CN102694076A - 一种硅薄膜表面减反射结构的制备方法 - Google Patents

一种硅薄膜表面减反射结构的制备方法 Download PDF

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一种硅薄膜表面减反射结构的制备方法为；1、硅薄膜制备：首先将纯度99.9999%的硅靶、纯度99.999%的银靶和廉价硅片基体依次装入真空室中，然后将真空室抽真空，之后向真空室通入氩气，最后在所述基体上沉积厚度为0.3~5微米的多晶硅薄膜；2、银纳米粒子沉积：在步骤1中最终所获的多晶硅薄膜上继续沉积银纳米粒子，所沉积的银纳米粒子厚度为2~20纳米；3、贵金属银纳米粒子催化刻蚀；4、银纳米粒子去除：将步骤3中最终所获发黑硅薄膜用质量分数为20~40%硝酸溶液室温下浸泡10~30分钟，以去除残留在所述发黑硅薄膜上的银纳米粒子，再先后用蒸馏水和乙醇冲洗干净，冷风吹干。本发明具有多孔结构，具有成本低、减反射效果好和稳定性高的特性。

Description

一种硅薄膜表面减反射结构的制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，涉及在薄膜太阳能电池结构中的一种硅薄膜表面减反射结构制备方法。具体涉及硅薄膜表面减反射结构制备工艺的贵金属银纳米粒子催化刻蚀工艺技术。
背景技术
第一代硅太阳能电池性能可靠，经久耐用，光电转换效率较高，但因约一半的成本来至于硅片材料（厚度200-250微米），致使发电成本较高。第二代太阳能电池使用沉积在低成本基体上的廉价半导体薄膜（厚度一般为2-3微米），其效率低于第一代产品。由于第二代技术减少了激活材料的成本，最终成本将受限于基体材料，因此需要通过不断地提高转换效率来使成本进一步降低。从转换效率和材料的来源角度看，第二代电池的发展重点依然是硅薄膜电池。减少电池受光面上入射阳光的反射是提高太阳能电池的光电转换效率的有效手段之一。常用的薄膜太阳能电池减反射措施主要是在硅薄膜上或电池的受光面制备TiOx(x≤2)、SiNx和SiO2等减反射膜。这些制膜方法一般需要复杂设备，操作成本较高，性能稳定性较差。
贵金属纳米粒子催化刻蚀方法是利用沉积在硅片上的分布均匀、非连续的纳米级贵金属粒子层做催化剂，在酸性或碱性溶液中刻蚀硅。这种技术属于常温下的湿化学刻蚀方法，不需要复杂设备，过程简单，成本低廉，反应时间短，重现性好，减反射效果好，非常适合工业化生产。这种技术主要用于单晶硅片的刻蚀，在多晶硅片刻蚀上应用很少，而在硅薄膜上还不见应用。由于硅基薄膜通常用物理气相沉积和化学气相沉积方法制备，具有不同于常规硅片的微观结构，因此其刻蚀工艺也将有别于硅片。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅薄膜表面减反射结构的贵金属银纳米粒子催化刻蚀工艺技术，所述硅薄膜表面减反射结构为多孔结构，具有成本低、减反射效果好和稳定性高的特性。
一种硅薄膜表面减反射结构的制备方法为：
1、硅薄膜制备。镀膜设备选用多靶直流磁控溅射镀膜系统。首先将纯度99.9999%的硅靶、纯度99.999%的银靶和廉价硅片基体依次装入真空室中，然后将真空室抽真空至6.0×10-4帕，之后向真空室通入纯度为99.999%的氩气，最后在所述基体上沉积厚度为0.3~5微米的多晶硅薄膜。所述多晶硅薄膜沉积工艺：硅靶功率为20~150瓦，基体偏压为??50~??200伏，硅靶与基体的距离为4~12厘米，工作气压为0.1~1.0帕，基体温度为500~700摄氏度，基体自转速度为每分钟5~30 转。
2、银纳米粒子沉积。在步骤1中最终所获的多晶硅薄膜上继续沉积银纳米粒子，所沉积的银纳米粒子厚度为2~20纳米。所述沉积银纳米粒子工艺参数为：银靶功率20~80瓦，基体偏压0~??200伏，靶材与基体的距离4~12厘米，工作气压0.1~1.0帕，基体温度为500~700摄氏度，基体自转速度为每分钟5~30转。镀膜结束后样品随真空室冷却至室温。
3、贵金属银纳米粒子催化刻蚀。将步骤2中最终所获的镀有银纳米粒子的多晶硅薄膜浸入刻蚀溶液中，于15~30摄氏度下刻蚀0.5~5分钟后取出，用蒸馏水冲洗干净，即获得发黑的硅薄膜。所述刻蚀溶液用质量分数为40%氢氟酸、30%过氧化氢和蒸馏水按照（1~8）：（1~8）：10体积比配制。
4、银纳米粒子去除。将步骤3中最终所获发黑硅薄膜用质量分数为20~40%硝酸溶液室温下浸泡10~30分钟，以去除残留在所述发黑硅薄膜上的银纳米粒子，再先后用蒸馏水和乙醇冲洗干净，冷风吹干，即在硅薄膜表面获得了减反射结构。
步骤1中所述的基体也可以为玻璃。
