CN103426736A

CN103426736A - 单晶硅倒金字塔绒面的激光化学次序可控制备方法

Info

Publication number: CN103426736A
Application number: CN2013102711376A
Authority: CN
Inventors: 季凌飞; 吕晓占; 吴燕; 凌晨; 胡炎; 蒋毅坚; 王世贤
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2013-06-30
Filing date: 2013-06-30
Publication date: 2013-12-04

Abstract

本发明公开了单晶硅倒金字塔绒面的激光化学次序可控制备方法。本发明包括以下步骤：1.激光扫描开孔定位：软件绘制所需制绒图形（CAD绘制），皮秒激光依照图形在清洗后的硅片表面进行扫描开孔，形成微米级倒锥形孔均匀分布的绒面；2.酸洗孔状绒面：先用HF酸漂洗，再进行蒸馏水清洗。3.酸洗孔状绒层：先用HF酸漂洗，再进行超纯水清洗。4.制备倒金字塔绒面：将酸洗后的样品放入配置好的碱性溶液中水浴加热，制备出微米级倒金字塔绒面。本发明省去了制备和去除掩膜工艺，代之以激光扫描开孔技术，制绒区域的大小和形状可通过软件（CAD）进行定制；在太阳光谱光子密集的400nm-700nm波段具有优异的减反效果，反射率达到了5%。

Description

单晶硅倒金字塔绒面的激光化学次序可控制备方法

技术领域

本发明涉及晶硅太阳能电池技术领域，尤其是涉及单晶硅倒金字塔绒面的激光化学次序可控制备方法。

背景技术

在光伏产业中，单晶硅和多晶硅太阳能电池具有主导地位，占据着大部分市场份额。与多晶硅相比，单晶硅更能有效制备出具有规则微结构形貌和低反射率的绒层，且以单晶硅为基底的太阳能电池光电转化效率更高。单晶硅表面制绒，通常采用湿法刻蚀工艺，即通过碱性溶液（如氢氧化钠溶液等）对硅片（100）面进行处理，由于各向异性腐蚀，表面会凹凸不平，从而增加光程，达到陷光目的。单纯的碱溶液刻蚀可制备出随机的正金字塔陷光微结构，而掩膜辅助碱溶液刻蚀则可制备出大小、分布可控且具有更优良陷光效果的倒金字塔结构，因此倒金字塔制绒技术常见于高效单晶硅太阳能电池，如PERL太阳能电池等。

通常倒金字塔制绒，可分为四个步骤：1、PECVD方法制备一层氮化硅薄膜；2、反应离子刻蚀（RIE）在氮化硅薄膜上均匀开孔，制备蚀刻掩模；3、碱溶液在氮化硅薄膜开孔处刻蚀，制备出倒金字塔结构；4、去除掩膜。（T.Juvonen,J.H

and P.Kuivalainen,"High Efficiency Single Crystalline Silicon Solar Cells",Physica Scripta,T101,96-98,2002）由此可见，刻蚀掩膜的制备、开孔和去除，工艺步骤较为复杂，制约生产效率，且相应设备投入较高。

发明内容

本发明公开了单晶硅倒金字塔绒面的激光化学次序可控制备方法，这是一种先通过激光开孔定位，即先在硅片表面进行激光扫描开孔，再通过碱溶液在制得的孔位上进行刻蚀，形成倒金字塔绒面的制备方法，制绒区域的大小和形状可通过软件进行绘制（CAD绘制），该方法简化了传统掩膜刻蚀制备单晶硅倒金字塔绒面的制作工艺，提供了一种操作简单、成本低廉、可定制制绒区域大小和形状的制备方法，同时制备的绒面具有较低的反射率。

单晶硅倒金字塔绒面的激光化学次序可控制备方法，包括如下步骤：

（1）激光扫描开孔定位：软件绘制所需制绒图形（CAD绘制），清洗硅片，通过电脑控制聚焦到微米级光斑的1064nm皮秒激光依照图形在硅片表面进行扫描开孔，形成微米级倒锥形孔均匀分布的绒面，能量密度：6.8J/cm²～8.4J/cm²，A=1.56*10⁷～2.68*10⁷（定义A为硅片表面平均每平方厘米所接收到的脉冲数）；

