CN102625955B - 纹理化硅衬底表面的方法和用于太阳能电池的纹理化的硅衬底 - Google Patents

纹理化硅衬底表面的方法和用于太阳能电池的纹理化的硅衬底 Download PDF

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Abstract

本发明涉及在气相中纹理化硅衬底表面的方法并且涉及用于太阳能电池的纹理化硅衬底。该方法包括至少一个步骤a):将所述表面以2到30分钟的持续时间暴露于SF6/O2射频等离子体,以便产生具有金字塔结构的纹理化表面的硅衬底,SF6/O2比率为2到10。根据本发明,在步骤a)期间,使用射频等离子体产生的功率密度大于或等于2500mW/cm2,并且反应室中的SF6/O2压力小于等于100mTorr,以便产生具有倒金字塔结构的纹理化表面的硅衬底。

Description

纹理化硅衬底表面的方法和用于太阳能电池的纹理化的硅衬底
技术领域
本发明涉及在气相中纹理化(textureing)硅衬底表面的方法,以及使用所述方法获得的用于太阳能电池的纹理化的硅衬底。
然后,使用这样的纹理化的硅衬底制造用于太阳能电池的异质结。
背景技术
纹理化晶体c-Si(100)硅衬底广泛应用于高效硅太阳能电池的制造。
纹理化晶体硅衬底的表面可以减少光在其表面的反射,增强光捕获,提高产生的电流并因此增加太阳能电池的效率。
纹理化方法包括在衬底表面上形成金字塔形的结构。可选地,所述金字塔可以是倒置的。
MartinAGreen,JianhuaZhao,AihuaWang和StuartR.Wenham的的文献(IEEETransactionsonElectronicDevices,Vol46,No10,pp1940-1947(1999))公开了可以在其表面上制造具有倒金字塔形的结构的c-Si(100)硅衬底的光刻和湿法蚀刻的方法。
该方法可以用于获得8%量级的低反射率和24.7%的效率。
然而,此方法冗长、困难并且有污染,因为其要求使用大量的去离子水和必须被回收的如KOH或NaOH溶液的化学溶液。
另外,纹理化不仅仅在衬底的单个表面上进行,还在其背面进行,导致其钝化质量的下降。
为了克服这些问题,J.Yoo,KyunghaeKim,M.Thamilselvan,N.Lakshminarayan,YoungKukKim,JaehyeongLee,KwonJongYoo以及JunsinYi等的文献(JournalofPhysicsD:AppliedPhysics,PP1-7(2008))公开了使用SF6/O2等离子体的干蚀刻方法用于纹理化c-Si(100)晶体硅衬底的表面。该方法在反应离子蚀刻(RIE)装置中进行,该装置可以在存在气体时产生射频等离子体。
使用压力为265mTorr[毫托]的SF6/O2并且通过用100W[瓦特]的RF功率施加5分钟到20分钟的射频等离子体获得了纹理化的硅衬底。
该纹理化方法在硅衬底的表面上制造大量的针形结构5,如图1所示。获得的反射率和效率可与采用湿法蚀刻方法获得的反射率和效率相比。
然而,具有峰或针的这样的表面却提供不能用于制造太阳能电池的纹理化的衬底。实际上,如果不是不可能,就是很难以均匀的方式在硅上沉积另外的层。
因此,本发明的目标是提供一种气相纹理化方法,该方法可以制造用于制造太阳能电池的硅衬底,该衬底具有极好反射率(小于6%),具有没有针形结构的纹理化的表面。
发明内容
为此目的,本发明提供一种在气相中纹理化硅衬底的表面的方法,该方法包括至少如下步骤:
a)在反应室中将所述表面以2到30分钟范围的时长暴露于SF6/O2射频等离子体,以便产生具有金字塔结构的纹理化表面的硅衬底,SF6/O2比率在2到10的范围内;
根据本发明:
在步骤a)期间,所述射频等离子体产生的功率密度为2500mW/cm2[毫瓦每平方厘米]或更大,并且在所述反应室中的SF6/O2的压力为100mTorr或更小,以便产生具有倒金字塔结构的纹理化表面的硅衬底。
在可能的各种实施方式中,本发明还提供如下特征,这些特征可以独立或者以技术上任意可行的组合考虑,每一个都提供特定的优点:
一种纹理化硅衬底表面的方法包括,在步骤a)之前,其还包括步骤a’),所述步骤a’)将所述表面以最高8分钟的时长暴露于氧射频等离子体;
在步骤a’)期间,所述射频等离子体产生的功率密度在500mW/cm2到4000mW/cm2的范围内,所述反应室中的氧的压力在50mTorr到150mTorr的范围内;
