得益于晶硅原料成本的大幅下降以及規(guī)?；?yīng)，晶硅太陽(yáng)能電池是目前光伏產(chǎn)業(yè)中居于絕對(duì)主導(dǎo)地位的產(chǎn)品，并在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持這種局面。硅片表面制絨是制造晶硅電池的第一道工藝，又稱“表面織構(gòu)化”，是電池制造的一個(gè)核心環(huán)節(jié)。良好的絨面結(jié)構(gòu)不僅可以降低太陽(yáng)光反射率，增加光的吸收，而且可以提高表面鈍化以及電極接觸等特性，從而提高載流子的收集效率，因此，制絨工藝的創(chuàng)新研究一直是晶硅太陽(yáng)能電池的焦點(diǎn)課題。在目前的制造工藝中，單晶或準(zhǔn)單晶硅片的通用制絨工藝采用堿液金字塔刻蝕法，硅表面形成隨機(jī)金字塔結(jié)構(gòu)，可對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行兩次反射，一般反射率在10%左右。而具有倒金字塔形狀的凹坑結(jié)構(gòu)是更為理想的絨面，因?yàn)樘?yáng)光在倒金字塔絨面上會(huì)經(jīng)歷三次反射，比金字塔絨面多吸收一次，反射率可降至5%左右，從而提高電池效率，因此廉價(jià)并可產(chǎn)業(yè)化的倒金字塔制絨工藝成為一個(gè)研發(fā)熱點(diǎn)，近二十年來(lái)科研人員嘗試了許多方案，可時(shí)至今日仍然沒(méi)有大的進(jìn)展，成了一個(gè)公認(rèn)的國(guó)際難題。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所清潔能源實(shí)驗(yàn)室研究員杜小龍研究組經(jīng)過(guò)5年多的攻關(guān)研究，終于利用納米金屬顆粒催化化學(xué)刻蝕這一新工藝在晶硅倒金字塔制絨上取得了重大進(jìn)展。劉堯平、梅增霞、王燕、楊麗霞、梁會(huì)力以及杜小龍等巧妙地利用單晶硅表面上銅納米顆粒的各向異性沉積特性，在酸溶液中實(shí)現(xiàn)了銅催化各向異性刻蝕，獲得了大面積均勻的致密的倒金字塔絨面（圖1）。所制備的156 x 156 mm2工業(yè)用單晶硅倒金字塔制絨片具有大面積均勻、倒金字塔尺寸可調(diào)等特點(diǎn)，其反射率為5%左右，其優(yōu)越的陷光性能得到了驗(yàn)證（圖2）。該新工藝采用廉價(jià)的銅化合物和酸溶液作為銅催化劑和刻蝕液的原料，同時(shí)其制絨溫度僅為50℃，比現(xiàn)在通用的金字塔堿制絨的溫度低了30℃，并且刻蝕時(shí)間也從30分鐘縮短為10分鐘左右，這極大地降低了制絨能耗、刻蝕液成本及時(shí)間成本。由于跟現(xiàn)有產(chǎn)線兼容，該原創(chuàng)性倒金字塔制絨工藝有望成為一種新型的通用制絨工藝，可應(yīng)用于各種單晶硅太陽(yáng)能電池的大規(guī)模制造中。相關(guān)倒金字塔制絨技術(shù)已經(jīng)申請(qǐng)專利兩項(xiàng)，其中一項(xiàng)已授權(quán)，另一項(xiàng)已進(jìn)入PCT國(guó)際專利（美、日、歐、印等）階段。無(wú)模板法倒金字塔制絨的機(jī)理研究論文已于近日發(fā)表【Scientific Reports 5 (2015) 10843】。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)展了倒金字塔晶硅太陽(yáng)能電池研制工作，電池的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)高于常規(guī)金字塔制絨電池。倒金字塔底部圓滑，有利于銀電極均勻覆蓋絨面，接觸電阻有了明顯下降，展示了倒金字塔絨面同時(shí)在光的吸收和載流子收集兩方面上的優(yōu)越性。這些工作為晶硅倒金字塔制絨從基礎(chǔ)研究邁向重大產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

該團(tuán)隊(duì)還在多晶硅/單晶硅納米制絨方面取得了多項(xiàng)成果，采用金屬銀顆粒催化化學(xué)刻蝕方法，在酸性刻蝕液中開(kāi)發(fā)出大面積均勻的多晶硅片納米制絨工藝，其反射率低至2%，呈典型的黑硅形貌【Small 8 (2012)1392】，同時(shí)率先開(kāi)發(fā)出硅納米結(jié)構(gòu)的低溫臭氧鈍化工藝，并與選擇性發(fā)射極工藝結(jié)合，制備了選擇性納米發(fā)射極黑硅太陽(yáng)能電池，實(shí)現(xiàn)了多晶黑硅電池效率的大幅提升【RSC Advances 3( 2013) 15483; 4(2014) 24458】，并獲得了較為完備的黑硅電池專利技術(shù)體系。由于硅片的切割工藝正逐漸由鋼絲向金剛線過(guò)渡，而經(jīng)金剛線工藝切割所得硅片表面光滑，起絨點(diǎn)減少，傳統(tǒng)工藝無(wú)法在多晶硅上實(shí)現(xiàn)高性能制絨，而金屬催化化學(xué)刻蝕工藝不受硅片表面形貌影響，因此有望成為多晶硅電池產(chǎn)業(yè)的制絨新工藝。

上述工作是與南京日托光伏公司張鳳鳴團(tuán)隊(duì)、中科院電工研究所研究員王文靜團(tuán)隊(duì)以及挪威奧斯陸大學(xué)教授庫(kù)茲涅佐夫·安德烈團(tuán)隊(duì)合作完成的。上述工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金及中國(guó)科學(xué)院的支持。


圖1：金屬銅納米顆粒催化化學(xué)刻蝕法制備大面積均勻倒金字塔絨面結(jié)構(gòu)。（a）浸泡在刻蝕液中的156 x 156 mm2工業(yè)用單晶硅片（上）及表面低倍電鏡照片（下）；（b）致密的倒金字塔陣列（上）及目前通用的金字塔陣列（下）電鏡照片；（c）單個(gè)倒金字塔俯視（上）及截面（下）照片，圓滑的底部有利于電極的均勻覆蓋和良好歐姆接觸的形成。


圖2：未制絨硅、金字塔絨面及刻蝕不同時(shí)間的倒金字塔絨面的反射率對(duì)比。小圖顯示了太陽(yáng)光分別在金字塔絨面及倒金字塔絨面的2次和3次反射過(guò)程。金字塔絨面的反射率在10%左右，而倒金字塔絨面可低至5%。