（2）酸洗孔状绒面：用体积分数为15%～25%的HF酸漂洗孔状绒面3～5min，去除氧化物，再进行蒸馏水超声清洗3～5min，去除碎屑，之后氮气吹干；

（3）制备倒金字塔绒面：将酸洗后的样品放入配置好的碱性溶液中水浴加热，温度为75～80℃，加热时间依步骤（2）制备的孔状绒面孔的开孔大小而定，通常20～30μm直径的开孔，需要加热10～15min，最后制备出微米级倒金字塔绒面。其中碱性溶液由氢氧化钠、无水乙醇和蒸馏水配置而成，各原料的质量百分比为：

氢氧化钠 3%～5%

无水乙醇 15%～25%

蒸馏水余量。

与现有技术方案对比，本发明有如下增益：

1、本发明所提出的制备方法，与传统方法相比，省去了制备和去除掩膜，代之以激光扫描开孔技术，简化了传统掩膜刻蚀制备倒金字塔绒面的制作工艺，提供了一种操作简单、成本低廉的制备方法。

2、本发明所提出的制备方法，制绒区域的大小和形状可通过软件进行定制（CAD绘制），可满足不同的生产需求。

3、本发明所提出的制备方法，制备的绒面在350nm-1050nm波段具有较低的反射率，基本在15%以下，而在太阳光谱光子密集的400nm-700nm波段则获得了优异的减反效果，反射率达到了5%。

附图说明

图1为激光扫描开孔绒层。

图2为倒金字塔绒面SEM图。

图3为样品1#～3#的绒层反射率图。

图4为“E”字形CAD图。

图5为“E”字形倒金字塔绒面SEM图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进行详细说明：

所用硅片为n型单晶硅片，（100）抛光面制绒。

实施例1：

（1）激光扫描开孔定位：用聚焦后的1064nm皮秒激光逐行扫描硅片表面，聚焦光斑直径40μm，扫描线长8mm，扫描间距30μm，能量密度：7.5J/cm²，A=2.00*10⁷（定义A为硅片表面平均每平方厘米所接收到的脉冲数），在硅片表面形成均匀分布的倒锥形孔，开孔直径30μm左右，最后得到尺寸为8mm*8mm的方形绒面，如图1；

(2)酸洗孔状绒层：先用体积分数为15%的HF酸进行漂洗，漂洗时间5min，去除生成的氧化物，再进行蒸馏水超声清洗5min，去除碎屑，之后氮气吹干；

(3)制备倒金字塔绒面：将酸洗后的样品放入配置好的碱性溶液中水浴加热15min，温度75℃，最后制备出8mm*8mm倒金字塔方形绒面，金字塔边长12～15μm。其中碱性溶液由氢氧化钠、无水乙醇和蒸馏水配置而成，各原料的质量百分比为：

氢氧化钠 5%

无水乙醇 15%

蒸馏水余量。

制得的样品为样品1#，如图2。

实施例2：

（1）制备孔状绒面：用聚焦后的1064nm皮秒激光逐行扫描硅片表面，聚焦光斑直径40μm，扫描线长8mm，扫描间距20μm，能量密度：8.4J/cm²，A=1.56*10⁷（定义A为硅片表面平均每平方厘米所接收到的脉冲数），在硅片表面形成均匀分布的倒锥形孔，开孔直径20μm左右，最后得到尺寸为8mm*8mm的方形绒面；

(2)酸洗孔状绒层：先用体积分数为25%的HF酸进行漂洗，漂洗时间3min，去除生成的氧化物，再进行蒸馏水超声清洗3min，去除碎屑，之后氮气吹干；

(3)制备倒金字塔绒面：将酸洗后的样品放入配置好的碱性溶液中水浴加热10min，温度80℃，最后制备出8mm*8mm倒金字塔方形绒面，金字塔边长10～12μm。其中碱性溶液由氢氧化钠、无水乙醇和蒸馏水配置而成，各原料的质量百分比为：

氢氧化钠 3%

无水乙醇 25%

蒸馏水余量。

制得的样品为样品2#。

实施例3：

（1）制备孔状绒面：用聚焦后的1064nm皮秒激光逐行扫描硅片表面，聚焦光斑直径40μm，扫描线长8mm，扫描间距30μm，能量密度：6.8J/cm²，A=2.68*10⁷（定义A为硅片表面平均每平方厘米所接收到的脉冲数），在硅片表面形成均匀分布的倒锥形孔，开孔直径30μm左右，最后得到尺寸为8mm*8mm的方形绒面；