在步骤a)和a’)期间,所述射频等离子体产生的功率密度等于3000mW/cm2
在步骤a)期间,所述反应室中的所述SF6/O2的压力为100mTorr,SF6/O2比率为3并且所述等离子体暴露时长是15分钟;
在步骤a)和/或a’)期间,逐渐增加所述射频等离子体的功率;
所述步骤a’)的持续时间为5分钟;以及
在反应离子蚀刻装置中进行步骤a)和a’)。
本发明还提供一种用于太阳能电池的纹理化的硅衬底,该衬底具有包含倒金字塔结构的纹理化表面和从0.5Ω.cm[欧姆-厘米]到30Ω.cm范围内的电阻率。
根据本发明,所述倒金字塔结构的宽度在200nm[纳米]到3μm[微米]的范围内,并且深度在200nm到1μm的范围内。
在可能的各种实施例中,本发明还提供如下提供特定优点的特性特征:
硅衬底的纹理化表面具有大倒金字塔形式的结构和小倒金字塔形式的结构,大倒金字塔形式的结构的宽度在1μm到5μm的范围内并且小倒金字塔形式的结构的宽度在200nm到1μm的范围内。
因此,本发明提供一种气相纹理化方法,该方法可以用于制造在制造太阳能电池或光学传感器中使用的、具有极好反射率(小于6%)的、包含没有针形结构的纹理化表面的硅衬底。
表面粗糙度与沉积用于形成结或异质结的掺杂硅的薄层相匹配。
局部地,纹理化的表面的局域粗糙度小于现有技术。
可以在这样的纹理化表面上产生均匀的硅沉积物。沉积物可以是均匀a-Si:H层,其可以是本征或掺杂的(p-或n-型)以形成异质结或外延硅层以形成单质结。
这种简单的纹理化方法可以用于减少制造方法的步骤并因此减少太阳能电池的制造时间和成本以及对环境的影响。其还意味着使用更少的材料。
该方法可以容易地集成到生产线中。
用本发明的方法获得的反射率小于用公知的湿法技术获得的反射率。
在太阳能电池的操作范围内(400nm到1000nm)反射率低。
附图说明
下面通过参考附图更详细的描述本发明:
图1示出了用现有技术纹理化方法获得的纹理化的硅衬底;
图2图示了根据本发明的不同实施方式的用不同的RF功率获得的纹理化的硅衬底的四个部分;
图3示出了使用扫描电子显微镜获得的不同RF功率和不同SF6/O2比率的纹理化的硅衬底的照片;
图4示出了通过AFM获得的纹理化的硅样品的图像和表面分布;以及
图5示出了在不同RF功率下纹理化的硅衬底的反射率曲线。
具体实施方式
根据本发明的一个实施例,一种气相纹理化硅衬底的表面的方法包括步骤a),在反应室中产生SF6/O2射频等离子体,持续范围为2分钟到30分钟的时长,从而形成具有金字塔结构的纹理化的表面的硅衬底。SF6/O2比率在2到10的范围内并且反应室中的SF6/O2的压力在50mTorr到150mTorr的范围内。
优选步骤a)的持续时间在2分钟到30分钟的范围内。
硅衬底可以是单晶体或晶粒尺寸在毫米量级的多晶体。硅衬底可以是例如c-Si(100)型衬底。其电阻率在0.5Ω.cm到30Ω.cm的范围内。硅衬底可以是n-或p-型掺杂。
产生SF6/O2射频等离子体的步骤a)可以在将衬底的表面以最高8分钟的时长暴露于氧射频等离子体的步骤a’)之后。
纹理化方法可以使用或不使用氧等离子体。然而,步骤a’)可以用于提高衬底纹理的均匀性。
可以在相同的常规反应离子蚀刻装置中进行步骤a)和a’),该装置可以在存在气体时产生射频等离子体。反应离子蚀刻装置的频率为13.56MHz[兆赫]。
在步骤a)期间,射频等离子体的功率大于25W,对应于500mW/cm2,优选2500mW/cm2或更大的功率密度。
反应室中的SF6/O2的压力小于等于100mTorr,以便产生具有倒金字塔结构的纹理化表面的硅衬底。
在步骤a’)期间,射频等离子体的功率在25W(对应于500mW/cm2的功率密度)到200W(对应于4000mW/cm2的功率密度)的范围内。在这些步骤期间产生的的等离子体是低温等离子体(200℃或更低)。
优选,在步骤a’)期间,产生氧等离子体的时长为5分钟,射频(RF)功率为150W,即功率密度为3000mW/cm2
下一步,在步骤a)期间,优选产生SF6/O2射频等离子体的时间为15分钟,SF6/O2的压力为100mTorr,SF6/O2比率为3,对应于99cm3/S[立方厘米每秒]的SF6的流量和33cm3/S的O2流量。RF等离子体的功率为150W,即功率密度为3000mW/cm2
在优化条件下,获得了具有纹理化表面的c-Si(100)硅衬底,该纹理化表面包括具有尺寸分布在200nm到3μm的范围内的多个倒金字塔,如图2到4所示。
