得益于晶硅原料成本的大幅下降以及規模化效應，晶硅太陽能電池是目前光伏產業中居于絕對主導地位的產品，并在未來相當長時間內保持這種局面。硅片表面制絨是制造晶硅電池的第一道工藝，又稱“表面織構化”，是電池制造的一個核心環節。良好的絨面結構不僅可以降低太陽光反射率，增加光的吸收，而且可以提高表面鈍化以及電極接觸等特性，從而提高載流子的收集效率，因此，制絨工藝的創新研究一直是晶硅太陽能電池的焦點課題。在目前的制造工藝中，單晶或準單晶硅片的通用制絨工藝采用堿液金字塔刻蝕法，硅表面形成隨機金字塔結構，可對太陽光進行兩次反射，一般反射率在10%左右。而具有倒金字塔形狀的凹坑結構是更為理想的絨面，因為太陽光在倒金字塔絨面上會經歷三次反射，比金字塔絨面多吸收一次，反射率可降至5%左右，從而提高電池效率，因此廉價并可產業化的倒金字塔制絨工藝成為一個研發熱點，近二十年來科研人員嘗試了許多方案，可時至今日仍然沒有大的進展，成了一個公認的國際難題。

中國科學院物理研究所清潔能源實驗室研究員杜小龍研究組經過5年多的攻關研究，終于利用納米金屬顆粒催化化學刻蝕這一新工藝在晶硅倒金字塔制絨上取得了重大進展。劉堯平、梅增霞、王燕、楊麗霞、梁會力以及杜小龍等巧妙地利用單晶硅表面上銅納米顆粒的各向異性沉積特性，在酸溶液中實現了銅催化各向異性刻蝕，獲得了大面積均勻的致密的倒金字塔絨面（圖1）。所制備的156 x 156 mm2工業用單晶硅倒金字塔制絨片具有大面積均勻、倒金字塔尺寸可調等特點，其反射率為5%左右，其優越的陷光性能得到了驗證（圖2）。該新工藝采用廉價的銅化合物和酸溶液作為銅催化劑和刻蝕液的原料，同時其制絨溫度僅為50℃，比現在通用的金字塔堿制絨的溫度低了30℃，并且刻蝕時間也從30分鐘縮短為10分鐘左右，這極大地降低了制絨能耗、刻蝕液成本及時間成本。由于跟現有產線兼容，該原創性倒金字塔制絨工藝有望成為一種新型的通用制絨工藝，可應用于各種單晶硅太陽能電池的大規模制造中。相關倒金字塔制絨技術已經申請專利兩項，其中一項已授權，另一項已進入PCT國際專利（美、日、歐、印等）階段。無模板法倒金字塔制絨的機理研究論文已于近日發表【Scientific Reports 5 (2015) 10843】。該團隊進一步開展了倒金字塔晶硅太陽能電池研制工作，電池的光電轉換效率已經高于常規金字塔制絨電池。倒金字塔底部圓滑，有利于銀電極均勻覆蓋絨面，接觸電阻有了明顯下降，展示了倒金字塔絨面同時在光的吸收和載流子收集兩方面上的優越性。這些工作為晶硅倒金字塔制絨從基礎研究邁向重大產業化應用打下了堅實基礎。

該團隊還在多晶硅/單晶硅納米制絨方面取得了多項成果，采用金屬銀顆粒催化化學刻蝕方法，在酸性刻蝕液中開發出大面積均勻的多晶硅片納米制絨工藝，其反射率低至2%，呈典型的黑硅形貌【Small 8 (2012)1392】，同時率先開發出硅納米結構的低溫臭氧鈍化工藝，并與選擇性發射極工藝結合，制備了選擇性納米發射極黑硅太陽能電池，實現了多晶黑硅電池效率的大幅提升【RSC Advances 3( 2013) 15483; 4(2014) 24458】，并獲得了較為完備的黑硅電池專利技術體系。由于硅片的切割工藝正逐漸由鋼絲向金剛線過渡，而經金剛線工藝切割所得硅片表面光滑，起絨點減少，傳統工藝無法在多晶硅上實現高性能制絨，而金屬催化化學刻蝕工藝不受硅片表面形貌影響，因此有望成為多晶硅電池產業的制絨新工藝。

上述工作是與南京日托光伏公司張鳳鳴團隊、中科院電工研究所研究員王文靜團隊以及挪威奧斯陸大學教授庫茲涅佐夫·安德烈團隊合作完成的。上述工作獲得了國家自然科學基金及中國科學院的支持。


圖1：金屬銅納米顆粒催化化學刻蝕法制備大面積均勻倒金字塔絨面結構。（a）浸泡在刻蝕液中的156 x 156 mm2工業用單晶硅片（上）及表面低倍電鏡照片（下）；（b）致密的倒金字塔陣列（上）及目前通用的金字塔陣列（下）電鏡照片；（c）單個倒金字塔俯視（上）及截面（下）照片，圓滑的底部有利于電極的均勻覆蓋和良好歐姆接觸的形成。


圖2：未制絨硅、金字塔絨面及刻蝕不同時間的倒金字塔絨面的反射率對比。小圖顯示了太陽光分別在金字塔絨面及倒金字塔絨面的2次和3次反射過程。金字塔絨面的反射率在10%左右，而倒金字塔絨面可低至5%。