介紹

聚萘甲醛磺酸鈉鹽（Sodium poly [(naphthaleneformaldehyde) sulfonate], Na-PNFS）作為新型堿性制絨添加劑，具有分子中的磺酸基團(tuán)與硅晶面的強(qiáng)吸附作用，可選擇性保護(hù) (111) 晶面，強(qiáng)化堿腐蝕的各向異性，同時(shí)兼具表面活性劑與分散劑的協(xié)同功能，顯著提升硅片表面金字塔的分布均勻性。它的外觀為淺棕色粉末，化學(xué)式為(C11H7O4SNa)n，它是一類陰離子型高分子縮聚物，分子主鏈為萘環(huán)與亞甲基連接的疏水骨架，側(cè)鏈帶有強(qiáng)親水的磺酸基團(tuán)，傳統(tǒng)上用作混凝土減水劑、染料分散劑。將其引入晶硅制絨體系后，可通過磺酸基團(tuán)與硅表面的特異性吸附調(diào)控晶面腐蝕速率。

圖一 聚萘甲醛磺酸鈉鹽

制絨作用機(jī)制

單晶硅具有金剛石型立方晶系結(jié)構(gòu)，不同晶面的原子排布與懸掛鍵密度存在顯著差異：(100) 晶面每個(gè)硅原子帶有 2 個(gè)懸掛鍵，(111) 晶面每個(gè)硅原子僅帶有 1 個(gè)懸掛鍵。在堿性水溶液中，羥基通過進(jìn)攻硅的懸掛鍵發(fā)生腐蝕反應(yīng)，總反應(yīng)式為：

圖二 腐蝕反應(yīng)式

聚萘甲醛磺酸鈉鹽調(diào)控腐蝕的核心機(jī)制在于分子中磺酸基團(tuán)與硅晶面的強(qiáng)吸附作用。理論計(jì)算表明，磺酸基團(tuán)與硅 (111) 晶面的吸附能為 - 6.08 eV，與 (100) 晶面的吸附能為 - 7.61 eV，均顯著高于羥基與硅晶面的吸附能（(111) 面 - 5.29 eV，(100) 面 - 5.34 eV）。吸附能越低則結(jié)合越穩(wěn)定，因此磺酸基團(tuán)會(huì)優(yōu)先占據(jù)硅表面的懸掛鍵，阻止羥基對(duì)硅原子的進(jìn)攻，從而減緩腐蝕速率。由于(111)晶面懸掛鍵密度低，磺酸基團(tuán)可占據(jù)其絕大多數(shù)懸掛鍵，大幅降低該晶面的腐蝕速率；而 (100) 晶面懸掛鍵數(shù)量多，磺酸基團(tuán)無法完全覆蓋，剩余懸掛鍵仍可與羥基反應(yīng)發(fā)生腐蝕。這種差異化吸附進(jìn)一步放大了兩個(gè)晶面的腐蝕速率差，強(qiáng)化了腐蝕各向異性，能夠在更低的硅片減重下快速形成致密、完整的金字塔織構(gòu)，減少硅料損耗。

表面活性與分散協(xié)同效應(yīng)

除了晶面吸附作用外，聚萘甲醛磺酸鈉鹽本身兼具高效表面活性劑與分散劑的功能。分子中的萘環(huán)疏水鏈與磺酸親水基團(tuán)構(gòu)成典型的兩親結(jié)構(gòu)，可顯著降低堿溶液的表面張力，使腐蝕反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣氣泡更容易破碎并脫離硅片表面，避免氣泡附著造成的局部腐蝕不均，消除表面花斑與色差。同時(shí)，作為高分子分散劑，Na-PNFS 可使制絨液中的各組分均勻分散，保證溶液體系濃度均一，使硅片不同區(qū)域的腐蝕速率保持一致，從宏觀層面提升整片硅片的織構(gòu)均勻性。