向SF6气体中添加氧气在等离子体中起到了重要作用。
在衬底的表面,SF6/O2等离子体中出现两个相反的效应:源于能够极有效刻蚀硅的氟基的蚀刻过程以及源于产生掩蔽(masking)效应的剩余的SiOxFy基的再沉积过程。这些微掩模增加了c-Si衬底表面的纹理化。
SF6/O2比率确定微掩模的密度并且3的比率改善了在硅晶片上产生的结构的密度。另外,RF等离子体的功率确定所产生的结构的形状。通过改变RF功率并使用优化的气体比率(SF6/O2=3),可以产生极不同的结构(正常的或倒金字塔)。
图3示出了使用扫描电子显微镜(SEM)获得的纹理化的硅衬底的照片,其RF功率为50W、100W和150W,SF6/O2的比率为2和3,SF6/O2混合气体的压力为100mTorr。
图3显示,SF6/O2比率为3并且RF功率为150W时获得的纹理化最好。
图2图示了用不同的RF功率获得的纹理化的硅衬底的四个部分,即,25W下获得的衬底A、50W下获得的衬底B、100W下获得的衬底C、150W下获得的衬底D,SF6/O2比率为3。
对于25W的RF等离子体功率(衬底A),可以观察到具有在50nm到100nm范围内的尺寸的小纹理化点6的密度。
RF的功率增加到50W(衬底B),导致了更高密度的正常金字塔7,其中结构具有在200nm到500nm范围内的尺寸。
RF的功率增加到100W,引起了外部纹理的巨大改变(衬底C)。金字塔被形式为凹坑、具有在200nm到800nm范围内的尺寸分布的结构8替代。
最后,在150W(衬底D),产生了高密度的倒金字塔3,其尺寸范围在200nm到3μm的范围内。小金字塔4叠加在大金字塔3上。
图5示出了示出了纹理化的c-Si衬底在波长范围从300nm到1000nm的反射率曲线。
横坐标1表示波长,单位为nm。纵坐标2表示反射率,单位%。
对于图2的衬底B(RF功率50W),图5的反射曲线10显示平均反射率为18%。
对于图2的具有外形为凹坑的结构8的衬底C(RF功率100W),反射曲线9显示反射率为29%。
呈现倒金字塔3的衬底D获得了反射率的更引人注意的降低,具有的平均反射率为6%(反射率曲线11)。
通过原子力显微镜(AFM)同样观察到了形状从正常金字塔向倒金字塔的转变。
图4示出了使用AFM产生的纹理化的硅衬底的图像E和F以及分布E’和F’。
图像E是正常金字塔7的三维图,而图像E’显示这些结构的分布。正常金字塔7的宽度在从400nm到600nm的范围内,高度在100nm到150nm的范围内。
图像F示出了倒金字塔3的三维图,而图像F’显示这些结构的特定分布。
该结构由大的倒金字塔3和在大的倒金字塔3中形成的小的倒金字塔4组成。大的倒金字塔3的宽度约为3μm(在1μm到5μm之间)。小的金字塔4的宽度在200nm到1μm的范围内。这些结构的深度在300nm到500nm的范围内。
图2和3可以解释金字塔结构随RF功率的变化关系。
在低RF功率下(P=25W),在硅衬底的表面上形成了小白点6。这些小白点6被SiOxFy基(是采用SF6/O2等离子体的蚀刻的剩余物)组成的微掩模保护而不受等离子体蚀刻。然而,等离子体没有强到足以制造更多的纹理化表面。
当RF功率更高时(P=50W),SiOxFy微掩模仍旧保护置于其下的硅(图2,衬底B)。在每个金字塔7上可以观察到小白点7’。
在更高的RF功率下,金字塔被完全侵蚀,导致几乎平坦的硅衬底表面。然而,当RF功率约为100W时,表面不再保持平坦,因为其开始被二次纹理化,导致硅衬底的表面上出现凹坑8。
最后,当RF功率到达150W时,凹坑形的结构变得更深并且更宽,类似于倒金字塔3。可以得到不同尺寸的结构。
优选在步骤a)和a’)期间固定射频等离子体的功率。
根据一个可能的实施方式,在步骤a)和/或a’)期间,逐渐增加射频等离子体的功率。
可以在包括各种室的装置中执行本发明的方法,各种室包括执行本发明的气相中的硅衬底纹理化的离子蚀刻室以及至少一个另外的室用于等离子体增强化学气相沉积(PECVD),其中可以进行一个或多个硅沉积步骤以便获得太阳能电池。
使用单个装置意味着可以避免在衬底在各种反应室之间转移期间的污染。这节约了时间并且减少了制造成本。
使用本发明的方法纹理化后的衬底表面随后进行其他处理,例如表面清洁和钝化。
可以单独向硅衬底的一个或两个相对的面实施本发明的方法。
可以在这些面的每一个上进行气相掺杂硅沉积,以获得太阳能电池的异质结。

