CN103643289A

CN103643289A - 基于化学刻蚀的单晶硅表面结构及其制备及应用

Info

Publication number: CN103643289A
Application number: CN201310643057.9A
Authority: CN
Inventors: 单以洪; 冯仕猛; 雷刚; 鞠雪梅
Original assignee: Shanghai Jiaotong University; Shanghai Institute of Space Power Sources
Current assignee: Shanghai Jiaotong University; Shanghai Institute of Space Power Sources
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2033-12-03
Also published as: CN103643289B

Abstract

一种半导体制造技术领域的基于化学刻蚀的单晶硅表面结构及其制备及应用方法，该单晶硅表面结构的表面为绒面且均匀分布有高度为1-3μm的金字塔结构，该金字塔结构的尖锐的棱边被平滑化且没有尖锐的顶角和棱边的单晶硅表面形貌。本发明通过对其少子寿命、表面反射率等参数的测量，发现其效果更优于普通碱液制绒的金字塔绒面。

Description

基于化学刻蚀的单晶硅表面结构及其制备及应用

技术领域

本发明涉及的是一种半导体制造技术领域的方法，具体是一种基于化学刻蚀的单晶硅表面结构及其制备及应用方法。

背景技术

如何提高单晶硅太阳能电池的转换效率成为一个亟待解决的问题，用于单晶硅制绒的方法有很多种,有机械刻槽方法，无掩膜反应离子刻蚀和掩膜反应离子刻蚀,激光刻蚀,化学反应刻蚀等方法，综合生产成本以及本身制绒的缺陷来说，化学反应刻蚀以其成本低和工艺简单可操作性强表现出极大的实用性。化学反应刻蚀在市场上也是得到了大规模的推广，技术较为成熟。在实验室里已经获得的最高转换效率可以达到24.7%左右，工艺生产中太阳能电池的转换效率也达到了18%，这相对于以前硅太阳能电池较低的转换效率是一个相当大的进步。单晶硅片的制绒主要是利用一些化学腐蚀液腐蚀硅表面，在硅表面制绒出一些规则的金字塔结构，使得入射太阳光能够进行多次的折反射，最大程度的使入射光被硅表面吸收，降低其反射率，提高其转换效率。这些结构可以增加入射光多次的折反射次数，表面刻蚀也成为工业生产中一个常用的技术。

目前主要通过碱液添加一些添加剂制绒单晶硅表面，一般得到的表面形貌为类似于金字塔结构的形貌，得到的金字塔一般大小分布不够均匀，尺寸相差甚大，且金字塔由于其尖锐的顶角和棱边，在这些地方很容易产生缺陷态，使得体积膨胀具有不均匀性，由于应力容易集中使得钝化薄膜与硅表面产生裂缝，容易产生漏电流，不利于太阳能电池转换效率的提高。

经过对现有技术的检索发现，中国专利号CN102154712A由宁波尤利卡太阳能科技发展有限公司于2011年8月17日公布了《单晶硅太阳能电池制绒液及其制备方法》，加入醛类物质在一定程度上减少了异丙醇的用量，获得3～5大小的金字塔结构，但是所使用的乙醛和丙醛的沸点都非常低，在反应温度下很容易挥发，且乙醛的蒸汽与空气易形成爆炸物，丙醛遇火易燃，都存在一定的危险性。获得的金字塔大小差异较大，均匀性较差，不利于获得好的陷光效应。

中国专利文献号:CN102181935A，公布日:2011.09.14，公开了一种制作单晶硅绒面的方法及腐蚀液，该技术涉及的用于制作单晶硅绒面的腐蚀液，以质量浓度计，包括：0.1％～0.5％的NaOH和/或KOH、5～8％的异丙醇和/或乙醇、0.3％～0.5％的乳酸钠、1％～2％的尿素和余量水。该技术通过选用乳酸钠和尿素作为添加剂，与碱溶液和醇溶液配合制成腐蚀液，其制备的单晶硅绒面对太阳光的反射率可以降低到6％～8％，但是该技术中采用的异丙醇有毒性，且异丙醇和乙醇的用量比较多，这就在成本上限制了其大批量使用。

