基于驻波网格的陷光微结构离子泡加工理论和方法研究

太阳能利用关乎能源危机解决，而光电转化效率低已成为光伏技术发展的主要瓶颈。陷光微结构是光伏电池的"光吸收器'，主流工艺是以HF为核心的湿法加工，它存在自催化、过程不可控以及结构简单等问题，严重影响光吸收效率。该项目以多晶硅陷光微结构加工理论和方法为研究对象，在湿法工艺基础上，提出"驻波网格"控制离子、离子泡加工思想，优化湿法加工原理。通过施加两组正交超声波，建立平面驻波，形成由波节组成的网格，控制离子运动；通过声空化电效应和湿法加工固有特性，空化激发网格上离子，建立带电场离子泡；施加第三维垂直超声波，受加工过程中渐次出现的周期性结构非线性调制，产生倍周期分岔现象，形成混沌性网格，从而提高高级陷光微结构可制造性。创新点在于利用机械振动、物理驻波和声空化效应，把原本一个个杂乱无章的离子"网格"成一个个大小和运动可控的高能离子泡，把驻波图案映射成高吸收率的陷光微结构，建立网格化加工理论和方法。

当今世界，新能源技术利用露出锋芒，原油市场逐步步入探底时期，太阳能、岩页气、风电等开始重构能源市场。太阳能利用关乎世界能源安全和世界气候安全。在太阳能新能源技术中，多晶硅仍然占据主流，而光电转化效率低仍然是制约太阳能技术发展的主要瓶颈。提高多晶硅陷光微结构的光吸收率仍然是当前世界太阳能新能源技术研究的前沿热点。项目研究工作主要围绕两大核心问题展开，一是在主流工艺上提出"超声驻波网格"控制离子、离子泡加工思想，通过施加两组正交超声波，建立平面正交驻波，形成由波节波腹组成的网格，控制离子运动范围，把原本一个个杂乱无章的离子"网格"成一个个大小和运动可控的高能离子泡，克服它自身存在的自催化、离子运动过程不可控以及浓度分布不均匀等问题，优化以HF为核心的湿法加工原理，提高陷光微结构制造可控性和一致性；二是以多晶硅高级陷光微结构单元构建为研究对象，提出高性能微结构陷光机制、结构形式以及加工原理，在湿法工艺基础上，施加多频超声阵列，建立独特超声加工方法。研究成果主要体现在三大方面，一是利用超声振动、物理驻波和离子效应，把驻波图案映射成高吸收率的陷光微结构，多晶硅的光减反率显著改善，与单晶硅的水平一致，多晶硅实测减反率为10%，并建立离子逃逸概率模型；二是应用离子泡带电场控特性，在硅内部首次加工出2D圆弧形微结构和测定重要控制参数；三是研究提出微结构分形陷光机制并建立相应的分形超声阵列加工方法，在多晶硅表面形成新颖分形陷光微结构单元，光吸收率大幅增加，理论上减反率可进一步改善为6%。原创研究成果在于利用超声悬浮、阵列聚焦等技术提出封闭式加工方法，初步形成复合场超声动态聚焦内加工思想和新的课题组研究方向。研究试验成果已在与浙江东阳横店东磁集团太阳能事业部洽谈开展实验室验证和工艺可行性试验。研究期间，共发表期刊论文和会议论文18篇，其中国际刊物6篇、国内一级期刊4篇，数学期刊2篇，SCI、EI收录总计7篇，完成研究论文预期成果；申报发明专利10项，其中已授权发明专利1项、发明专利公开3项，新型实用专利授权2项，专利完成远远超出预期。参加国际学术会议6次，其中到美国洛杉矶、休斯敦各1次，与英国、韩国等专家各交流探讨1次。课题组新获得相关研究项目4项。总体按计划开展核心内容研究，取得预期成果，为新的研究目标奠定了新的基础。