近期，俄烏沖突導致油價連漲，以光伏發(fā)電為代表的新能源產(chǎn)業(yè)廣受關(guān)注。太陽能光伏電池（簡稱光伏電池）作為光伏發(fā)電的核心部件，其發(fā)展前景及市場價值也備受矚目。在全 球各類電池產(chǎn)品銷售收入中，光伏電池占到了27%左右[1]。而在提升光伏電池的生產(chǎn)工藝和相關(guān)研究中，掃描電鏡發(fā)揮著巨大作用。

光伏電池是一種將太陽光能直接轉(zhuǎn)換為電能的光電半導體薄片。目前商業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的光伏電池主要以硅電池為主，分為單晶硅電池、多晶硅電池和非晶硅電池。

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制絨，提升太陽能電池吸收效率

在光伏電池實際制備過程中，為了進一步提高電池的能量轉(zhuǎn)換效率，通常會在電池表面制作一層特殊的絨面結(jié)構(gòu)，用絨面做成的電池稱為“絨面電池”或“無反射”電池。

具體來說，這些太陽能電池表面的絨面結(jié)構(gòu)通過增加照射光在硅片表面的反射次數(shù)，提高光的吸收率，不僅可以降低表面的反射率，還能在電池的內(nèi)部形成光陷阱，從而顯著地提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，這對于提高現(xiàn)有硅光伏電池的效率和降低成本有重要意義[2]。

平坦表面與金字塔結(jié)構(gòu)表面對比

相較于平坦表面，使用金字塔結(jié)構(gòu)絨面的硅片有更大概率會使入射光產(chǎn)生的反射光再次作用到硅片表面，而不是直接反射回空氣中，從而增加了光在結(jié)構(gòu)表面的散射和反射次數(shù)，使更多光子被吸收、提供了更多電子-空穴對。

不同入射角度光線照射在金字塔結(jié)構(gòu)上的光路

目前已有的表面制絨方法有：化學腐蝕法、反應離子刻蝕法、光刻法、機械刻槽法等，其中化學腐蝕法因成本低、生產(chǎn)率高且方法簡單，一直在產(chǎn)業(yè)上廣泛應用[3]，對于單晶硅光伏電池來說，通常利用堿性溶液在晶體硅不同晶向上產(chǎn)生的各向異性腐蝕，在硅片表面形成類似于“金字塔”結(jié)構(gòu)的絨面。金字塔結(jié)構(gòu)的形成是由于堿與硅的各向異性反應造成的[4]。在一定濃度的堿溶液中，OH-與Si(100) 面的反應速度要比Si(111)面的速度快幾倍甚至十幾倍，正是因這樣的反應速度差造成了金字塔結(jié)構(gòu)的形成。

掃描電鏡助力太陽能電池品質(zhì)提升

在化學腐蝕的過程中，腐蝕溶液的濃度、溫度、反應時間等因素都會對硅晶體電池絨表面的制備產(chǎn)生影響，導致反射率的不同，使用鎢燈絲掃描電鏡能夠?qū)χ谱鬟^程中腐蝕區(qū)域的大小、表面金字塔結(jié)構(gòu)等進行有效觀測。

鎢燈絲掃描電鏡SEM3200

得益于SEM3200電鏡超大容量樣品倉的優(yōu)點，用戶在使用過程中可放入最大直徑達370mm的光伏電池樣品而無需切割，且電鏡上五軸全自動樣品臺能夠?qū)崿F(xiàn)-10°~75°的傾斜，可實現(xiàn)對樣品不同位置的多角度觀測。

樣品臺傾斜45°后的絨面形貌

樣品臺傾斜30°后的絨面形貌

水平放置的樣品觀測

在SEM3200電鏡中使用較低加速電壓3~5kV對光伏電池表面金字塔結(jié)構(gòu)進行觀測，能夠降低電子束在樣品表面的穿深，使觀測到的表面細節(jié)更加豐富，更好地進行表面缺陷和結(jié)構(gòu)形狀的表征，從而有助于用戶對不同的制絨工藝進行比較分析。

根據(jù)GIR(Global Info Research)調(diào)研，按收入計，2021年全 球太陽能電池（光伏）設備收入大約447億美元，預計2028年將達到555.7億美元的規(guī)模。其中產(chǎn)品類型方面，單晶硅將依舊占有重要地位。國儀量子SEM3200電鏡產(chǎn)品作為一款微觀分析的利器，在提升光伏電池的生產(chǎn)工藝和相關(guān)研究中也將大顯身手。

參考資料：

[1]吳潔潔,等. 電池行業(yè)研究與展望[J]. 現(xiàn)代化工, 2017, 37(9):5.

[2]李嘉媛. 太陽能電池絨面的研究[D]. 大連理工大學, 2009.

[3]李海玲, 趙雷, 刁宏偉,等. 單晶硅制絨中影響金字塔結(jié)構(gòu)因素的分析[J]. 人工晶體學報, 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.

標簽：鎢燈絲掃描電鏡SEM3200掃描電鏡