电池中光生电子⁃空穴对的复合中心^[5] 。18.5%组挖孔浅、孔洞大，反射率过高，太阳光不能被充分的吸收利用，光损失偏多。16.5%组孔径0.5 μm~0.75 μm，对于波长0.45 μm~0.65 μm波段辐射能力最强的太阳光能更充分地利用，达到最好的陷光效果^[6]；且孔洞相对于14.5 %组偏浅，磷扩散会更均匀，复合中心也会减少。16.5 %组相对于其他两组，实现了光学与电学的最佳平衡。

表4为实验测试电池参数，16.5%组电池转换效率较14.5%组高0.12%、较18.5%组高0.1%，短路电流有明显优势。14.5%、16.5%、18.5%三种不同反射率太阳能电池的短路电流I_sc密度统计分布图如图2所示。

图 2. 短路电流密度统计分布图

Fig. 2. Statistical distribution of short-circuit current density

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电流差异大，分析原因为：14.5%组孔径约0.4 μm~0.5 μm，因相对16.5%组增加了挖孔时间，挖孔较深，减少了扩孔时间，孔洞孔径偏小；18.5%组孔径约0.85 μm~0.95 μm，因相对16.5%组减少了挖孔时间，挖孔较浅，增加了扩孔时间，孔洞孔径偏大。由于前处理工艺及“③沉银”工艺条件一致，硅片表面Ag⁺数量可以认为是一样的，即硅片表面孔的数量基本一致。14.5%组挖孔深、孔径小，单位面积对光的吸收较少，故电流相对偏低；18.5%组孔径大但是挖孔较浅，对光的吸收能力小，故电流相对偏低。

3 结 论

通过调整黑硅工艺，得到三组不同反射率的制绒后硅片，在后续同工艺条件下制成太阳能电池，并测试电池参数及转换效率。通过实验数据分析得出结论：为了提升黑硅太阳能电池效率，反射率控制很关键，湿法黑硅制绒反射率控制在16%~17%，能达到较高的太阳光吸收利用率，有效地提升了电池的短路电流，从而提升转换效率。本实验结果表明，反射率控制在16%~17%范围，效率提升0.1 %以上。