CN102185032B - 一种单晶硅太阳能电池绒面的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单晶硅太阳能电池绒面的制备方法，包括如下步骤：(1)硅片的清洗；(2)将清洗好的硅片放入双频容性耦合等离子体设备中进行刻蚀，得到纳米柱状的绒面结构；(3)冷却，取出硅片；所述步骤(2)中，刻蚀气体为C2F6和Ar2的混合气体，流量分别为5~10sccm和0.4~0.5sccm；本底真空为2~3×10-3Pa；工作气压为20~30Pa；高频频率和功率为60MHz，300w，低频频率和功率为2MHz，250w，刻蚀时间为10~15min。本发明得到了呈纳米柱状结构的单晶硅太阳能电池绒面结构，该绒面结构可以将光线反射损失低于9%，具有意想不到的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池绒面的制备方法，具体涉及一种单晶硅太阳能电池绒面的制备方法。
背景技术
能源缺乏、全球气候变暖以及环境污染的日益严重，促进了可再生能源的快速发展，而太阳能具有清洁、无污染，取之不尽用之不竭等突出优点，成为未来理想能源之一。目前太阳能电池中占主要地位的是单晶硅和多晶硅太阳能电池。
在太阳能电池的研究中，优化电池的结构，提高其转换效率一直是人们研究的热点。表面织构化（制作绒面）是提高电池转换效率的重要手段。经过抛光的硅片，表面对阳光的反射率超过30%，如果不对表面进行处理，损失将很严重。而经过织构处理后，表面变得粗糙，光线可在表面经历多次反射，将光线反射损失减小到10%左右，从而增加了光的吸收率，提高了电池的效率。
传统的太阳能电池绒面结构主要是金字塔结构，其能较好的降低硅片的反射率，因而得到了广泛应用。该太阳能电池绒面的制备方法是湿化学腐蚀技术，主要有酸性溶液和碱性溶液两种基本的腐蚀体系。该方法具有低成本、高可靠性、高产能及优越的刻蚀选择比等优点，但仍然存在以下缺点：1）需大量使用较高成本的反应溶液及去离子水；2）湿法腐蚀剥蚀硅的厚度一般达到微米量级，不适合在薄膜电池中使用；3）化学药品处理时操作人员面临很大的安全问题；4）气泡形成及化学腐蚀液无法完全与晶圆表面接触所造成的不完全及不均匀的腐蚀；5）会产生大量的废气及潜在的爆炸性。
目前，出现了新的太阳能电池绒面结构，如文献Silicon nanowire solar cells, Appl.Phys.Lett.91,233117(2007)公开了一种太阳能电池柱状绒面结构，该柱体的平均直径在纳米量级，分布均匀且垂直于Si片表面，形成纳米柱状结构，使光线反射损失减小了一到两个数量级。其制备方法是vapour-liquid-solid(VLS)生长法，该制备方法步骤繁多，操作复杂，且危险性较高。
另一方面，等离子体刻蚀技术已经得到了广泛应用，其工作原理是采用高频辉光放电反应，使反应气体激活为活性粒子，如原子或游离基，这些活性离子扩散到需要刻蚀的部位，与被刻蚀材料进行反应，形成挥发性生成物而被去除，从而达到刻蚀的目的。等离子刻蚀的优点是：横向腐蚀小、钻蚀小，无化学废液，分辨率高，操作安全、简便，处理过程未引入污染，易于实现自动化，表面损伤小等。双频容性耦合等离子体（Dual-frequency Capacitively Coupled Plasma, DF-CCP）是通过分别施加在上、下两个极板上的高、低射频功率源共同激发产生的，其中高频源主要用来控制等离子体的密度，低频源则主要是用来控制离子在鞘层中的运动特征，也就是说，低频电源主要是用来控制到达基片表面的离子能量，从而实现了离子通量和能量的独立调控，改善了等离子体的可控性，拓宽了基片刻蚀的工艺窗口。要实现各向异性刻蚀，还需要对轰击到基片上的离子能量与角度实现有效的控制，而双频CCP中的低频电源正是通过改变离子在鞘层区的运动特性来实现对其能量与角度的有效控制。由于高频源对离子能量控制能力有限，因此增加一个低频电源就会给放电装置提供额外的灵活性，利用高频和低频两个电源同时驱动，可以独立地控制离子通量和轰击到基片上的离子能量。通过调节施加在高频电源上的电压，可以控制等离子体密度进而控制入射到鞘层上的离子通量，通过调节施加在低频源上的电压，则可以对离子的能量进行有效的控制。而且容性耦合放电无需外加磁场的辅助，装置的结构简单，成本相对较低。DF-CCP其可以产生大面积均匀的等离子体，通过调节高低频电源的放电参数可以有效地控制等离子体密度，能量和角度分布。
然而，目前等离子体刻蚀技术虽然也可以用来制备太阳能电池的绒面结构，但由于其制备的绒面结构通常在纳米级别，因此目前仅仅应用于硅薄膜太阳能电池中。
发明内容
