STRESZCZENIE
Podstawowym celem badań i rozwoju fotowoltaiki jest zwiększenie sprawności ogniw słonecznych. Straty spowodowane odbiciem promieniowania słonecznego od przedniej powierzchni ogniw sprawiają, że na świecie prowadzi się intensywne badania nad jego zmniejszeniem. Przypadkowy rozkład orientacji krystalograficznej ziaren w krzemie polikry-stalicznym powoduje trudności w wytworzeniu jednorodnej tekstury na całej jego po-wierzchni, a zastosowanie techniki laserowej jest jedną z najbardziej obiecujących metod teksturowania powierzchni krzemu polikrystalicznego.
1. WPROWADZENIE
Przetwarzanie promieniowania słonecznego na energię elektryczną zależy od sze-regu czynników, które ograniczają wydajność ogniw słonecznych. Do jednych z najistotniejszych mechanizmów ograniczających sprawność konwersji fotowoltaicznej należą straty związane ze współczynnikiem odbicia światła. Część padającego promieniowa-nia zostaje stracona wskutek odbicia przez przednią powierzchnię ogniwa słonecznego. Jest to spowodowane różnicą współczynników załamania światła w powietrzu i półprzewodniku.
Straty związane z odbiciem padającego promieniowania można znacznie zredukować przez zastosowanie warstwy przeciwodbiciowej i teksturowanie powierzchni ogniwa fotowoltaicz-nego, które umożliwia ponowną absorpcję promieniowania odbitego [1,2].
Laserowe techniki należą do jednych z najbardziej obiecujących i efektywnych dla zapewnienia rozwoju w wielu gałęziach przemysłu. Cechy obróbki laserowej takie jak bez-kontaktowość, selektywność oraz możliwość pełnej automatyzacji, pozwalają na precyzyjną obróbkę wybranych fragmentów podłoża, przy dokładnie regulowanej głębokości i szerokości [3,4]. W niniejszej pracy rozszerzono zastosowanie laserowej obróbki powierzchniowej
170 A. Drygała o wyniki laserowego teksturowania powierzchni krzemu dla zastosowań fotowoltaicznych – priorytetowego kierunku w dobie globalnego zanieczyszczenia środowiska naturalnego i wyczerpujących się zasobów konwencjonalnych źródeł energii.
2. METODYKA BADAŃ
Badania wykonano na płytkach z krzemu polikrystalicznego domieszkowanego borem o powierzchni 50 x 50 mm, grubości ~330 µm. Laserowe teksturowanie powierzchni krzemu zrealizowano przy użyciu systemu laserowego Allprint DN 50A, w którym źródłem promieniowania jest laser ze stałym ośrodkiem czynnym - kryształem granatu itrowo-aluminiowego domieszkowanego jonami neodymu (Nd:YAG). Wykonano laserową teksturą odpowiadającą siatce rowków z odstępami między nimi 90 µm i prędkością skanowania wiązki laserowej 80 mm/s.
Badanie topografii powierzchni krzemu po obróbce laserowej wykonano w skaningowym mikroskopie elektronowym ZEISS SUPRA 25. Badania metalograficzne tekstur i rowków wykonano na mikroskopie świetlnym LEICA MEF4A wyposażonym w komputerowy system analizy obrazu.
3. WYNIKI BADAŃ
W celu wykonania laserowego teksturowania powierzchni krzemu w pierwszej kolejności dokonano doboru warunków obróbki laserowej. Obróbka laserowa w trybie pracy ciągłej sprawia, że moc wyjściowa lasera jest zbyt mała, by zagwarantować efek-tywne kształtowanie powierzchni krzemu. Dla tego trybu pracy stwierdzono jedynie nie-wielkie zmiany powierzchni poddanej obróbce. Z tego względu dalsze badania wykony-wano w trybie pracy pulsacyjnej.
a) b)
Rys. 1. Ścieżka laserowa wykonana z prędkością skanowania wiązki laserowej 80 mm/s a) mikroskop świetlny b) SEM
Fig. 1. Laser groove obtained for speed of laser beam 80 mm/s a) light microscope b) SEM
Teksturowanie powierzchni krzemu... 171 Wyniki badań topografii
po-wierzchni wykazują występowanie zagłę-bienia usytuowanego wzdłuż osi oddziały-wania wiązki laserowej oraz wypływek położonych symetrycznie
wzdłuż obu brzegów rowka (rys. 1). Wysokość wypływki zwiększa się wraz ze zmniejszeniem prędkości skano-wania wiązki laserowej. Ciepło przekazy-wane do materiału przez impuls laserowy podczas mikroobróbki powoduje powsta-wanie tzw. strefy oddziaływania cieplnego (z ang. HAZ - Heat Affected Zone) (rys. 2).
