用于晶体硅太阳能电池先进光管理的表面纹理技术：从亚微米级金字塔结构的制备到户外环境下的验证

《Renewable Energy》：Surface texturing for advanced light management in crystalline silicon solar cells: From submicron pyramid fabrication to outdoor validation

硅亚微米金字塔（SiSMPs）单步制备技术及光管理性能研究。通过添加ITO到常规碱腐蚀液中实现快速SiSMPs生成，平均基底尺寸0.68–0.76 μm，增强Mie散射共振效应，使反射率降至10.8%，较传统SiMPs提升1%转换效率。实验显示SiSMPs具备全向抗反射特性（θ=0–60°），日发电量提升6.8%，尤其遮光条件下性能更优。解决了现有多步工艺成本高的问题，提出最优器件结构匹配方案，为未来光伏器件开发提供新思路。

　　硅微金字塔（SiMPs）是目前工业上广泛应用的晶体硅太阳能电池的标准表面纹理结构。这种结构通过在硅表面形成微米级的金字塔形突起，能够有效减少正面反射损失，提升光捕获能力。然而，尽管SiMPs在垂直入射条件下表现出良好的抗反射性能，其在倾斜入射角度下的效果却受到明显限制。这使得研究人员不断探索更先进的纹理方案，尤其是纳米级（横向尺寸≤100纳米）和亚微米级（横向尺寸数个纳米）的结构，以实现宽波段、全角度的抗反射特性。

纳米结构的一个典型例子是具有针状形态的硅纳米线。由于其尺寸远小于光波长，这些纳米线可以通过有效介质理论实现从空气（折射率n=1）到体硅（折射率n≈3.5）的渐变折射率分布，从而在宽光谱和入射角度范围内实现接近零的反射率。这种具有低反射率的硅被称为“黑硅”。然而，尽管黑硅在光学性能上表现优异，其在实际应用中仍面临挑战，主要在于其高纵横比导致的显著表面复合效应，以及纳米线内部的增强Auger复合现象，使得其整体性能不如SiMPs。

相比之下，亚微米级的纹理结构，尤其是高度为0.5–1微米的直立/倒置硅亚微米金字塔（SiSMPs），在光学与电子性能之间提供了更优的平衡。SiSMPs的表面面积增强比仅为1.7，与SiMPs相当，这使得其表面钝化质量能够与SiMPs媲美，同时在θ=0–60°的入射角度范围内表现出更优越的抗反射性能。近年来的设备应用验证了这些优势，例如Li等人通过将SiMPs替换为SiSMPs，在异质结（HJT）太阳能电池中实现了短路电流密度（JSC）从37.9到38.4 mA/cm2的提升，同时保持开路电压（VOC）和填充因子（FF）不变，使功率转换效率（PCE）从21.6%提升至21.9%。此外，SiSMPs的纹理还可以带来接近朗伯光捕获效果，在超薄HJT晶体硅太阳能电池中实现比SiMPs更高的PCE。

通过外部量子效率（EQE）测量，SiSMPs纹理的太阳能电池在广泛的入射角度范围内表现出接近全方向的发电能力，而SiMPs纹理的太阳能电池则随着入射角度的增加，其EQE显著下降。计算分析表明，这一特性使得SiSMPs纹理的太阳能电池在一天内能够获得2.5%更高的能量产出。然而，目前这些关于全方向性能的声明主要基于实验室测量，而没有充分考虑真实环境中的表现，特别是在漫射光主导的条件下。此外，在设备层面，前表面的纹理通常会覆盖各种功能性薄膜，如在隧穿氧化物钝化接触（TOPCon）太阳能电池中使用的SiNx薄膜，或在HJT太阳能电池中使用的重掺杂非晶硅（a-Si:H）结合透明导电氧化物（TCO）薄膜。这些薄膜对光管理有着重要影响，但目前尚不清楚这些薄膜的光学性能是否适用于不同尺寸的硅金字塔，因此，如何选择最优的设备架构以充分发挥SiSMPs的光学优势仍然是一个待解决的问题。

更重要的是，SiSMPs的制造复杂性仍然是其工业应用的关键障碍。与SiMPs的单步各向异性碱性蚀刻工艺不同，目前SiSMPs的形成通常需要复杂的光刻工艺，如纳米压印、激光干涉和胶体等，随后进行图案转移蚀刻。例如，激光干涉方法包括：（1）生长一层约100纳米的SiO2层，（2）旋涂光刻胶，（3）激光干涉光刻图案化，（4）氧气等离子体处理，（5）反应离子蚀刻，（6）氢氟酸蚀刻，（7）最终的碱性蚀刻。这些多步骤工艺带来了高昂的成本。另一种替代方案是使用金属辅助化学蚀刻在酸性溶液中的无掩模方法，虽然简化了工艺，但引入了新的挑战，如粗糙表面导致的表面复合增加和工艺重复性差。此外，涉及大量硝酸（HNO3）的金属去除步骤也会带来环境问题，因为废水处理成本较高。同样，无论是两步还是单步的银纳米颗粒辅助碱性蚀刻方法，都需使用HNO3溶液来去除银纳米颗粒。近年来尝试使用硅酸钾与商业纹理添加剂的组合，但由于工艺窗口较窄（限制在约80°C）且反射率高于SiMPs纹理，其应用受到限制。