本发明目的是提供一种单晶硅太阳能电池绒面的制备方法，以获得纳米柱状的绒面结构。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种单晶硅太阳能电池绒面的制备方法，包括如下步骤：
(1) 硅片的清洗：先用碱性过氧化氢溶液清洗，然后用去离子水清洗，接着用酸性过氧化氢溶液清洗，再用去离子水清洗；
(2) 将清洗好的硅片放入双频容性耦合等离子体设备中进行刻蚀，得到纳米柱状的绒面结构；
(3) 冷却，取出硅片；
所述步骤(2)中，刻蚀气体为C2F6和Ar2的混合气体，流量分别为8~12 sccm和0.4~0.6 sccm；本底真空为2~3×10-3Pa；工作气压为25~35Pa；高频频率和功率为60MHz，250~300W，低频频率和功率为2MHz，250~300W，刻蚀时间为10~20min。
上文中，步骤(1)清洗的目的是为了除去硅片表面的油渍和杂质等，为后续的刻蚀做准备。
优选的技术方案，所述步骤(2)中，刻蚀气体为C2F6和Ar2的混合气体，流量分别为10 sccm和0.5 sccm；本底真空为3×10-3Pa；工作气压为30Pa；高频频率和功率为60MHz，300W，低频频率和功率为2MHz，250W，刻蚀时间为15min。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1．本发明采用双频容性耦合等离子体刻蚀方法得到了单晶硅太阳能电池绒面结构，该经测定，该绒面结构呈纳米柱状结构，其可以将光线反射损失低于9%，具有意想不到的效果。
2．本发明的制备方法无需使用掩膜，且没有使用含硫的气体，因而操作简单，减小了对大气的污染，无危险。
3．本发明的制备方法可用来刻蚀大面积的Si片，适于在大尺寸太阳能电池生产中使用，且制备的纳米柱状绒面结构在新近发展起来的柔性纤维状太阳能电池中有着重要的应用前景。
4．本发明的制备方法具有垂直刻蚀、刻蚀面积大、刻蚀速率快、均匀性好、各向异性好、等离子体损伤小等优点。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实施例一
一种单晶硅太阳能电池绒面的制备方法，采用DF-CCP刻蚀硅片，具体操作如下：
(1) 硅片的清洗：选用(111)取向的P型单晶硅，先在碱性过氧化氢清洗液中超声波清洗5分钟，然后用去离子水清洗几遍，接着放入酸性过氧化氢清洗液中超声波清洗5分钟，最后再用去离子水冲洗；
(2) 将清洗好的硅片放置于真空腔室的下极板上，通过真空系统抽至本底真空，然后通入刻蚀气体，调节工作气压，再分别对上下极板施加功率，使气体放电，对硅片进行刻蚀；
其中，刻蚀气体组分和流量：C2F6和Ar2混合气体，流量分别为10 sccm和0.5 sccm；
本底真空：3×10-3Pa
工作气压：30Pa
高频频率和功率：60MHz，300W
低频频率和功率：2MHz，250W
刻蚀时间：15min
刻蚀完毕后，关闭射频功率源，关气体，利用真空系统抽出腔室中残留的气体，最后关闭真空系统，关机；
(3) 冷却一段时间后，打开腔室，取出硅片。
然后使用SEM对硅片的表面和截面形貌进行表征，得到了分布均匀、垂直于硅片表面的纳米柱状结构，纳米柱的平均直径约160nm，高度约800nm。
经光学反射率测试显示，该绒面结构的光线反射损失低于9%。
Claims (2)
1.一种单晶硅太阳能电池绒面的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1) 硅片的清洗：先用碱性过氧化氢溶液清洗，然后用去离子水清洗，接着用酸性过氧化氢溶液清洗，再用去离子水清洗；
(2) 将清洗好的硅片放入双频容性耦合等离子体设备中进行刻蚀，得到纳米柱状的绒面结构；
(3) 冷却，取出硅片；
所述步骤(2)中，刻蚀气体为C2F6和Ar2的混合气体，流量分别为8~12 sccm和0.4~0.6 sccm；本底真空为2×10-3Pa~3×10-3Pa；工作气压为25~35Pa；高频频率和功率为60MHz，250~300W，低频频率和功率为2MHz，250~300W，刻蚀时间为10~20min。
2.根据权利要求1所述的单晶硅太阳能电池绒面的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，刻蚀气体为C2F6和Ar2的混合气体，流量分别为10 sccm和0.5 sccm；本底真空为3×10-3Pa；工作气压为30Pa；高频频率和功率为60MHz，300W，低频频率和功率为2MHz，250W，刻蚀时间为15min。
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