獲得最優化的絨面是提高多晶硅太陽能電池轉換效率的關鍵。本研究采用等離子體浸沒離子注入法成功制備出具有不同絨面結構的多晶黑硅。利用原子力顯微鏡（AFM）、分光光度計和量子效率測試儀分別對黑硅的表面結構、反射率和內量子效率進行了分析研究。研究結果表明，使用不同制絨條件在黑硅表面形成的納米級小山峰的平均高度為150-600nm。隨著小山峰高度的新增，在波長范圍為300nm-1100nm的區域內其反射率會降低，內量子效率（IQE）也會隨之降低。幾個條件中最優的絨面小山峰高度為300nm，電池效率為15.99%，短路電流密度為34mA/cm2。

1引言

眾所周知，由于大氣和硅片接觸面折射率的突然變化，去除機械損傷層后的硅片表面反射率高達40%。降低硅片表面反射率新增光吸收是提高多晶硅太陽能電池轉換效率的一個重要方向。在硅片表面沉積具有過渡折射率的減反射層（如SiNx）是一種可以有效減反射的方法，但表面制絨是一種更穩定和有效的減反射方法。在工業化生產中，單晶硅利用各向異性腐蝕在堿液中制絨，硅片表面形成金字塔狀結構可以有效地降低硅片表面的反射率。但是多晶硅晶向不規則，各向同性，不能在堿液中制絨，而是在酸溶液中制絨。多晶硅酸制絨后反射率在25%左右，反射光損失仍然很大。

為了進一步降低多晶硅片表面的反射率，人們嘗試和研究了很多種制絨方法。在硅片表面制備納米結構，有效降低了反射率，硅片看上去是黑色的，被稱作黑硅。Terres等人使用飛秒激光器成功制備出黑硅并驗證了其轉換效率比非制絨硅電池效率高。局部金屬催化濕化學腐蝕的方法也可以制作黑硅，電池效率能達到12-14%。反應離子刻蝕（RIE）技術被廣泛應用于制備黑硅。Zaidi等人研究證實了RIE制絨并去除表面缺陷的太陽能電池的短路電流密度要比濕化學方法制作的電池高。Lee等人研究表明，去除表面缺陷后的RIE制絨多晶黑硅電池的效率高達16.32%[11]。在我們以前的研究中，采用等離子體浸沒離子注入法（PIII）可以成功制備出多晶黑硅并研究了其表面微觀結構和反射率。目前，我們通過PIII方法制備出多晶黑硅并研究了絨面結構對電池電性的影響。

2實驗設計

本次試驗使用的多晶硅片是156mm*

156mm，P型摻雜，厚度為200±20μm，電阻率1-3Ω。首先在80℃下，濃度為10%的NaOH溶液中去除硅片表面機械損傷。隨后采用不同條件（如表1）的PIII方法制絨。然后所有的硅片在2%的HCl和10%的HF中去除金屬離子、雜質、氧化層。在825℃條件下，使用POCl3擴散。然后邊緣刻蝕，在體積分數10%的HF溶液中去除磷硅玻璃。采用等離子體增強化學氣相沉積法（PECVD）沉積的SiNx厚度為80nm、折射率為2.05。最后絲網印刷、燒結制備成電池。

表1

制備黑硅的條件

通過AFM研究了黑硅的表面微觀結構和表面面積。通過帶有積分球探測器的紫外可見近紅外分光光度計（VarianCary5000）測試波長范圍為300nm-1100nm的入射光在硅片表面的反射率。通過四探針測試硅片表面方阻。通過內量子效率測試儀（SolarCellScan100）測試電池的IQE。在25℃、AM1.5，一個太陽光譜條件下使用JR-1250SolarCellI.V測試分選儀測試電池電性能。利用場發射掃描電子顯微鏡（FESEM）JEOLJSM-7001F研究Ag-Si接觸的橫截面。

3實驗結果和討論

圖1是拋光硅片和C1，C3，C5的照片。我們已經成功制備出黑硅，表面絨面均勻，隨著C1到C5制絨條件的改變，反射率逐漸降低。利用AFM研究了黑硅表面的微觀形貌。看以看出，很多致密的隨機的小山峰覆蓋在黑硅表面。實驗條件為C1、C2、C3、C4、C5的小山峰高度分別是150nm、220nm、300nm、450nm、600nm。C5的小山峰的橫向尺寸比C1大。圖2是條件C1、C3、C5的微觀形貌圖。黑硅表面的絨面是刻蝕離子SF_x^+（x≤5）、F+和掩膜SixOyFz相互競爭形成的。C1到C5反應條件不同，導致絨面形貌不同。

圖3是C1到C5的反射率比較。同時比較了其與酸制絨多晶硅表面的反射率。發現C1到C5的反射率依次降低。但由于黑硅有特殊的表面結構（在波長300~1100nm范圍內，采用C1條件制絨后的反射率要比酸制絨的反射率低很多）我們可以用有效介質近似的理論解釋黑硅的減反射效果。黑硅小山峰的橫向尺寸大約為100nm，入射光的多次反射和衍射有效的降低了硅片表面的反射率。很明顯，小山峰新增了入射光在硅片表面的反射時間。小山峰的尺寸大小接近入射光波長時，零階干涉條紋會變弱。條件C1到C5，隨著小山峰高度的新增，多次反射和干涉效果會更加明顯，導致反射率降低。

為了研究電池的減反射效果，測試了沉積SiNx膜后的硅片表面反射率（如圖3）。很明顯，所有條件的硅片表面沉積SiNx后，反射率都明顯降低了。例如，條件C3的反射率從12.22%降低到3.87%。在波長范圍600nm-1100nm區域內的反射率幾乎都在2%左右。因此，我們可以利用黑硅表面的納米結構和SiNx層的共同用途，來降低電池的反射率。