Optymalizacja procesu chemicznego trawienia wspomaganego palladem stosowanego w krzemowych ogniwach słonecznych.

Drukuj

Jakub Cichoszewski

Streszczenie

Poni┼╝sza praca przedstawia trawienie krzemu krystalicznego w roztworach kwasowych┬áHF/HNO 3 ze wspomaganiem katalizatora metalicznego. Trawienie chemiczne z┬áwykorzystaniem cz─ůstek metalu (MAE-metal assisted etching) jest zastosowane jako prosta i┬áskuteczna metoda teksturyzacji (strukturyzacji) krzemowych ogniw s┼éonecznych. Nanocz─ůstki┬ápalladu nanoszone na powierzchni─Ö krzemu metod─ů bezpr─ůdow─ů pe┼énia funkcje katalizatora┬ápodczas trawienia w roztworze kwas├│w HF/HNO 3 . W metodzie tej warstwa lub cz─ůstki┬ászlachetnego metalu generuja lokalnie pr─ůd dziurowy, zastepuj─ůc w ten spos├│b zewn─Ötrznie┬áprzyk┼éadane napi─Öcie. W efekcie trawienie MAE ┼é─ůczy zalety chemicznego trawienia┬ákwasowego oraz trawienia elektrochemicznego z zewn─Ötrznie przyk┼éadanym napi─Öciem.┬áPowierzchnia krzemu teksturyzowana metod─ů MAE charakteryzuje si─Ö znacznie obni┼╝onym┬áodbiciem ┼Ťwiat┼éa, co w efekcie prowadzi do wzrostu sprawno┼Ťci konwersji energii w ogniwie s┼éoneczym. Powy┼╝szy proces teksturyzacji dzia┼éa zar├│wno na krzemie bez warstwy┬ázdefektowanej procesem ci─Öcia (saw-damage free Si) jak i na ka┼╝dej orientacji┬ákrystalograficznej krzemu. Dzieki powy┼╝szym zaletom, metoda MAE idealnie nadaje sie do┬áteksturyzacji niestandardowych p┼éytek krzemowych takich jak np. Folie String Ribbon.┬áPoni┼╝sza praca analizuje wszystkie istotne parametry teksturyzacji kwasowej ze┬áwspomaganiem katalizatora metalicznego. Dodatkowo, analizowany jest wp┼éyw morfologii┬ápowierzchni uzyskanej metoda MAE na sprawno┼Ť─ç ogniw s┼éonecznych wytworzonych na┬ákrzemie String Ribbon. W ko┼äcowej fazie proces MAE zosta┼é rozszerzony do skali┬áprzemys┼éowej (scale-up) i wdro┼╝ony do produkcji w firmie Sovello GmbH. Po raz pierwszy w┬áhistorii proces teksturyzacji z katalizatorem metalicznym zosta┼é wdro┼╝ony do produkcji.┬á

Pierwsza cz─Ö┼Ť─ç pracy analizuje parametry nanoszenia palladu na powierzchni─Ö krzemu z┬áwodnego roztworu chlorku palladu. Koncentracja chlorku palladu PdCl 2 zosta┼éa przebadana┬áw szerokim zakresie dla roztwor├│w z i bez dodatku kwasu HF. Dodatkowo, kinetyka i┬átermodynamika procesu nanoszenia zosta┼éy przeanalizowane poprzez zmian─Ö czasu i┬átemperatury nanoszenia. Najwi─Ökszy wp┼éyw na nanoszenie palladu ma temperatura┬ánanoszenia, a w drugiej kolejno┼Ťci koncentracja chlorku palladu w roztworze. Ostatni┬áanalizowany parametr, czas nanoszenia ma tylko umiarkowany wp┼éyw na proces nanoszenia┬áchlorku palladu. Co ciekawe, wzrost ┼Ťrednicy klastr├│w palladu jest wi─Ökszy ni┼╝ wzrost┬ákoncentracji klastr├│w. Potwierdza to post─Öpuj─ůcy proces nukleacji, gdzie jony palladu┬ápreferuj─ů depozycje na ju┼╝ istniej─ůcych cz─ůstkach metalu. Poni┼╝sza praca po raz pierwszy┬ápokazuje, ┼╝e koncentracja katalizatora na powierzchni krzemu jest kluczowym parametrem┬ádeterminujacym proces trawienia. Zar├│wno pr─Ödko┼Ť─ç trawienia, mechanizm trawienia jak i┬áko┼äcow─ů morfologi─ů trawionej powierzchni s─ů funkcj─ů koncentracji katalizatora, niezale┼╝nie┬áod sk┼éadu roztworu trawi─ůcego. Wraz ze wzrostem koncentracji palladu, trawiona┬ápowierzchnia krzemu zmienia si─Ö z makrostruktury poprzez makro- i nano-porowat─ů a┼╝ do┬ápolerowanej. Zastosowany teoretyczny model trawienia elektrochemicznego t┼éumaczy┬ápowy┼╝sze zjawisko znajdujac zale┼╝no┼Ť─ç mi─Ödzy koncentracj─ů palladu a g─Östo┼Ťci─ů pr─ůdu w┬áprocesie trawienia elektrochemicznego.