本研究在SiSMPs纹理太阳能电池方面取得了三个关键进展：开发了新的纹理方法，识别了覆盖在SiSMPs上的最佳功能性薄膜以最大化光学增益，并首次在实际环境中验证了接近全方向的功率转换能力。我们提出了一种通过战略性添加氧化铟锡（ITO）作为成核剂，在常规碱性蚀刻溶液中进行的单步快速蚀刻工艺，以制造SiSMPs纹理。这种优化的工艺能够在较宽的温度范围内（65–80°C）快速形成SiSMPs结构，得到平均基底尺寸为0.68–0.76微米的纹理。最终形成的纹理表现出优异的抗反射性能，其加权反射率为10.8%，优于传统的SiMPs纹理表面。通过结合实验与模拟方法，我们展示了能够有效利用SiSMPs光学优势的最优设备架构。在设备层面，SiSMPs纹理的太阳能电池表现出比传统SiMPs更高的效率。此外，户外测量揭示了在真实操作条件下，SiSMPs纹理的太阳能电池具有出人意料的性能优势，无论是在直射阳光还是阴影环境下，其能量产出均有所提升。这些突破使得SiSMPs成为未来光伏技术的有力候选者，包括叠层太阳能电池的应用。

在实际应用中，表面纹理不仅影响光的入射和反射，还对光的散射和捕获具有重要作用。通过优化纹理结构，可以实现更有效的光管理，从而提升太阳能电池的光电转换效率。例如，SiSMPs纹理的太阳能电池在户外测试中展现出比实验室条件下更优异的性能，这表明其在实际环境中具有更强的适应性。此外，这些纹理结构还能够改善电流路径，使银电极与硅表面之间的电流传输更加高效，从而进一步提升整体性能。通过这些改进，SiSMPs纹理的太阳能电池不仅在实验室条件下表现出优越的性能，而且在实际应用中也能够实现更高的能量产出和更稳定的运行。

在研究过程中，我们还关注了功能性薄膜在SiSMPs纹理表面的应用。这些薄膜不仅能够改善表面钝化效果，还能够进一步优化光管理。例如，在TOPCon太阳能电池中，SiNx薄膜能够有效减少表面复合，同时提升抗反射性能。而在HJT太阳能电池中，重掺杂非晶硅与透明导电氧化物的组合能够实现更好的光捕获效果，同时保持较高的电流传输效率。通过实验与模拟的结合，我们评估了这些功能性薄膜在SiSMPs纹理表面的适用性，并确定了最佳的组合方案。这些研究结果表明，选择合适的功能性薄膜对于充分发挥SiSMPs的光学优势至关重要。

在实际应用中，SiSMPs纹理的太阳能电池不仅能够提升光电转换效率，还能够改善电流路径，使银电极与硅表面之间的电流传输更加高效。这种优化不仅有助于提高整体性能，还能够增强太阳能电池在复杂环境下的适应性。例如，在阴影条件下，SiSMPs纹理的太阳能电池表现出优于SiMPs纹理的性能，这表明其在实际应用中具有更强的抗干扰能力。此外，这些纹理结构还能够提升太阳能电池在不同光照条件下的稳定性，使其在多变的环境中仍能保持较高的发电效率。

在研究过程中，我们还关注了SiSMPs纹理的形成机制。通过扫描电子显微镜（SEM）和光学测量，我们发现添加ITO作为成核剂能够显著改变碱性蚀刻溶液的成核行为，从而形成更均匀、更规则的SiSMPs结构。这一机制不仅有助于提高纹理的均匀性，还能够减少表面缺陷，提升太阳能电池的整体性能。此外，我们还研究了不同蚀刻条件对SiSMPs结构的影响，发现适当的蚀刻温度和时间能够显著优化纹理的形成效果。

在实际应用中，SiSMPs纹理的太阳能电池不仅能够提升光电转换效率，还能够改善电流路径，使银电极与硅表面之间的电流传输更加高效。这种优化不仅有助于提高整体性能，还能够增强太阳能电池在复杂环境下的适应性。例如，在阴影条件下，SiSMPs纹理的太阳能电池表现出优于SiMPs纹理的性能，这表明其在实际应用中具有更强的抗干扰能力。此外，这些纹理结构还能够提升太阳能电池在不同光照条件下的稳定性，使其在多变的环境中仍能保持较高的发电效率。

通过实验与模拟的结合，我们不仅验证了SiSMPs纹理的光学优势，还探讨了其在不同设备架构中的适用性。研究结果表明，选择适当的设备架构对于充分发挥SiSMPs的光学优势至关重要。此外，我们还关注了SiSMPs纹理在不同光照条件下的表现，发现其在直射阳光和阴影环境下的发电能力均有所提升，这表明其在实际应用中具有更强的适应性。这些研究结果为未来光伏技术的发展提供了重要的理论依据和实践指导。

综上所述，SiSMPs纹理的太阳能电池在光学性能、电流传输效率和适应性方面均表现出显著优势。通过优化纹理形成工艺和选择合适的功能性薄膜，可以进一步提升其整体性能，使其在实际应用中具有更强的竞争力。这些突破不仅为当前太阳能电池技术提供了新的发展方向，也为未来光伏技术的创新奠定了基础。