CN102870191A

CN102870191A - 用于对旨在构成光电电池的硅片进行机械纹理化的装置和方法以及所形成的硅片

Info

Publication number: CN102870191A
Application number: CN2011800216439A
Authority: CN
Inventors: 让-保罗·加朗代; 雅基·邦西永; 卢卡·费代尔佐尼; 马克·皮罗
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2013-01-09
Also published as: RU2012150872A; EP2564414A1; JP2013526048A; ZA201208095B; AU2011247585A1; FR2959599A1; FR2959599B1; BR112012027611A2; US8974216B2; ES2464526T3; WO2011134999A1; KR20130098874A; EP2564414B1; US20130040105A1

Abstract

本发明涉及一种用于对用于构成光电（PV）电池的硅片（4）进行纹理化的新的技术方案。可以制造这样的硅片，其表面具有深度在5至50μm之间的均匀雕刻图案。

Description

用于对旨在构成光电电池的硅片进行机械纹理化的装置和方法以及所形成的硅片

技术领域

本发明涉及一种用于对旨在构成光电电池的硅片进行纹理化的装置和方法。

本发明还涉及所获得的硅片（silicon wafer，硅晶片），特别是多晶晶片。

背景技术

大多数光电电池（PV）是在于洁净的室内环境下实施硅片的加工的工业部门中由单晶或者多晶硅制造的。第一步是对晶片表面进行纹理化以降低其反射率。

在业界使用的标准方法中，晶锭通过线切割而被切割成晶片，晶片通过化学侵蚀进行纹理化以改善陷光（light trapping）。为了优化该方法，通常寻求具有几微米尺寸的结构。化学侵蚀可以通过或者在酸性介质中或者在碱性介质中完成。

在上述两种情况下，该技术有效地使反射率降低，但它的缺点在于它要求对相当量的化学排放物的再处理。

康斯坦茨大学（University of Constance）[1]已经提出一种替换的方式，其基于机械蚀刻（一种由具有V形线条的微机加工金属部分构成且覆盖有由金刚石耐磨涂层构成的耐磨层的结构化工具）的方法。该方法已证明了其有效性以及其不会导致可能影响PV电池能量转换率的缺陷的能力。另外，已经解决了生产率（每个晶片数秒钟的工艺持续时间）以及结构工具的磨损和破损的问题。然而，机加工（特别考虑到尖端的曲率半径）以及金刚石粉末的粒度测定的问题限制了该方法的有效性。实际操作中，蚀刻的空间分辨率依然被限定于在标准实施中的50μm数量级的值。

在就级别而言的另一端，引用由具有AFM尖端[2]的蚀刻完成的工作是可能的。接着可能获得极其精细的图案，其表面在亚微米级上是很洁净的。然而，尖端的移动速度很慢（最好的情况下为每秒大约数百微米）并且因此与工业方法不协调。

因此，没有简单和有效的方法允许硅片的高速蚀刻来形成具有数十微米数量级的特征尺寸的纹理。由于使用线锯切割锭块会导致厚度变化（在传统的用碳化硅颗粒磨蚀的方法中其为30-40μm数量级）的事实，问题变得更加复杂。即使使用利用金刚石颗粒的更加先进和更加昂贵的方法，要使其降到10μm深度以下似乎是困难的。

另外，通常施加化学预处理，使得能够在切割之后消除冷锻区。由于基于晶粒变化的侵蚀动力学，该预处理的作用也是为了提高晶片的粗糙度。总而言之，除在例外的情况下，待纹理化的晶片的尺寸变化显著地大于10μm。

因而，文献中提到的技术都不能使得硅片的机械纹理化具有深度为数十微米数量级的蚀刻图案。

因此，本发明的目的在于提出一种技术方案，以在可能具有平整度缺陷在5至50μm之间的区域上以与PV电池厂的生产需要相适应的速度完成具有特征尺寸在5至50μm之间的均匀蚀刻图案的硅片的纹理化，典型地，每个硅片的纹理化持续时间为几秒钟。

