[发明专利]一种晶硅制绒添加剂的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于晶体硅表面制备绒面技术领域，特别是涉及一种利用木糖醇与甘露糖酸在碱性条件下反应制备新型制绒添加剂的制备方法及其应用。

技术背景

太阳能电池是一种利用光电转换效应将光能转换为电能的装置，因其安全无污染、不受地域限制等优点得到大力发展。而晶硅太阳能电池凭借工艺成熟、转换效率高等优势在整个光伏产业中占80％以上的份额。高效率、低成本一直是光伏产业不变的追求，而表面反射率是影响太阳能电池光电转换效率的重要因素之一，太阳能电池表面织构化技术可以有效降低太阳能电池的表面反射率。晶体硅太阳能电池可以分为单晶硅电池和多晶硅电池，它们的生产工艺基本相似，最大的不同在于表面制绒方法。其中单晶硅太阳能电池主要利用单晶硅片在碱性溶液中的各项异性腐蚀特性在硅片表面构建随机金字塔陷光结构，而多晶硅片通过氢氟酸和硝酸腐蚀制备出凹坑陷光结构。

经清洗后的单晶硅片，表面反射率在30％以上。为降低反射率，工业上主要利用单晶硅片在碱性溶液中的各项异性腐蚀特性，在硅片表面形成随机金字塔陷光结构以减小光在硅片表面的反射率，其中碱又以KOH、NaOH为主。该法工艺简单，对设备要求不高，早期被广泛使用，但是单纯的碱刻蚀难以得到尺寸均匀的金字塔结构。这是由于硅与碱反应会产生氢气和硅的络合物，它们会粘附在硅片表面形成一层不易去除的“掩膜”，阻碍碱液与硅片接触，使硅片表面形成雨点状的缺陷(俗称“花片”)，进而影响刻蚀效率。目前工业上最成熟、应用最广泛的是NaOH/异丙醇(IPA)制绒体系。经过科研工作者的多年研究发现，乙醇、异丙醇等醇类对去除硅片表面氢气气泡非常有效果，它们不仅可以消除硅片表面气泡，还可以影响各向异性因子，使硅片表面的金字塔更加均匀，降低反射率，提高光电转换效率。如屈胜等人(屈胜，张兴旺，毛和璜等.不同醇类对单晶硅绒面特性的影响[J].材料导报，2011，25(1B)：41154)研究了一元醇和二元醇对单晶硅绒面特性的影响，实验发现二元醇跟一元醇相比，可以获得更低的表面反射率且因其沸点高挥发损耗较少，但硅片表面的消泡效果和绒面金字塔结构均匀性较差。再如内蒙古师范大学王立娟等(王立娟，周炳卿，那日苏等.异丙醇溶液对单晶硅太阳能电池表面织构化的影响[J].内蒙古师范大学学报(自然科学汉文版)，2011(1)：42-45)研究了异丙醇对单晶硅片表面织构化的影响，确定实验的最佳条件为：反应温度80℃，氢氧化钠质量分数3％，异丙醇质量分数8％，反应时间40min。在最佳条件下，硅片表面金字塔尺寸分布均匀，反射率降低到10.42％。这种方法工艺简单成熟，工业上也在普遍采用，但缺点也非常明显：第一，添加的乙醇、异丙醇等醇类沸点较低，在高温下易挥发，反应过程中要不停地补加，使生产成本大大增加；第二，这些醇类易燃易爆，工厂中经常有操作工因操作失误而受伤的事情发生；第三，异丙醇的毒性等级为中毒，异丙醇蒸汽对眼睛、呼吸道黏膜等有刺激作用，能损伤视网膜及视神经。最近无醇型制绒添加剂已成为今后太阳能电池领域热点。研究发现，表面活性剂在低浓度时是以单分子状态分散在溶液中，这时表面活性剂分子吸附在溶液界面处，降低了溶液的表面张力，从而使溶液的物理化学性质发生巨大变化。表面活性剂具有很强的渗透能力，可以很轻易地渗透到硅片表面与吸附物之间，吸附在固-液界面上形成一层结实的溶剂化膜，这样硅片表面与产物之间就像被插入一个“楔子”。随着反应的进行，“楔子”将继续向深处扩展，最终将吸附物与硅片表面分开，形成较厚的保护层，阻止新的反应产物吸附在硅片表面，使反应不断进行，从而提高反应速率。如中国专利CN201210489812.8公开了一种单晶硅制绒液的制备方法，制绒液由碱性腐蚀液、非离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、无水葡萄糖以及有机盐组成，能使单晶硅硅片绒面快速得到“金字塔”且有一定的去污能力。但是这些方法制备出来的金字塔结构都为四面体型的且尺寸在3-6μm，一般可以将硅片表面反射率降低到14％左右，比理论上的最低反射率9％还高很多，因此继续研究单晶硅片太阳能电池的绒面技术，以降低反射率、提高转换效率是十分有必要的。