扫描电镜在太阳能电池领域的应用
发布时间 :2022-07-04 17:55:59  浏览量:3526

      近期,俄乌冲突导致油价连涨,以光伏发电为代表的新能源产业广受关注。太阳能光伏电池(简称光伏电池)作为光伏发电的核心部件,其发展前景及市场价值也备受瞩目。在全球各类电池产品销售收入中,光伏电池占到了27%左右[1]。而在提升光伏电池的生产工艺和相关研究中,扫描电镜发挥着巨大作用。


光伏电池是一种将太阳光能直接转换为电能的光电半导体薄片。目前商业化大规模生产的光伏电池主要以硅电池为主,分为单晶硅电池、多晶硅电池和非晶硅电池。


1658728542055225782.jpg

图片来源:Pexels



制绒,提升太阳能电池吸收效率


在光伏电池实际制备过程中,为了进一步提高电池的能量转换效率,通常会在电池表面制作一层特殊的绒面结构,用绒面做成的电池称为“绒面电池”或“无反射”电池。


具体来说,这些太阳能电池表面的绒面结构通过增加照射光在硅片表面的反射次数,提高光的吸收率,不仅可以降低表面的反射率,还能在电池的内部形成光陷阱,从而显著地提高太阳能电池的转换效率,这对于提高现有硅光伏电池的效率和降低成本有重要意义[2]


1658728559542225326.png

平坦表面与金字塔结构表面对比


相较于平坦表面,使用金字塔结构绒面的硅片有更大概率会使入射光产生的反射光再次作用到硅片表面,而不是直接反射回空气中,从而增加了光在结构表面的散射和反射次数,使更多光子被吸收、提供了更多电子-空穴对。


1658728571661306091.png

不同入射角度光线照射在金字塔结构上的光路


目前已有的表面制绒方法有:化学腐蚀法、反应离子刻蚀法、光刻法、机械刻槽法等,其中化学腐蚀法因成本低、生产率高且方法简单,一直在产业上广泛应用[3],对于单晶硅光伏电池来说,通常利用碱性溶液在晶体硅不同晶向上产生的各向异性腐蚀,在硅片表面形成类似于“金字塔”结构的绒面。金字塔结构的形成是由于碱与硅的各向异性反应造成的[4]。在一定浓度的碱溶液中,OH-与Si(100) 面的反应速度要比Si(111)面的速度快几倍甚至十几倍,正是因这样的反应速度差造成了金字塔结构的形成。



扫描电镜助力太阳能电池品质提升


在化学腐蚀的过程中,腐蚀溶液的浓度、温度、反应时间等因素都会对硅晶体电池绒表面的制备产生影响,导致反射率的不同,使用钨灯丝扫描电镜能够对制作过程中腐蚀区域的大小、表面金字塔结构等进行有效观测


1658728584906609021.png

钨灯丝扫描电镜SEM3200


得益于SEM3200电镜超大容量样品仓的优点,用户在使用过程中可放入最大直径达370mm的光伏电池样品而无需切割,且电镜上五轴全自动样品台能够实现-10°~75°的倾斜,可实现对样品不同位置的多角度观测。


样品台倾斜45°后的绒面形貌


1658728604607813686.png

1658728620676620673.png


样品台倾斜30°后的绒面形貌


1658728643339860717.png

1658728657726147132.png


水平放置的样品观测


1658728674047342407.png

1658728685760034815.png


在SEM3200电镜中使用较低加速电压3~5kV对光伏电池表面金字塔结构进行观测,能够降低电子束在样品表面的穿深,使观测到的表面细节更加丰富,更好地进行表面缺陷和结构形状的表征,从而有助于用户对不同的制绒工艺进行比较分析。


根据GIR(Global Info Research)调研,按收入计,2021年全球太阳能电池(光伏)设备收入大约447亿美元,预计2028年将达到555.7亿美元的规模。其中产品类型方面,单晶硅将依旧占有重要地位。国仪量子SEM3200电镜产品作为一款微观分析的利器,在提升光伏电池的生产工艺和相关研究中也将大显身手。



参考资料:

[1]吴洁洁,等. 电池行业研究与展望[J]. 现代化工, 2017, 37(9):5.

[2]李嘉媛. 太阳能电池绒面的研究[D]. 大连理工大学, 2009.

[3]李海玲, 赵雷, 刁宏伟,等. 单晶硅制绒中影响金字塔结构因素的分析[J]. 人工晶体学报, 2010, 39(4):5.

[4]Nishimoto Y, Namba K. Investigation of Texturization for Crystalline Silicon Solar Cells with Sodium Carbonate Solutions[J]. Solar Energy Material & Solar Cells, 2000, 61(4):393-402.