更加一般的目的在于提出一种可以简便且有效实施的技术方案。

发明内容

为了实现这个，本发明的目的是一种用于对旨在构成光电电池的硅片进行机械纹理化的装置，该装置包括多个碳化钨尖端和具有多个凹槽的支撑件，该多个凹槽中的每一个均能容纳碳化钨尖端使得其可以滑动，并且包括以与所述晶片的厚度变化无关的恒定的力使多个尖端的每一个保持压靠在硅片上的装置。

支撑件优选地可以容纳尖端使得它们可以自由滑动。用于保持按压的装置则有利地由每一个尖端的固有重量组成。

换言之，根据本发明，机械蚀刻的纹理化通过使用适于对在几十微米的等级上不平整的硅片进行纹理化的压力自调节系统来完成。

为了解决与平整缺陷相关的难题，本发明利用这样的系统，该系统中，多个蚀刻尖端自由滑动以遵循待蚀刻表面的高度变化。因而，无论待蚀刻的表面的几何高度如何，压力保持与尖端的重量相等。尖端的竖直移位由支撑件引导。

可以认为使用重块蚀刻的原理是公知的[4]，但根据该文献[4]（US4821250A）的解决方案通过尖端局部地应用以蚀刻沟（furrow）。然而，本发明所源于的问题的具体特点在于需要共同地（即同时在待蚀刻的整个表面上）对硅片进行纹理化以遵守纹理化过程的规范。

因此，根据本发明的装置包括具有凹槽的结构部件（支撑件），尖端插入凹槽中。这些凹槽相对彼此错开一段距离d，该距离限定了蚀刻间距。凹槽彼此隔开以保证组件的机械结合性。凹槽的下部是不规则四边形，其顶点处的角度大于尖端的顶点处的角度，以允许它们可以竖直地滑动。

为了获得深度为5-20μm数量级（其对于传统用于PV应用的深度而言是典型的）的蚀刻轮廓，在0.1至2N之间的且优选地是在0.3至1N之间的压力是优选的。并且硅片能够经受应力是完全不显见的，但是开展的测试显示它们能够经受高至2N的压力，除非晶片具有实质的初始裂纹。

另一个难题与系统的几何性阻碍有关。实际上，尖端（与具有底部L×l和高度H的平行六面体相似）的尺寸和蚀刻区A和B的尺寸的相关性由下述等式确定：

k×(L+e1)=A并且n×(1+e2)=B.

装置还根据下式由蚀刻间距d具体限定：

n×d=L+e1。

用于限定尺寸和整数的的字母的参考在图2和图3中示出。

长度A由待纹理化的晶片的尺寸确定，通常A=15cm。为了阐明问题，通过为凹槽和间距的尺寸赋予合理的值，L=4mm，l=2mm，e1=e2=1mm且蚀刻间距d为20μm，上面的关系式给出：

K=30，n=250，B=0.75m。

即使这样的B的值可能看似较大，它对于工业应用却是完全可接受的，尤其是如果对在Y方向上对齐的几个晶片进行纹理化是可能的。还有两种减小B的尺寸的可能性：分几级进行纹理化，在垂直于蚀刻方向Y（见图2和图3中的方向的参照）的X方向上将工具偏移。

这等于将上面等式条件：

n×d=(L+e1)，

重新限定为n×d=(L+e1)/j，其中j是一个整数。

因此，对于给定的L的值，可通过因子j来减小n且因此减小B。然而，由于生产率的原因，这个方案中j的值大于3是不现实的。

另一个减小B的选择会是减小l的尺寸，但是这样会造成在不要求不满意的高度H的情况下得到合理的质量的问题。

实际上，使用诸如密度ρ为3.2kg/m³数量级的碳化硅的材料，要使底部为4×2mm²的平行六面体达到0.5N需要高度为将近2m，这造成了装置的体积以及尖端的脆性的显而易见的问题。这是基本问题，即使将B维持在最大值0.75以及使用j＝5级的行纹理化都不能解决这些问题。实际上，通过保持L=4mm、e1=1mm以及蚀刻间距d为20μm，会导致k=30以及n=50。与前面情况的2mm对照，通过保持B=0.75m以及e2=1mm，可以使l=1.4cm。

即使在对于工业配置来说不现实的极端条件下，会有H值大于28cm，由于装置的阻碍以及尖端的脆性的问题，这会再次成为限制。金刚石（ρ=3.5kg/m³）的使用导致了成本方面的问题，并且仅允许有限的改进（H的减小量仅为10%）。

