掃描電鏡在太陽能電池領域的應用

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

光伏電池是一種將太陽光能直接轉換為電能的光電半導體薄片。目前商業化大規模生產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換效率，通常會在電池表面制作一層特殊的絨面結構，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構通過增加照射光在硅片表面的反射次數，提高光的吸收率，不僅可以降低表面的反射率，還能在電池的內部形成光陷阱，從而顯著地提高太陽能電池的轉換效率，這對于提高現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構表面對比

相較于平坦表面，使用金字塔結構絨面的硅片有更大概率會使入射光產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，從而增加了光在結構表面的散射和反射次數，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構上的光路

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、生產率高且方法簡單，一直在產業上廣泛應用[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生的各向異性腐蝕，在硅片表面形成類似于“金字塔”結構的絨面。金字塔結構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構的形成。

掃描電鏡助力太陽能電池品質提升

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生影響，導致反射率的不同，使用鎢燈絲掃描電鏡能夠對制作過程中腐蝕區域的大小、表面金字塔結構等進行有效觀測。

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實現-10°~75°的傾斜，可實現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構進行觀測，能夠降低電子束在樣品表面的穿深，使觀測到的表面細節更加豐富，更好地進行表面缺陷和結構形狀的表征，從而有助于用戶對不同的制絨工藝進行比較分析。

根據GIR(Global Info Research)調研，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555.7億美元的規模。其中產品類型方面，單晶硅將依舊占有重要地位。國儀量子SEM3200電鏡產品作為一款微觀分析的利器，在提升光伏電池的生產工藝和相關研究中也將大顯身手。

參考資料：

[1]吳潔潔,等. 電池行業研究與展望[J]. 現代化工, 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構因素的分析[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