Na całej laserowo teksturowanej powierzchni znajduje się warstwa uszko-dzonego materiału powstała w wyniku kondensacji fazy ciekło-gazowej występu-jącej w trakcie obróbki laserowej (rys. 3).
Rys. 3. Topografia laserowo teksturowanej powierzchni krzemu polikrystalicznego (SEM)
Fig. 3. Topography of laser textured surface of polycrystalline silicon (SEM)
Część stopionego materiału ulega ponownej krystalizacji w postaci kropel o różnych rozmiarach umiejscowionych wewnątrz rowków, w wypływkach i obszarach
Rys. 2. Przekrój poprzeczny rowka wykonanego z prędkością skanowania wiązki laserowej 50 mm/s przy średnicy
przysłony 1,1 mm,
Fig. 2. Cross-section of groove obtained by speed of laser beam v=50mm/s, diameter of
the aperture 1,1 mm
172 A. Drygała między rowkami. W przypadku tekstury odpowiadającej głębokim rowkom występuje ich wtórne zalanie przez roztopiony i niecałkowicie odparowany materiał.
4. WNIOSKI
W ramach niniejszej pracy zbadano możliwość zastosowania obróbki laserowej do teksturowania powierzchni krzemu polikrystalicznego. Wytworzone zagłębienia są wtórnie zalewane stopionym i nie w pełni odparowanym materiałem. Obszary między wypływkami sąsiednich rowków są pokryte zakrzepłym materiałem, który został wyrzucony z zagłębienia oraz osadzonymi z fazy gazowej produktami wydobywającymi się podczas odparowania materiału na zewnątrz rowka. Uszkodzenia występujące w warstwie wierzch-niej krzemu w postaci mikropęknięć i mikroszczelin spowodowane są naprężeniami ciepl-nymi związaciepl-nymi ze zbyt dużą szybkością nagrzewania i chłodzenia podczas obróbki lase-rowej. Laserowa obróbka powierzchni krzemu stanowi ciekawą alternatywę w porównaniu z chemicznymi i elektrochemicznymi metodami teksturowania stwarzając możliwość pre-cyzyjnej obróbki jednak znajdujące się na powierzchni uszkodzenia wytworzone w wyniku obróbki muszą być usunięte w celu otrzymania dobrych własności elektrycznych ogniw fotowoltaicznych, co można osiągać przez chemiczne trawienie.
5. PODZIĘKOWANIA
Praca częściowo realizowana jest w ramach projektu NN 508 444 136 finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki. Autor pragnie podziękować firmie Printy Poland, a w szczególności Panu Prezesowi J. Kurzacowi za możliwość wykonania obróbki laserowej.
6. LITERATURA
[1] Goetzberger A., Hoffmann V.U., Photovoltaic solar energy generation, Springer, Berlin, 2005.
[2] Li, M. Chong, L. Yang, J. Xu, X. Duan, M. Gao, F. Wang, A new technique for boosting efficiency of silicon solar cells, Solar Energy Materials and Solar Cells, 86(4) (2005) 585-591.
[3] M. Allmen, A. Blatter, “Laser-beam interactions with materials: physical principles and applications”, Springer Verlag, Berlin, 1998.
[4] Dobrzański L.A., Drygała A., Gołombek K., Panek P., Bielańska E., Zięba P., Laser surface treatment of multicrystalline silicon for enhancing optical properties, Journal of Materials Processing Technology, 201(1-3) (2008) 291-296.
TEXTURING OF POLYCRYSTALLINE SILICON SURFACE USING Nd:YAG LASER
SUMMARY
The present study investigated the possibility of laser treatment for surface texturing of polycrystalline silicon. Laser surface treatment of silicon is an interesting alternative in comparison with the chemical and electrochemical methods texturing, making it possible precision machining on the surface however damages caused by the treatment must be removed in order to obtain good electrical properties of photovoltaic cells, which can be achieved by chemical etching.
ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI RZESZOWSKIEJ Nr 283 Budownictwo i Inżynieria Środowiska z. 59 (2/2012/II) 2012
Iwona DUDZIK, dr
Państwowa Wyższa Szkoła Techniczno-Ekonomiczna Zakład Nauk Społecznych
ul. Czarnieckiego 16, 37-500 Jarosław e-mail: iwona.dudzik@op.pl