以与硅（金刚石以及碳化硅）相容而有名的硬质材料因此也不适于实施本发明。

为了应对这个困难，本发明人决定将碳化钨作为蚀刻材料进行测试，相对于金刚石或碳化硅，其密度（大于15kg/m³）允许对其进行真正的工艺分解。并且因为钨是对少数载流子（minority carriers）的寿命极其有害的金属中的一种并且因此对PV电池的效率极其有害，所以将这种材料作为PV应用中的用于蚀刻硅片的材料来使用是完全不显见的。例如，十亿分之一（ppb，或者同等的5×1013at/cm³）数量级的含量足以使p型硅的PV电池的效率降低大于40%。然而，开展的测试显示晶片的电子性能没受影响，从而使得选择碳化硅是有效的。

在本发明的实施中，尖端的下部具有底部为三角形的直棱柱的形状，其中，选择三角形的顶点的角度使得其在20°-60°并且有利地在30°-45°的间隔内。尖端的上部优选地是平行六面体，但可以构想其它形状。对于平行六面体的形状，特征性的尺寸为：

长度L为2-15mm，

宽度l为1-5mm，

高度H为1-25cm。

优选地将定义为将两个相邻尖端隔开的距离的蚀刻间距d选择为在5μm至100μm之间，并且优选地在5μm至40μm之间。

移位的速度在5mm/s-100mm/s之间，并且优选地在10mm/s-30mm/s之间。

结构部件优选地由钢或者镍基超级合金制造。应当注意的是，无论选择何种配置，每个晶片的蚀刻尖端的数目将会很高，通常总是几千。因此，可以有利地使尖端插入它们各自的凹槽自动进行。

在本发明的一个变型中，对尖端施加气压以增加压力。例如，作用在10mm²的面积上的1bar的压力相当于1N的力。这种操作模式使得能够保持压力与待蚀刻晶片的几何高度无关的原则，但再次发现需要有具有足够面积L×l的尖端。

本发明的一些优点如下：

实现不是金字塔形的纹理化轮廓的可能性，以允许陷光最优化：这些多样的轮廓能够通过选择不同几何形状的尖端来获得，

通过改变尖端的几何特征来调整压力的可能性，

作为易损部件的尖端可以通过使用粉末冶金型的低成本技术制造，

与图像处理结合，允许从晶片表面识别有缺陷的蚀刻，该方法允许仅对于损耗的尖端的选择性替换，

同时对在Y方向上位置彼此邻近的几个晶片进行纹理化的可能性以及短得多的纹理化时间，

因此，本发明的目的特别地在于一种旨在构成光电电池的多晶硅片，其表面包括深度在5至50μm之间的均匀蚀刻图案。

附图说明

在阅读用作示意性目的的说明（参照下图给出）时，将更清楚地看到其它的优点和特征，图中：

图1为根据本发明的装置的横截面示意图，

图2为根据一个实施例的本发明的装置的俯视图，

图3为根据另外一个实施例的本发明的装置的俯视图。

具体实施方式

如图1所示，根据本发明的装置1包括支撑件2，其中容纳了多个同样的尖端3，使得它们可以自由滑动。

凹槽20的上部形状为平行六面体，其在顶点200处具有角，该角在它们的下部21形状为不规则四边形。

尖端的上部30形状为平行六面体，并且下部31为具有三角形形状的直棱柱。

在蚀刻位置，尖端3的三角形部分31以与晶片4的厚度变化无关的恒定的力压靠在硅片4上。

尖端由碳化钨制成，优选地使用烧结技术。

下部三角形尖端部分31的顶点的角度比支撑件2的下部21的顶点200的角度小30°。

尖端3的上部平行六面体部分30的尺寸通常为：

L=5mm，l=2mm以及H=20cm。

用于尖端的凹槽20以e1=e2=1mm的距离隔开。当碳化钨的典型密度ρ为15kg/m³数量级时，发现每个尖端3的质量为30g，并且因此由每个尖端的固有重量形成的压力为0.3N系列。

