臺式電鏡在太陽能電池中的應用

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）。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，在內(nèi)建電場作用下，電子在返回基態(tài)前會與空穴分離，進入導帶，在 PN 結(jié)的兩端形成電勢差，這種現(xiàn)場稱為光伏效應。

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，已成為發(fā)展快的可再生能源。且隨著“碳達峰”和“碳中和”的提出，中央到地方相繼出臺多項有關(guān)光伏發(fā)電相關(guān)政策。在光伏市場方面，2021 年全國新增光伏裝機容量 54.88GW，同比上升 13.9%。累計并網(wǎng)裝機容量達到 308GW。全年光伏發(fā)電量為 3259 億千瓦時，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。下面我們簡單介紹下臺式掃描電鏡在光伏電池中的相關(guān)應用。

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，對硅表面腐蝕和制備絨面，擴散 P 原子制備 PN 節(jié)，化學腐蝕并去除邊緣，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，最后進行電池檢測和分類。具體流程如下圖。

干凈未處理的硅表面對太陽光的反射率大于 35%，為了減少對光的反射，需要在硅片表面進行處理結(jié)構(gòu)化處理。通常在硅片迎光面，利用化學腐蝕劑，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，主要是因為 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、鋁等導電金屬粉體組成。主要是因為這兩種金屬可以與硅形成歐姆接觸，接觸電阻小，接觸牢固且化學穩(wěn)定。

電鏡除了對太陽能電池形貌分析，也可以利用能譜對電池進行元素分析。

能譜 Mapping 對銀電極與硅片截面進行分析

針對電極粉末顆粒，可以利用顆粒軟件對樣品顆粒大小進行統(tǒng)計分析。

顆粒系統(tǒng)軟件界面

統(tǒng)計柱狀圖

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

3D 粗糙度重構(gòu)軟件