Электрохимический способ обработки монокристаллических кремниевых пластин для солнечных батарей Российский патент 2021 года по МПК C30B33/10 C30B29/06 C25B1/33 

Изобретение относится к области высокотемпературной электрохимии и может быть использовано при изготовлении солнечных батарей из монокристаллических кремниевых пластин, изготовленных по методу Чохральского.

Энергетическая проблема сегодня является одной из самых актуальных для всего человечества. Традиционные источники, такие как нефть, газ и прочие ископаемые, постепенно теряют свою актуальность, становятся более дорогими и, конечно же, наносят огромный вред окружающей среде. Именно поэтому становятся популярными солнечные батареи, состоящие из фотоэлементов, преобразующих энергетический потенциал фотонов в электрическую энергию. Наиболее распространенным материалом для изготовления фотоэлементов является кристаллический кремний.

Самым эффективным видом элементов солнечных батарей являются панели из монокристаллического кремния, который изготавливают по методу Чохральского [1]. Монокристалл, полученный таким способом, разрезают на тонкие пластины и далее пластины подвергают механической шлифовке и полировке, после чего на одну из поверхностей наносят эпитаксиальным методом из газовой фазы [2] тонкий слой сверхчистого кремния. Сила электрического тока, который может генерировать солнечный элемент, изменяется пропорционально количеству захваченных его поверхностью фотонов. Этот показатель, в свою очередь, зависит от удельной площади и структуры поверхности фотоэлемента. Однако в настоящее время КПД солнечных батарей, включая батареи из кремниевых панелей, изготовленных по методу Чохральского, не превышает 15-20%. Поэтому остро стоит вопрос о повышении их эффективности.

Задачей изобретения является повышение КПД солнечных батарей, содержащих панели из монокристаллического кремния, изготовленные по методу Чохральского.

Для этого предложен электрохимический способ обработки кремниевых пластин для солнечных батарей, включающий катодную поляризацию кремниевой пластины, изготовленной по методу Чохральского, для этого кремниевую пластину помещают в расплав K₂WO₄ - Na₂WO₄ - WO₃ и подают на нее катодный потенциостатический импульс величиной от -920 до -1020 мВ относительно платинокислородного электрода сравнения.

В результате действия этого импульса морфология поверхности кремниевой пластины изменяется: на ней наблюдаются структуры в виде пирамид и пирамидальных ямок, а также увеличение удельной поверхности. Такая поверхность позволяет повысить фототок, протекающий через монокристаллическую кремниевую пластину, изготовленную по методу Чохральского, до пяти раз при сохранении геометрических размеров этой пластины.

Новый технический результат, достигаемый заявленным способом, заключается в повышении удельного фототока, протекающего через монокристаллическую кремниевую пластину, изготовленную по методу Чохральского, при сохранении ее геометрических размеров.

Изобретение иллюстрируется следующими рисунками, где на фиг. 1 приведена микрофотография исходной пластины коммерческого монокристаллического кремния; на фиг. 2 - микрофотография пластины монокристаллического кремния после электрохимической обработки в расплаве K₂WO₄ - Na₂WO₄ (1:1) - 50 мол. % WO₃, с предварительным прогревом пластины; на фиг. 3 - микрофотография пластины монокристаллического кремния после электрохимической обработки в расплаве K₂WO₄ - Na₂WO₄ (1:1) - 50 мол. % WO₃, без предварительного прогрева, на фиг. 4 - микрофотография пластины монокристаллического кремния после электрохимической обработки в расплаве K₂WO₄ - Na₂WO₄ (1:1) - 35 мол. % WO₃, без предварительного прогрева.

Экспериментальную проверку заявленного способа осуществляли следующим образом. Электрохимическую обработку исходной кремниевой пластины (Производитель ПАО «Сатурн», г. Краснодар, Россия), проводили в трехэлектродной ячейке с использованием импульсного потенциостатического режима. Анодом служила платиновая проволока, электродом сравнения - платиновая фольга площадью 1 см², полупогруженная в расплав, а катодом - обрабатываемая кремниевая пластина. Контейнером являлся платиновый тигель. Температуру процесса поддерживали постоянной, 700°С. Для проведения эксперимента электрохимическую ячейку помещали в шахтную печь, температуру в которой поддерживали с помощью терморегулятора «Варта ТП 703». Вблизи электродов (в электролите) температуру измеряли с помощью платина-платинородиевой термопары. Электроосаждение проводили с помощью потенциостата-гальваностата Autolab PGSTAT302N (Metrohm, Netherlands) с программным обеспечением Nova 1.9.

По окончании опыта катодный осадок отмывали в щелочном растворе (10 мас. % KOH) комнатной температуры, затем промывали дистиллированной водой и спиртом. Морфологию осадков изучали с помощью электронного микроскопа JSM-5900 LV (Jeol, Japan). Полную удельную поверхность измеряли с помощью многоточечного метода BET. Величину фототока, протекающего через пластину, прошедшую электрохимическую обработку вышеописанным образом, измеряли по трехэлектродной схеме, в 1М KNO₃ при помощи электрохимической станции ZiveLAB SP2. В качестве рабочего электрода использовали обработанную кремниевую пластинку, противоэлектрода - графитовый стержень, электрода сравнения - хлоридсеребряный электрод. Измерения проводили в режиме потенциостатической развертки потенциала в катодную область со скоростью 10 мВ/с. Источником света служила УФ лампа, электрической мощностью 25 Вт, длина волны 365 нм.