(2)酸洗孔状绒层：先用体积分数为20%的HF酸进行漂洗，漂洗时间5min，去除生成的氧化物，再进行蒸馏水超声清洗5min，去除碎屑，之后氮气吹干；

(3)制备倒金字塔绒面：将酸洗后的样品放入配置好的碱性溶液中水浴加热15min，温度78℃，最后制备出8mm*8mm倒金字塔方形绒面，金字塔边长12～15μm。其中碱性溶液由氢氧化钠、无水乙醇和蒸馏水配置而成，各原料的质量百分比为：

氢氧化钠 4%

无水乙醇 20%

蒸馏水余量。

制得的样品为样品3#。

实施例4：

（1）激光扫描开孔定位：通过软件（CAD）绘制出0.9mm*0.8mm的“E”字形图案（图4），通过电脑控制聚焦后的皮秒激光依照图形对硅片表面进行逐行扫描，聚焦光斑直径40μm，图形中横线的间距为30μm（即扫描间距为30μm），能量密度：7.5J/cm²，A=2.00*10⁷（定义A为硅片表面平均每平方厘米所接收到的脉冲数），在硅片表面形成均匀分布的倒锥形孔，开孔直径25μm左右，最后得到尺寸为0.9mm*0.8mm的“E”字形绒面；

(3)制备倒金字塔绒面：将酸洗后的样品放入配置好的碱性溶液中水浴加热15min，温度80℃，最后制备出0.9mm*0.8mm的“E”字形倒金字塔绒面，金字塔边长22～25μm。其中碱性溶液由氢氧化钠、无水乙醇和蒸馏水配置而成，各原料的质量百分比为：

氢氧化钠 4%

无水乙醇 20%

蒸馏水余量。

制得的样品为样品4#，如图5。

样品1#～3#的绒层反射率如图2，可以看到样品1#和3#的在400nm～700nm 波段的光反射率维持在7%左右，样品2#在400nm～700nm波段的光反射率则接近5%，而400nm～700nm波段刚好是太阳光谱光子最为密集的波段，因此在此波段获得低反射率具有重要意义。样品4#的制备体现了本发明所提供方法的可控性，制绒区域的大小和形状可以做到较为精细的控制，可满足不同生产需求。

以上所述的具体实施例，对本发明的技术方案和有效增益进行了详细说明。应当理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式，并不用于限制本发明，凡在本发明的实质和基本原理之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.单晶硅倒金字塔绒面的激光化学次序可控制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）激光扫描开孔定位：软件绘制所需制绒图形，清洗硅片，通过电脑控制聚焦后的激光依照图形在硅片表面进行扫描开孔，形成微米级倒锥形孔均匀分布的绒面，能量密度：6.8J/cm²～8.4J/cm²，A=1.56*10⁷～2.68*10⁷，定义A为硅片表面平均每平方厘米所接收到的脉冲数；

（2）酸洗孔状绒面：HF酸漂洗孔状绒面，去除氧化物，再进行蒸馏水超声清洗，去除碎屑，之后氮气吹干；

（3）制备倒金字塔绒面：将酸洗后的样品放入配置好的碱性溶液中水浴加热，制备出微米级倒金字塔绒面。

2.如权利要求1所述的单晶硅倒金字塔绒面的激光化学次序可控制备方法，其特征在于，步骤（1）所用激光为皮秒激光，波长1064nm，光斑聚焦到微米级后对硅片表面进行扫描。

3.如权利要求1所述的单晶硅倒金字塔绒面的激光化学次序可控制备方法，其特征在于，步骤（2）所用HF酸的体积分数为15%～25%，HF酸漂洗时间3～5min，蒸馏水超声清洗时间3～5min。

4.如权利要求1所述的单晶硅倒金字塔绒面的激光化学次序可控制备方法，其特征在于，步骤（3）水浴加热的温度为75～80℃。

5.如权利要求1所述的单晶硅倒金字塔绒面的激光化学次序可控制备方法，其特征在于，步骤（3）水浴加热时间依步骤（2）制备的孔状绒面孔的开孔大小而定，20～30μm直径的开孔，需要加热10～15min。

6.如权利要求1所述的单晶硅倒金字塔绒面的激光化学次序可控制备方法，其特征在于，步骤（3）中碱性溶液由氢氧化钠、无水乙醇和蒸馏水配置而成，各原料的质量百分比为：

氢氧化钠 3%～5%

无水乙醇 15%～25%

蒸馏水余量。