中国专利文献号:CN102108557A，公布日:2011.06.29，公开了一种制备单晶硅绒面的方法，该技术包括以下步骤：1)在75℃～85℃的恒温槽内用45％的碱溶液与去离子水配置浓度为0.05％-0.5％的粗抛液，2)去离子水的配比是87％-98.4％；将0.5％～5％的分析纯碱与去离子水制成浓度为45％的碱溶液，再在75℃～85℃的恒温槽内，将制成的45％的碱溶液与1％～7％的分析纯异丙醇、0.1％～1％的分析纯硅酸钠和剩余的去离子水混合配制成碱腐蚀液；3)将单晶硅片放入粗抛液中进行预清洗1～6min，将单晶硅片取出，温水浸泡后放入碱腐蚀液中进行反应10～30min，将其取出，用去离子水冲洗干净并烘干。该技术制备出的单晶硅绒面的金字塔尺寸小且均匀，提高了电池的吸光能力，但是该技术形成的绒面金字塔棱边不够平滑，这在一定程度上容易形成较大的漏电流，不利于提高太阳能电池的转换效率。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于化学刻蚀的单晶硅表面结构及其制备及应用，通过对其少子寿命、表面反射率等参数的测量，发现其效果更优于普通碱液制绒的金字塔绒面。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于化学刻蚀的单晶硅表面结构，其表面为绒面且均匀分布有高度为1-3μm的金字塔结构，该金字塔结构的尖锐的棱边被平滑化且没有尖锐的顶角和棱边的单晶硅表面形貌。这样的特点使得该表面结构能够大大降低太阳能栅极漏电流，由于尖锐的顶角和棱边容易造成高的缺陷态密度，增加电子空穴的复合中心，使得少子寿命降低。而平滑的顶角和棱边将极大的降低顶角以及棱边处的缺陷态密度，从而提高少子寿命。

本发明涉及上述单晶硅表面结构的制备方法，通过将清洁后的硅片置于由水浴锅加热的腐蚀液中，以78～90℃腐蚀25～45分钟后得到。

所述的腐蚀液的组分及含量为：NaOH5g、乙二醇20mL、乙醇10mL、乙醇钠0.2g、去离子水400mL以及表面活性剂。

所述的表面活性剂采用：全氟烷基醚羧酸钾盐FC-5、阳离子聚丙烯酰胺、聚乙二醇酸酯、多元醇酯或月桂酰二乙醇胺中的一种或多种，其用量为0.2～1g/L。

当界面被表面活性剂覆盖时，表面张力就会降低，表面活性剂吸附于界面的动力主要是降低相界面的自由能，对腐蚀过程有一定的调节作用。

所述的清洗是指：用无水乙醇将硅片超声3-5分钟，前后反复两遍，再依次用热、冷超纯水清洗。

所述的超纯水电阻率为18Ω·cm。

本发明涉及上述方法制备得到的单晶硅表面结构，通过制绒技术可以将有效入射光在原有基础上提高50%，对于太阳能电池光电转换效率的提高有着极其重要的作用。随着产业的发展，太阳能电池在建筑、航天等领域得到了广泛的应用。

技术效果

与现有技术相比，本发明制备得到一种绒面布满高度为1-3μm的小金字塔结构，没有尖锐的顶角和棱边的单晶硅表面形貌。这种畸变金字塔表面缺陷态少，能降低漏电流，增加少子寿命长。由于少子寿命对开路电压（V_oc）、短路电流（I_sc）、填充因子（FF）的影响，其值也相应的有所增加，能够有效的提高太阳能电池的性能，其所测出的反射率可以降低到11%左右。

附图说明

图1为实施例1制备得到的绒面结构示意图（放大倍数5000倍，SEM型号为SEMILABWT-2000）。

图2为实施例2制备得到的绒面结构示意图。（放大倍数1000倍，SEM型号为SEMILABWT-2000）。

图3为实施例3制备得到的绒面结构示意图。（放大倍数500倍，SEM型号为SEMILABWT-2000）。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例具体包括以下步骤：

1）配置太阳能电池单晶硅片制绒液，该制绒液由碱性溶液、乙二醇以及表面活性剂组成，其中：碱性试剂NAOH所占配比为5g/L，乙二醇含量为40ml/L，乙醇钠0.2g/L，以及0.2g/L作为表面活性剂的全氟烷基醚羧酸钾盐FC-5、阳离子聚丙烯酰胺、聚乙二醇酸酯、多元醇酯或月桂酰二乙醇胺中一种或者多种。