W nast─Öpnej cz─Ö┼Ťci trawienie z katalizatorem metalicznym zostaje zastosowane do┬áteksturyzacji krzemowych ogniw s┼éonecznych. Ogniwa s┼éoneczne z folii krzemowych String┬áRibbon dzi─Öki teksturze MAE maj─ů sprawno┼Ť─ç konwersji energii o ╬ö╬Ě=+0.6% abs wy┼╝sz─ů ni┼╝┬áreferencyjne ogniwa bez teksturyzacji. Wzrost sprawno┼Ťci spowodowany jest g┼é├│wnie┬áwzrostem g─Östo┼Ťci pr─ůdu zwarciowego o ╬öJ sc = +1.2 mA/cm 2 w por├│wnaniu z ogniwem bez┬átekstury. Napi─Öcie obwodu otwartego V oc ogniw z tekstur─ů MAE jest tylko nieznacznie ni┼╝sze┬áni┼╝ ogniw bez tekstury, co wskazuje ┼╝e pallad zastosowany w procesie nie wp┼éywa w┬ánegatywny spos├│b na czas ┼╝ycia no┼Ťnik├│w w krzemie. Polepszenie w┼éasno┼Ťci┬áantyrefleksyjnych dzi─Öki teksturze MAE nast─Öpuje nie tylko na poziomie ogniwa s┼éonecznego┬áale r├│wnie┼╝ gotowego modu┼éu s┼éonecznego. Tutaj obserwowalny jest dodatkowy wzrost┬ág─Östo┼Ťci pr─ůdu zwarciowego o ╬öJ sc = +0.3 mA/cm 2 w por├│waniu z modu┼éem bez tekstury. Wefekcie sprawno┼Ť─ç konwersji energii modu┼é PV z tekstur─ů wzrasta dodatkowo o ╬ö╬Ě =┬á+0.1% abs .

W ko┼äcowej fazie tej pracy tekstura MAE zosta┼éa po raz pierwszy w historii wdro┼╝ona do┬áprodukcji w skali przemys┼éowej. Tekstura MAE zosta┼éa zaimplementowana na foliach┬ákrzemowych String Ribbon w firmie Sovello GmbH. Podczas wst─Öpnych test├│w najwy┼╝sza┬ásprawno┼Ť─ç zosta┼éa uzyskana dla roztworu trawi─ůcego o sk┼éadzie C HF = 6.5%, C HNO3 = 38.5% i┬ározcienczeniu C H2O = 55%. Nast─Öpnie wszystkie etapy produkcji ogniwa s┼éonecznego zosta┼éy┬ádostosowane do nowej, teksturyzowanej powierzchni ogniwa. W efekcie mediana g─Östo┼Ť─ç┬ápr─ůdu zwarciowego jest o ╬öJ sc = +0.9 mA/cm 2 wy┼╝sza w por├│wnaniu z ogniwem bez tekstury┬ái prowadzi do wzrostu sprawno┼Ťci o ╬ö╬Ě = +0.4% abs .

Download

Streszczenie (PDF)
Recenzja prof. dr hab. J. Weszki Prof. nzw PAN (PDF)
Recenzja prof. dr hab. J. Cisowskiego (PDF)