本发明的有益效果是：采用本发明所述工艺制备的多晶硅薄膜厚度仅为0.3~5微米，且沉积在廉价玻璃或硅基体上，因此制作成本低廉。又由于贵金属银纳米粒子是在沉积完多晶硅薄膜后随即利用相同的设备沉积而成，不仅成本低、可操作性强，且具有颗粒细小、分布均匀、不连续的特征，从而保证了对多晶硅薄膜的刻蚀效果。采用本发明所述工艺制备的多晶硅薄膜表面减反射结构对250-1000纳米光谱波段的太阳光反射率降低至5%以下，为提高硅薄膜太阳能电池的效率提供了新的技术手段，为薄膜太阳能电池的稳定、高效应用提供了新思路。综上所述，采用本发明所述工艺获得的多晶硅薄膜表面减反射结构具有低成本、高效减反射、重现性好、性能稳定的特征，本发明为制备低成本和高转换效率的硅薄膜太阳能电池器件提供了一种可规模化生产的技术途径。
具体实施方式：
实施例1
1、硅薄膜制备。镀膜设备选用多靶直流磁控溅射镀膜系统。首先将纯度99.9999%的硅靶、纯度99.999%的银靶和廉价硅片基体装入真空室中，然后将真空室抽真空至6.0×10-4帕，之后向真空室通入纯度为99.999%的氩气，最后在所述基体上沉积厚度约为0.5微米的多晶硅膜。所述多晶硅薄膜沉积工艺：硅靶功率为50瓦，基体偏压为??80伏，硅靶与基体的距离为6厘米，工作气压为0.3帕，基体温度为500摄氏度，基体自转速度为每分钟10转。
2、银纳米粒子沉积。在步骤(1)中最终所获的多晶硅薄膜上继续沉积银纳米粒子，所沉积的银纳米粒子厚度约为5纳米。所述沉积银纳米粒子工艺参数为：银靶功率30瓦，基体偏压??80伏，靶材与基体的距离6厘米，工作气压0.3帕，基体温度为500摄氏度，基体自转速度为每分钟10转。镀膜结束后样品随真空室冷却至室温。
3、贵金属银纳米粒子催化刻蚀。将步骤(2)中最终所获的镀有银纳米粒子的多晶硅薄膜浸入刻蚀溶液中，于20摄氏度下刻蚀0.5分钟后取出，大量蒸馏水冲洗干净后，即获得发黑的硅薄膜。所述刻蚀溶液用质量分数为40%氢氟酸、30%过氧化氢和蒸馏水按照1：1：10体积比配制。
4、银纳米粒子去除。将步骤（3）中最终所获的发黑硅薄膜用质量分数为18%硝酸溶液室温下浸泡22分钟，以去除残留在所述发黑硅薄膜上的银纳米粒子，再先后用蒸馏水和乙醇冲洗干净后吹干，即在硅薄膜表面获得了减反射结构。
实施例2
1、硅薄膜制备。镀膜设备选用多靶直流磁控溅射镀膜系统。首先将纯度99.9999%的硅靶、纯度99.999%的银靶和廉价硅片基体装入真空室中，然后将真空室抽真空至6.0×10-4帕，之后向真空室通入纯度为99.999%的氩气，最后在所述基体上沉积厚度约为1.5微米的多晶硅膜。所述多晶硅薄膜沉积工艺：硅靶功率为80瓦，基体偏压为??120伏，硅靶与基体的距离为8厘米，工作气压为0.6帕，基体温度为550摄氏度，基体自转速度为每分钟17转。
2、银纳米粒子沉积。在步骤(1)中最终所获的多晶硅薄膜上继续沉积银纳米粒子，所沉积的银纳米粒子厚度约为10纳米。所述沉积银纳米粒子工艺参数为：银靶功率50瓦，基体偏压??120伏，靶材与基体的距离8厘米，工作气压0.6帕，基体温度为550摄氏度，基体自转速度为每分钟17转。镀膜结束后样品随真空室冷却至室温。
3、贵金属银纳米粒子催化刻蚀。将步骤(2)中最终所获的镀有银纳米粒子的多晶硅薄膜浸入刻蚀溶液中，于25摄氏度下刻蚀1分钟后取出，大量蒸馏水冲洗干净，即获得发黑的硅薄膜。所述刻蚀溶液用质量分数为40%氢氟酸、30%过氧化氢和蒸馏水按照4：5：10体积比配制。
4、银纳米粒子去除。将步骤（3）中最终所获的发黑硅薄膜用质量分数为30%硝酸溶液室温下浸泡16分钟，以去除残留在所述发黑硅薄膜上的银纳米粒子，再先后用蒸馏水和乙醇冲洗干净后吹干，即在硅薄膜表面获得了减反射结构。
实施例3
1、硅薄膜制备。镀膜设备选用多靶直流磁控溅射镀膜系统。首先将纯度99.9999%的硅靶、纯度99.999%的银靶和廉价硅片基体装入真空室中，然后将真空室抽真空至6.0×10-4帕，之后向真空室通入纯度为99.999%的氩气，最后在所述基体上沉积厚度约为3微米的多晶硅膜。所述多晶硅薄膜沉积工艺：硅靶功率为120瓦，基体偏压为??160伏，硅靶与基体的距离为10厘米，工作气压为0.9帕，基体温度为650摄氏度，基体自转速度为每分钟25转。
2、银纳米粒子沉积。在步骤(1)中最终所获的多晶硅薄膜上继续沉积银纳米粒子，所沉积的银纳米粒子厚度约为15纳米。所述沉积银纳米粒子工艺参数为：银靶功率70瓦，基体偏压??160伏，靶材与基体的距离10厘米，工作气压0.9帕，基体温度为650摄氏度，基体自转速度为每分钟25转。镀膜结束后样品随真空室冷却至室温。
3、贵金属银纳米粒子催化刻蚀。将步骤(2)中最终所获的镀有银纳米粒子的多晶硅薄膜浸入刻蚀溶液中，于20摄氏度下刻蚀2分钟后取出，用蒸馏水冲洗干净，即获得发黑的硅薄膜。所述刻蚀溶液用质量分数为40%氢氟酸、30%过氧化氢和蒸馏水按照3：3：10体积比配制。
4、银纳米粒子去除。将步骤（3）中最终所获的发黑硅薄膜用质量分数为20%硝酸溶液室温下浸泡20分钟，以去除残留在所述发黑硅薄膜上的银纳米粒子，再先后用蒸馏水和乙醇冲洗干净后吹干，即在硅薄膜表面获得了减反射结构。
以上所述，仅为本发明较佳的实施例，虽仅是对磁控溅射硅基薄膜的刻蚀，但事实上，本发明所述刻蚀工艺对磁控溅射之外的其他物理气相沉积和化学气相沉积方法沉积的硅基薄膜亦适用。