對(duì)制絨形貌與光學(xué)性能的調(diào)控

通過掃描電子顯微鏡對(duì)不同 Na-PNFS 添加量的制絨表面進(jìn)行表征，可直觀觀察到形貌的演化規(guī)律：空白組（0 wt% Na-PNFS）表面存在大量孤立的大尺寸金字塔，同時(shí)分布著多處無金字塔覆蓋的平坦區(qū)域，金字塔疏密不均、尺寸差異大；添加 0.1 wt% Na-PNFS 后，孤立大金字塔與平面區(qū)域顯著減少，金字塔密度明顯提升；當(dāng)添加量達(dá)到 0.5 wt% 時(shí)，硅片表面完全被尺寸均一的致密金字塔覆蓋，無明顯平面區(qū)域與超大金字塔，形貌均勻性得到根本性改善。聚萘甲醛磺酸鈉鹽的加入增加了有效成核位點(diǎn)，使金字塔能夠在整個(gè)硅片表面同步生長，避免了局部優(yōu)先生長形成大金字塔的現(xiàn)象，最終實(shí)現(xiàn)全表面的均勻覆蓋。

圖二 電鏡圖

表面反射率的提升與均勻性

對(duì)半片 M12 尺寸硅片的 12 個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)平均反射率測試，空白組平均反射率為 12.33%，各點(diǎn)反射率差異顯著，方差高達(dá) 0.663；0.1 wt% 聚萘甲醛磺酸鈉鹽添加組平均反射率降至 11.43%，方差減小至 0.014；0.5 wt% 添加組平均反射率進(jìn)一步降至 10.84%，12 個(gè)測試點(diǎn)的反射率方差僅為 0.006，較空白組降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。反射率的降低得益于致密金字塔結(jié)構(gòu)的多次反射減反效應(yīng)，而方差的大幅下降則直接證明了 Na-PNFS 對(duì)織構(gòu)面內(nèi)均勻性的顯著提升。從全波段反射曲線來看，0.5 wt% 組在 400~900 nm 的主波段范圍內(nèi)反射率均全面優(yōu)于空白組，在 400~700 nm 的短波區(qū)域優(yōu)勢尤為明顯，這是因?yàn)榫鶆虻男〕叽缃鹱炙?duì)短波光子的捕獲能力更強(qiáng)。

圖三 表面反射率

對(duì)電池光電性能的提升

HJT 電池的光電性能

采用標(biāo)準(zhǔn) HJT 工藝制備電池片，測試結(jié)果顯示，隨著聚萘甲醛磺酸鈉鹽添加量增加，電池的開路電壓（Voc）、填充因子（FF）與轉(zhuǎn)換效率（PCE）均呈顯著上升趨勢。0.5 wt% Na-PNFS 組的最優(yōu)電池性能達(dá)到：Voc 743 mV，短路電流密度（Jsc）39.73 mA/cm2，F(xiàn)F 86.42%，PCE 25.53%，較空白組（22.72%）絕對(duì)提升 2.8 個(gè)百分點(diǎn)。性能提升的來源可分為三方面：一是均勻織構(gòu)降低了表面反射率，提升了光吸收，帶來更高的Jsc；二是優(yōu)異的界面鈍化降低了載流子復(fù)合，顯著提升了Voc；三是均勻的表面形貌改善了后續(xù)薄膜與電極的接觸均勻性，大幅提升了 FF。電池參數(shù)的良率與均勻性得到顯著改善?？瞻捉M存在多片效率極低的失效電池，參數(shù)離散性大；而 0.5 wt% 組電池參數(shù)分布集中，良率大幅提升，這對(duì)大規(guī)模量產(chǎn)具有重要的實(shí)際價(jià)值。量子效率（QE）測試與電致發(fā)光（EL）成像表明均勻制絨的電池在寬波段內(nèi)量子效率更高，EL 圖像均勻無暗斑，內(nèi)部缺陷極少[1]。

參考文獻(xiàn)

[1]Li X ,Gao Z ,Li X , et al.Improving the pyramid uniformity on the texture of silicon HJT solar cells by sodium poly[(naphthaleneformaldehyde)sulfonate][J].Solar Energy Materials and Solar Cells,2026,304114424-114424.DOI:10.1016/J.SOLMAT.2026.114424.