Claims (9)

1.一种在气相中纹理化硅衬底的表面的方法,所述方法包括至少一个步骤a),该步骤a)用于在反应离子蚀刻装置中的反应室中将所述表面以2到30分钟范围内的时长暴露于SF6/O2射频等离子体,以便产生具有金字塔结构的纹理化表面的硅衬底,SF6/O2比率在2到10的范围内;
其特征为:
在步骤a)期间,所述射频等离子体产生的功率密度为3000mW/cm2或更大,并且在所述反应室中的SF6/O2的压力为100mTorr或更小,以便产生具有倒金字塔结构的纹理化表面的硅衬底,
还包括在步骤a)之前的步骤a’),所述步骤a’)将所述表面以最高8分钟的时长暴露于氧射频等离子体。
2.根据权利要求1的纹理化硅衬底的表面的方法,其特征为,所述步骤a’)的持续时间为5分钟。
3.根据权利要求1或2的纹理化硅衬底的表面的方法,其特征为,在步骤a’)期间,所述氧射频等离子体产生的功率密度在500mW/cm2到4000mW/cm2的范围内,所述反应室中的氧的压力在50mTorr到150mTorr的范围内。
4.根据权利要求1或2的纹理化硅衬底的表面的方法,其特征为,在步骤a’)期间,所述氧射频等离子体产生的功率密度等于3000mW/cm2
5.根据权利要求1或2的纹理化硅衬底的表面的方法,其特征为,在步骤a)期间,所述反应室中的SF6/O2的压力为100mTorr,SF6/O2比率为3并且所述等离子体暴露时长是15分钟。
6.根据权利要求1或2的纹理化硅衬底的表面的方法,其特征为,在步骤a)和/或a’)期间,逐渐增加所述射频等离子体的功率。
7.根据权利要求1或2的纹理化硅衬底的表面的方法,其特征为,在反应离子蚀刻装置中进行步骤a)和a’)。
8.一种根据权利要求1到7中任一项的方法获得的用于太阳能电池的硅衬底,所述衬底具有包含倒金字塔结构的纹理化表面和从0.5Ω.cm到30Ω.cm范围内的电阻率,其特征为,所述倒金字塔结构的宽度在200nm到3μm的范围内,并且所述倒金字塔结构的深度在200nm到1μm的范围内。
9.根据权利要求8的用于太阳能电池的纹理化的硅衬底,其特征为,所述硅衬底的纹理化表面具有大倒金字塔形式的结构(3)和小倒金字塔形式的结构(4),所述大倒金字塔形式的结构(3)的宽度在1μm到5μm的范围内并且所述小倒金字塔形式的结构(4)的宽度在200nm到1μm的范围内。
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