《Materials Science in Semiconductor Processing》：A new additive for preparing uniform small pyramid texture for N-type HJT solar cells
编辑推荐：
本工作开发了一种以二水合硫代葡萄糖酸钠为核心成分的新型环保化学添加剂，用于硅片湿化学蚀刻处理。该添加剂通过调节金字塔尺寸和空间均匀性，使表面反射率降至9.19%，少数载流子寿命达5558 μs，最终实现N型异质结HJT太阳能电池的转换效率提升至25.38%，同时保持优异的薄膜钝化效果。
Xinpu Li|Zhibo Gao|Xing Li|Weichao Li|Longhao Zou|Xiaofeng Tao|Rui Jia|Danni Zhang|Xiongbin Yu|Yihan Li
北京航空航天大学电子与信息工程学院，中国北京 100191
摘要
通过在硅晶圆上采用湿法化学蚀刻技术制备的金字塔纹理，可以提高硅基材的光捕获能力，从而提升太阳能电池的功率转换效率（PCE）。这种纹理的特性主要取决于晶圆上金字塔的大小和空间均匀性。本文介绍了一种新型环保化学添加剂，该添加剂具有较低的工艺温度要求。其主要活性成分二钠-D-葡萄糖酸（Disodium D-glucarate）能够调节金字塔的大小，并促进其在硅晶圆上的均匀分布。利用这种添加剂制备出了不同大小和均匀性的金字塔结构，表面反射率达到了9.19%，同时钝化后的硅基材的少数载流子寿命达到了5558微秒。最终，按照标准化生产工艺制备的N型异质结太阳能电池的功率转换效率（PCE）、填充因子（Fill Factor）、短路电流密度（Short-circuit Current Density）和开路电压（Open Circuit Voltage）分别为25.38%、85.85%、41.52 mA/cm2和741 mV。
引言
在全球各国政府积极推行“双碳”（碳峰值和碳中和）战略的背景下，光伏产业的重要性日益凸显。太阳能电池是光伏发电系统的核心部件[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]]。过去几十年里，基于硅的太阳能电池技术发展迅速。从最初的全M2（156 mm × 156 mm）尺寸的多晶硅铝背场太阳能电池，发展到M6（166mm × 166 mm）以及全或半M10（182 mm × 182 mm）尺寸的钝化发射极和背接触太阳能电池，现在又出现了半或三分之一M12（210 mm × 210 mm）尺寸的N型单晶硅隧穿氧化层钝化接触或异质结（HJT）太阳能电池[[8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]]。在这些新兴技术中，N型硅基HJT太阳能电池因其制造工艺简化以及更高的功率转换效率（PCE）而成为商业化的领先候选者[[16]]。
使用氢氧化钾或氢氧化钠溶液及添加剂在硅晶圆表面制备金字塔纹理是HJT太阳能电池制造过程中的第一个关键步骤[[17]]。2020年，Abdulwahab Alasfour及其团队通过向纹理溶液中添加硅酸钾来降低金字塔的生长速率并促进成核，从而精确控制金字塔的高度，制备出了亚微米级的随机金字塔纹理。这种结构的光捕获能力和表面缺陷密度与微米级金字塔纹理相当，但反射率降低到了11.8%（此处提到的反射率是指加权平均反射率），且非晶硅膜的钝化效果未受到影响[[18]]。2021年，Wang利用不同比例的蚀刻溶液制备出了1.5 μm至8 μm大小的金字塔纹理，反射率可灵活调节在5.5%至13%之间[[19]]。2023年，Sun等人开发的另一种纹理添加剂能够形成链状金字塔结构，使HJT太阳能电池的反射率达到8.54%，短路电流密度（Jsc）增加了0.25 mA/cm2[[20]]。一年后，他们通过改变成核剂的浓度制备出了类似的反向金字塔结构纹理，反射率达到了7.88%，其功率转换效率（PCE）比传统正向金字塔纹理HJT太阳能电池高出0.19%[[21]]。