有利地，在三个级中完成纹理化，间距d为20μm。其也可以通过使用根据图2的装置在一个级中完成，或者用根据图3的装置在两个级中来完成。

在于三个级中进行纹理化的情况下，结构部件或者支撑件2由不锈钢制造，其具有功能性区域，即与待蚀刻的区域相对应的区域，其尺寸为A=15cm以及B=30cm。支撑件2的外部尺寸为A'=20cm、B′＝35cm以及C=15cm。一方面A与A'的区别以及另一方面B与B'的区别和包括碳化钨蚀刻尖端3的凹槽20的区域A×B周围的支撑件2的机械加强有关。

尖端3容纳在其支撑件2中的装置位于布置成首尾相连的尺寸为15×15cm²的两个硅片上。

支撑件2然后以20mm/s的速度在首尾相连的两晶片上方移位以完成纹理化。蚀刻残留物通过鼓吹压缩空气而去除。

也可以在酸性溶液中轻轻冲洗。

所引用的参考文献

[1]：P.Fath，C.Borst，C.Zechner，E.Bucher，G.Willeke，S.Narayanan，“Progress in a novel high-throughput mechanical texturization technology forhighly efficient multicrystalline silicon solar cells(用于高效多晶硅太阳能电池的新型高产量机械纹理化技术的工艺)”，Solar Energy Materials andSolar Cells（太阳能材料和太阳能电池）48(1997)229-236；

[2]：L Santinacci，T Djenizian，P Schwauer，T Suter，A Etcheberry和P Schmuki，“Selective electrochemical gold deposition on to p-Si(100)surfaces(在p-Si(100)表面上的选择性电化学金沉积)”,J.Phys.D:Appl.Phys.41(2008)175301;

[3]：D.Kray，M.Schumann，A.Eyer，G.P.Willeke，R.Kübler，J.Beinert和G.Kleer,"Solar wafer slicing with loose and fixed grains(具有松散和固定晶粒的太阳能晶片切割)″，Proc.2006 IEEE 4th World Conference onPhotovoltaic Energy Conversion（第4届光电能量转换世界会议），May 7-122006，Hawai，Vol.1,948-951；

[4]：名称为“Process and apparatus for the recording of an informationsignal(用于记录信息信号的方法和装置)”的US专利4821250A；

[5]：J.R.Davis，Jr等人的"Impurities in silicon solar cells (硅太阳能电池中的杂质)",IEEE Transactions on Electron Devices（电子装置上的处理）27(1980)677-687。

Claims

1.一种用于对旨在构成光电电池的硅片（4）进行机械纹理化的装置（1），所述装置包括多个碳化钨尖端（3，30，31）以及具有多个凹槽（20）的支撑件（2），所述凹槽中的每一个均能够容纳碳化钨尖端以使所述碳化钨尖端能够滑动，并且还包括将所述多个尖端中的每一个均以恒定力压靠在所述硅片上的设备，所述恒定力与所述晶片的厚度变化无关。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述支撑件能够容纳所述尖端使得所述尖端能够自由滑动。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述设备施加由所述尖端（3，30，31）中的每一个的固有重量组成的压力。

4.根据权利要求1至3中的一项所述的装置，其中，所述尖端具有直棱柱的形式的下部分（31），所述直棱柱具有三角形的底部，所述三角形的顶点处的角度小于能够容纳所述尖端的所述凹槽（20）的顶点（200）处的角度。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述尖端（31）的所述三角形的所述顶点处的所述角度在30至45°之间。

6.根据前述权利要求中的一项所述的装置，其中，蚀刻间距d在5μm至40μm之间。

7.一种用于对旨在构成光电电池的硅片（4）进行机械纹理化的方法，所述方法由根据前述任一权利要求所述的装置（1）实施，据此施加介于0.1至2N之间的恒定压力。

8.根据权利要求7所述的方法，据此施加介于0.3至1N之间的恒定压力。

9.根据权利要求7或8所述的方法，据此所述压力的至少一部分由施加在所述尖端上的气体压力产生。

10.根据权利要求7至9中的一项所述的方法，据此所述支撑件以介于5至100mm/s之间的速度移动。

11.根据权利要求7至10中的一项所述的方法获得的多晶硅片（4），所述多晶硅片旨在构成光电电池，所述多晶硅片的表面具有深度在5至50μm之间的均匀蚀刻图案。