Пример 1.

Исходную монокристаллическую кремниевую пластину монокристаллического кремния не подвергали электрохимической обработке (фиг. 1). Установлено, что данная пластина обладает удельной поверхностью 5.2±0.6 м²/г. Удельный фототок, протекающий через эту пластину, то есть разность между током с источником света и без него, при потенциале -0.6 В относительно хлоридсеребряного электрода сравнения составляет 3 мкА/см².

Пример 2.

Электрохимическую обработку исходной монокристаллической кремниевой пластины осуществляли в трехэлектродной ячейке с использованием платиновых противоэлектрода и электрода сравнения. Для обработки использовали расплав, содержащий K₂WO₄ - Na₂WO₄ (1:1) - 50 мол. % WO₃, 700°С. Перед началом электрохимической обработки кремниевую пластину прогревали над расплавом в течение 5 мин. Затем ее погружали в расплав и подавали на нее катодный импульс напряжением -920 мВ в течение 15 с. На катоде формировались участки с четырехгранными пирамидками и участки с пирамидальными ямками (фиг. 2). Удельная поверхность обработанной кремниевой пластины при этом увеличивается и составляет 14.3±0.9 м²/г. Удельный фототок, протекающий через эту пластину при потенциале -0.6 В относительно хлоридсеребряного электрода сравнения, увеличивается до 17 мкА/см².

Пример 3.

Электрохимическую обработку исходной монокристаллической кремниевой пластины осуществляли в трехэлектродной ячейке с использованием платиновых противоэлектрода и электрода сравнения. Для обработки использовали расплав, содержащий K₂WO₄ - Na₂WO₄ (1:1) - 50 мол. % WO₃, 700°С. Кремниевую пластину погружали в расплав без предварительного прогрева и подавали на нее катодный импульс напряжением -920 мВ в течение 15 с. При этом на катоде формировались участки с четырехгранными пирамидками и участки с пирамидальными ямками (фиг. 3). Площадь удельной поверхности обработанной кремниевой пластины при этом составляет 6.3±0.6 м²/г. Удельный фототок, протекающий через эту пластину при потенциале -0.6 В относительно хлоридсеребряного электрода сравнения увеличивается до 15 мкА/см².

Пример 4.

Электрохимическую обработку исходной монокристаллической кремниевой пластины осуществляли в трехэлектродной ячейке с использованием платиновых противоэлектрода и электрода сравнения. Для обработки использовали расплав, содержащий K₂WO₄ - Na₂WO₄ (1:1) - 35 мол. % WO₃, 700°С. Кремниевую пластину погружали в расплав без предварительного прогрева и подавали на нее катодный импульс напряжением -1020 мВ в течение 15 с. При этом на катоде формировались восьмигранные пирамидки (фиг. 4). Площадь удельной поверхности кремниевой пластины при этом составляет 10.7±0.2 м²/г. Удельный фототок, протекающий через эту пластину при потенциале -0.6 В относительно хлоридсеребряного электрода сравнения, увеличивается до 18 мкА/см².

Таким образом, приведенные данные подтверждают, что модификация монокристаллических кремниевых пластин, изготовленных по методу Чохральского, с помощью электрохимических процедур в поливольфраматном расплаве, позволяет улучшить эксплуатационные характеристики кремния, применяемого в фотоэлементах.

Источники информации:

1. Бердников B.C., Панченко В.И. Некоторые характеристики смешанной конвекции в лабораторной модели метода Чохральского // Теплофизика кристаллизации веществ и материалов: Сб. науч. тр. Новосибирск. - 1987. - С. 5-15.

2. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. Изд. 2-е, исправленное и дополненное. Москва: Наука-Физматлит, 2007.

Изобретение относится к области высокотемпературной электрохимии и может быть использовано при изготовлении солнечных батарей из кремниевых пластин, изготовленных по методу Чохральского. Способ включает катодную поляризацию кремниевой пластины путем помещения кремниевой пластины в расплав K₂WO₄ – Na₂WO₄ – WO₃ и подачи на нее катодного потенциостатического импульса величиной от –920 до –1020 мВ относительно платинокислородного электрода сравнения. Модификация монокристаллических кремниевых пластин с помощью электрохимических процедур в поливольфраматном расплаве позволяет до пяти раз повысить удельный фототок, протекающий через пластину при сохранении ее геометрических размеров. 4 пр., 4 ил.

Электрохимический способ обработки монокристаллических кремниевых пластин для солнечных батарей, включающий катодную поляризацию кремниевой пластины, изготовленной по методу Чохральского, для этого кремниевую пластину помещают в расплав K₂WO₄ – Na₂WO₄ – WO₃ и подают на нее катодный потенциостатический импульс величиной от –920 до –1020 мВ относительно платинокислородного электрода сравнения.