Claims (1)

1.一种硅薄膜表面减反射结构的制备方法，其特征是：（1）、硅薄膜制备：镀膜设备选用多靶直流磁控溅射镀膜系统；首先将纯度99.9999%的硅靶、纯度99.999%的银靶和廉价硅片基体依次装入真空室中，然后将真空室抽真空至6.0×10-4帕，之后向真空室通入纯度为99.999%的氩气，最后在所述基体上沉积厚度为0.3~5微米的多晶硅薄膜；所述多晶硅薄膜沉积工艺：硅靶功率为20~150瓦，基体偏压为??50~??200伏，硅靶与基体的距离为4~12厘米，工作气压为0.1~1.0帕，基体温度为500~700摄氏度，基体自转速度为每分钟5~30 转；（2）、银纳米粒子沉积：在步骤1中最终所获的多晶硅薄膜上继续沉积银纳米粒子，所沉积的银纳米粒子厚度为2~20纳米；所述沉积银纳米粒子工艺参数为：银靶功率20~80瓦，基体偏压0~??200伏，靶材与基体的距离4~12厘米，工作气压0.1~1.0帕，基体温度为500~700摄氏度，基体自转速度为每分钟5~30转；镀膜结束后样品随真空室冷却至室温；（3）、贵金属银纳米粒子催化刻蚀：将步骤2中最终所获的镀有银纳米粒子的多晶硅薄膜浸入刻蚀溶液中，于15~30摄氏度下刻蚀0.5~5分钟后取出，用蒸馏水冲洗干净，即获得发黑的硅薄膜；所述刻蚀溶液用质量分数为40%氢氟酸、30%过氧化氢和蒸馏水按照（1~8）：（1~8）：10体积比配制；（4）、银纳米粒子去除：将步骤3中最终所获发黑硅薄膜用质量分数为20~40%硝酸溶液室温下浸泡10~30分钟，以去除残留在所述发黑硅薄膜上的银纳米粒子，再先后用蒸馏水和乙醇冲洗干净，冷风吹干，即在硅薄膜表面获得了减反射结构。
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Granted publication date: 20150422

Termination date: 20170612