2024年，Seungyong Han等人比较了在氢氧化钾或氢氧化钠溶液中添加不同表面活性剂（如异丙醇）对单晶硅晶圆纹理的影响，最终获得了最低的表面反射率8.01%[[22]]。Anxi等人开发了一种低温（仅60°C）纹理制备工艺，在超薄（80 μm）硅晶圆上蚀刻出了约865 nm厚的金字塔结构，最小反射率为10.79%，同时显著提高了基材的弯曲抗性[[23]]。同年，Huang团队使用添加剂在超薄单晶硅基底上制备出了小尺寸金字塔纹理，HJT电池的反射率为12.47%，功率转换效率（PCE）为22.47%，该结构提升了电池的柔韧性[[24]]。Chenliang等人首次使用乙二醇丁基醚作为水溶液各向异性改性剂，在单晶硅表面制备了反向金字塔结构，这一创新方法为晶体硅太阳能电池的表面纹理技术带来了重要进展[[17]]。
传统的HJT电池湿法纹理制备方法面临两个主要挑战：首先，金字塔尺寸过大（通常超过3 μm），导致表面反射率较高（通常超过11%）；其次，金字塔的空间分布不均匀，使得覆盖在其上的非晶硅薄膜对基材的钝化效果较差。在本研究中，我们开发了一种新型环保化学添加剂，其主要成分是二钠-D-葡萄糖酸（DDG）。该添加剂能够调节金字塔的大小并促进其空间均匀分布，从而在基底上形成均匀的小金字塔纹理。另一种主要含有酒石酸钠（ST）的化学添加剂也与DDG进行了对比，以探讨其对金字塔纹理的影响机制。实验测定了纹理金字塔的形态、表面反射率以及硅基材的少数载流子寿命，后者分别达到了9.19%和5558微秒。最终，采用标准化的工业生产工艺制备出了半尺寸的HJT电池，其性能参数表现出色：短路电流密度为41.52 mA/cm2，开路电压为741 mV，填充因子为85.85%，功率转换效率为25.38%。
实验部分
实验方法
本实验使用的基底为市售的钻石线切割N型单晶硅晶圆（210 mm × 105 mm，属于半M12尺寸）。硅晶圆的电阻率和厚度分别为0.6-1.3 Ω•cm和150 ± 20 μm。图1(a)和(b)分别展示了典型HJT太阳能电池的示意图及其标准化生产工艺流程。工艺首先对硅晶圆进行金字塔纹理处理，随后进行...
结果与讨论
在本研究中，使用氢氧化钾溶液和添加剂在硅基底上蚀刻出了金字塔结构。硅与添加剂之间的反应过程如图3(a)所示。添加剂的核心活性成分二钠-D-葡萄糖酸（DDG）含有四个羟基，这些羟基可以与硅原子形成稳定的螯合物，加速硅原子从基底表面的去除，从而使更多的羟基离子与硅晶圆接触，加快蚀刻速度。
结论
本研究开发了一种新型环保纹理添加剂，其核心活性成分是二钠-D-葡萄糖酸。二钠-D-葡萄糖酸中的羟基不仅能够增强碱蚀刻的各向异性，还能降低溶液的表面张力，从而制备出均匀的小金字塔纹理。这种方法不仅提高了光捕获能力，还保持了薄膜的优异钝化性能。
作者贡献声明
Xinpu Li：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿创作、软件使用、资源获取、方法论设计、数据分析、概念构建。Zhibo Gao：数据可视化、数据分析、结果验证、过程监督、数据分析。Xing Li：数据可视化、结果验证、过程监督、数据分析。Weichao Li：资源获取、资金筹集。Longhao Zou：资源获取、资金筹集。Xiaofeng Tao：资源获取、资金筹集。Rui Jia：数据可视化、方法论设计、数据分析。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本论文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了以下项目的支持：PCL的重大重点项目（2024ZY1A0010、PCL2023AS1-3）、国家自然科学基金（项目编号12035020、52072399、62074165、12175305、62104253、62171008和12105357）、北京市自然科学基金（4192064、1212015）、 Yingkou企业博士创业计划（YKSCJH2023-021）、辽宁省青年项目（JYTQN2023364）以及国家重点研发计划（2022YFF0709500）。