2）在80～82℃的温度下反应25min，去离子水清洗干净后烘干观察表面形貌，如图1所示，金字塔棱边比较圆滑，且尖锐的棱边坍塌为平缓的棱面，如图1实线包围所示；

实施例2

本实施例具体包括以下步骤：

1）配置太阳能电池单晶硅片制绒液，该制绒液由碱性溶液、乙二醇以及表面活性剂组成，其中：碱性试剂NAOH所占配比为10g/L，乙二醇含量为40ml/L，乙醇钠0.2g/L，以及0.6g/L作为表面活性剂的全氟烷基醚羧酸钾盐FC-5、阳离子聚丙烯酰胺、聚乙二醇酸酯、多元醇酯或月桂酰二乙醇胺中一种或者多种。

2）在80～82℃的温度下反应25min，去离子水清洗干净后烘干观察表面形貌；

如图2所示，金字塔大小较为均匀，且棱边非常光滑；

实施例3

本实施例具体包括以下步骤：

1）配置太阳能电池单晶硅片制绒液，该制绒液由碱性溶液、乙二醇以及表面活性剂组成，其中：碱性试剂NAOH所占配比为15g/L，乙二醇含量为40ml/L，乙醇钠0.2g/L，以及1g/L作为表面活性剂的全氟烷基醚羧酸钾盐FC-5、阳离子聚丙烯酰胺、聚乙二醇酸酯、多元醇酯或月桂酰二乙醇胺中一种或者多种。

2）在80～82℃的温度下反应25min，去离子水清洗干净后烘干观察表面形貌，如图3所示，金字塔结构非常均匀，且表面金字塔较为平滑，无尖锐的顶角和棱边；

综上，本方法制备得到的绒面结构可以克服传统碱液刻蚀的金字塔结构的绒面存在的一些缺点，如尖锐的顶角和棱边，缺陷态密度比较大，导致少子寿命较低。此种新型绒面轮廓结构相对较为平滑，表面反射率较低，此种形貌测出的少子寿命相对于金字塔结构的较长。少子寿命在不同程度上会影响太阳能电池的重要参数，例如开路电压，短路电流，填充因子，所以近年来对少子寿命的产生原因，以及如何增加少子寿命的研究越来越受到人们的重视。

Claims

1.一种基于化学刻蚀的单晶硅表面结构，其特征在于，其表面为绒面且均匀分布有高度为1-3μm的金字塔结构，该金字塔结构的尖锐的棱边被平滑化且没有尖锐的顶角和棱边的单晶硅表面形貌。

2.根据权利要求1所述的单晶硅表面结构的制备方法，其特征在于，通过将清洁后的硅片置于由水浴锅加热的腐蚀液中，以78～90℃腐蚀25～45分钟后得到；

所述的腐蚀液由NaOH、乙二醇、乙醇、乙醇钠、去离子水以及表面活性剂组成。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的腐蚀液的组分及含量为：NaOH5g、乙二醇20mL、乙醇10mL、乙醇钠0.2g、去离子水400mL以及表面活性剂0.2～1g/L。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征是，所述的表面活性剂采用：全氟烷基醚羧酸钾盐FC-5、阳离子聚丙烯酰胺、聚乙二醇酸酯、多元醇酯或月桂酰二乙醇胺中的一种或多种。

5.根据权利要求2或3所述的方法，其特征是，所述的腐蚀液的组分及含量选择以下三种中的任意一种：

a)碱性试剂NAOH5g/L，乙二醇40ml/L，乙醇钠0.2g/L以及表面活性剂0.2g/L;

b)碱性试剂NAOH10g/L，乙二醇40ml/L，乙醇钠0.2g/L以及表面活性剂0.6g/L；

c)碱性试剂NAOH15g/L，乙二醇40ml/L，乙醇钠0.2g/L以及表面活性剂1g/L。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的清洗是指：用无水乙醇将硅片超声3-5分钟，前后反复两遍，再依次用热、冷超纯水清洗。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述的超纯水电阻率为18Ω·cm。