臺(tái)式電鏡在太陽能電池中的應(yīng)用

太陽能電池是將太陽能直接轉(zhuǎn)化為直流電能或交流電能的光伏電池，其原理主要是利用光生伏特（光伏效應(yīng)）。在具有 PN 節(jié)的太陽能電池中，電子受光照激發(fā)后形成電空穴對(duì)，在內(nèi)建電場(chǎng)作用下，電子在返回基態(tài)前會(huì)與空穴分離，進(jìn)入導(dǎo)帶，在 PN 結(jié)的兩端形成電勢(shì)差，這種現(xiàn)場(chǎng)稱為光伏效應(yīng)。

在各種可再生能源中，太陽能以其清潔、安全、取之不盡、用之不竭等顯著優(yōu)勢(shì)，已成為發(fā)展快的可再生能源。且隨著“碳達(dá)峰”和“碳中和”的提出，中央到地方相繼出臺(tái)多項(xiàng)有關(guān)光伏發(fā)電相關(guān)政策。在光伏市場(chǎng)方面，2021 年全國新增光伏裝機(jī)容量 54.88GW，同比上升 13.9%。累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到 308GW。全年光伏發(fā)電量為 3259 億千瓦時(shí)，同比增長 25.1%，約占全國全年總發(fā)電量的 4.0%。

隨著光伏市場(chǎng)的發(fā)展，越來越多的光伏企業(yè)重視產(chǎn)品研發(fā)和質(zhì)量。下面我們簡(jiǎn)單介紹下臺(tái)式掃描電鏡在光伏電池中的相關(guān)應(yīng)用。

現(xiàn)在使用量最大的太陽能電能是晶體硅太陽能電池，主要包括多晶硅和單晶硅兩種太陽能電池，占比全球的裝機(jī)量的 90% 以上。制造硅基太陽能電池，往往采用 P 型硅片，其制備步驟如下：將切割和拋光后的硅片清洗，對(duì)硅表面腐蝕和制備絨面，擴(kuò)散 P 原子制備 PN 節(jié)，化學(xué)腐蝕并去除邊緣，在受光面制備減反射膜，利用絲網(wǎng)印刷和燒結(jié)工藝制備正面和背面電極，最后進(jìn)行電池檢測(cè)和分類。具體流程如下圖。

干凈未處理的硅表面對(duì)太陽光的反射率大于 35%，為了減少對(duì)光的反射，需要在硅片表面進(jìn)行處理結(jié)構(gòu)化處理。通常在硅片迎光面，利用化學(xué)腐蝕劑，形成粗糙絨面，從而使光反射率減低到 10% 以下，從而提高電池轉(zhuǎn)化效率。如下圖所示，分別為多晶硅和單晶硅的絨面結(jié)構(gòu)。其中多晶硅絨面表面呈“蜂窩”狀結(jié)構(gòu)，單晶硅絨面呈“金字塔”結(jié)構(gòu)。

為了減少硅片表面入射光反射率，除了硅片表面絨面化，還有一個(gè)有效方法是在電池受光面制備減反射膜。在絨面上在沉積一層減反射膜，可使硅表面光反射率降低 5% 下。目前在生產(chǎn)中普遍使用 SiNx 作為減反射膜，主要是因?yàn)?SiNx 膜不僅具有良好的減反射效果，還能起到很好的表面鈍化作用。如下圖所示，單晶硅太陽能電池絨面的減反射膜。

光伏電池生成的電流需要通過其表面的電極進(jìn)行收集和輸送。太陽能電池制造過程中，需要在硅片上印刷金屬漿料，用來制備電池接觸電極。燒結(jié)后，在電池表面形成正面電極和背面電極，從而起到收集和傳輸電流的作用。

光伏電極漿料通常由銀、鋁等導(dǎo)電金屬粉體組成。主要是因?yàn)檫@兩種金屬可以與硅形成歐姆接觸，接觸電阻小，接觸牢固且化學(xué)穩(wěn)定。

電鏡除了對(duì)太陽能電池形貌分析，也可以利用能譜對(duì)電池進(jìn)行元素分析。

能譜 Mapping 對(duì)銀電極與硅片截面進(jìn)行分析

針對(duì)電極粉末顆粒，可以利用顆粒軟件對(duì)樣品顆粒大小進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

顆粒系統(tǒng)軟件界面

統(tǒng)計(jì)柱狀圖

針對(duì)電池表面，可以利用 3D 粗糙度重構(gòu)，測(cè)試樣品表面，并測(cè)試粗糙度。

3D 粗糙度重構(gòu)軟件