CN106098843B - 一种接近式软膜曝光微纳陷光结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种接近式软膜曝光微纳陷光结构的制备方法，属于太阳能电池技术领域，包括以下步骤：1)硬模板的制备；2)将硬模板图形转换至软模板；3)将太阳能电池硅片进行预清洗，去除表面损伤层；4)在清洗后硅片表面涂覆感光胶；5)将软模板通过真空压力，垂直吸附在感光胶上表面，在平行光照中进行曝光；6)曝光后的硅片经前烘干，然后用显影液显影，最后经后烘干；7)采用等离子刻蚀或湿法刻蚀，即得硅衬底微纳陷光结构。采用本发明方法制备的微纳米级织构结构可降低硅衬底表面的反射，织构结构为亚微米或纳米级、大小均匀、按照一定方式排列，形状可控，用以晶硅为衬底的太阳能电池，可增加太阳能电池对太阳光的吸收和利用。
Description
技术领域
本发明涉及微纳织构的制备方法，具体涉及一种在太阳能电池硅衬底使用接近式软膜曝光微纳陷光结构的制备方法，属于太阳能电池技术领域。
背景技术
常规的化石燃料日益消耗殆尽，太阳能作为一种清洁能源是最有潜力替代化石燃料的能源。晶硅太阳能电池是一种有效地吸收太阳能辐射并使之转化为电的半导体电子器件，是目前太阳能电池发展的主流，占据着绝大部分市场份额。
为了降低晶硅表面的反射率，在太阳能电池的工艺制程中，在晶硅表面织构化，增加光的吸收。一般单晶硅采用碱溶液腐蚀，多晶硅采用酸溶液腐蚀。然而，传统的溶液腐蚀的方法所得到的织构化结构，尺寸在微米级，生长不可控，大小不均且排列杂乱，最终导致电池片的漏电流较大，填充因子低，光学反射率很高，严重限制了晶硅太阳能电池的光电转换效率的提升。
CN 10359701 A公开了一种基于纳米压印技术制备晶硅太阳电池局域背接触的方法，其侧重点在于在太阳能电池的背面(受光面相对的那一面)通过纳米压印技术形成接触电极，以构成所需的电路。该现有技术同样还对纳米压印技术进行了详细描述。另外，罗康等人在《电子工艺技术》第30卷第5期(2009年9月)的文章“纳米压印技术进展及应用”中对纳米压印技术进行了介绍，详细说明了该技术在集成电路领域的发展情况。
CN 102148292 B公开了一种利用纳米压印技术制备太阳能电池绒面的方法，其侧重点是在太阳能电池一侧(受光面)，通过纳米压印技术形成间隔分布的沟槽图案模板。
虽然纳米压印技术业已相当成熟，但是该技术主要应用于集成电路或太阳能技术中电路的制造。而CN 102148292 B公开的纳米压印，采用将图案模板压印进入掩膜内部，压印曝光后需要进行脱模工艺，脱模过程中由于掩膜与图案模板的粘附作用，造成一部分掩膜粘连在图案模板上，导致图案缺失，及图案模板被污染，影响后续的压印制程精准度；并且图案模板需要一定的压力压印到掩膜内部，会对硅片造成压力性破坏，导致硅片隐裂比例升高，不适用于低价的薄硅片。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种接近式软膜曝光微纳陷光结构的制备方法，可有效提高模具的清洁度，提高曝光的精准度及均匀性，并可实现薄硅片表面制备微纳陷光结构，将硅片的反射率降低到2％以下。
为了实现上述目的，本发明采用的一种接近式软膜曝光微纳陷光结构的制备方法，包括以下步骤：
1)硬模板的制备；
2)将硬模板图形转换至软模板；
3)将太阳能电池硅片进行预清洗，去除表面损伤层；
4)在清洗后硅片表面涂覆感光胶；
5)将软模板通过真空压力，垂直吸附在感光胶上表面，在平行光照中进行曝光；
6)曝光后的硅片经前烘干，然后用显影液显影，最后经后烘干；
7)采用等离子刻蚀或湿法刻蚀，即得硅衬底微纳陷光结构。
作为改进，所述步骤1)中硬模板用作软膜板的母版，硬模板上图形与硅片图形相同，硬模板尺寸为硅片尺寸的1.2-1.5倍。
作为改进，所述硬模板采用硅、宝石、铜或铁为材质。
作为改进，所述步骤2)中软模板作为曝光模板，软模板采用塑性材料。
作为改进，所述步骤2)中将硬模板图形转换至软模板的具体过程为：
(a)先将塑性材料加热至流体状态，搅拌混合5-20min；
(b)将搅拌后塑性材料下料于放置在治具容器内的硬膜板上，所述硬模板的图案端朝向下料端，下料高度为6-15mm；
(c)真空脱泡20-50min，流平30min-90min；
(d)将治具容器在100-150℃中，固化20-40min，冷却后将软膜脱模，以上步骤(a)至步骤(d)的工艺均在百级净化环境中完成。
作为改进，所述步骤3)中硅片采用NaOH溶液抛光清洗。
作为改进，所述步骤4)涂胶的具体操作为：在硅片表面涂覆一层均匀厚度的感光胶，硅片以1000-5000rpm的转速做高速旋转，感光胶在离心力作用下涂覆在硅片表面，经100-150℃烘烤1-5min。
作为改进，所述步骤5)中软模板曝光的具体过程为：将软模板平行放置到硅片正上方，根据分辨率调整软膜板与硅片间隙，保证紫外光经软膜板滤光后聚焦到硅片正表面。
作为改进，所述步骤7)中刻蚀的具体操作为：
当采用湿法刻蚀时，选用氢氧化钠与异丙醇的混合物，氢氧化钠质量分数为1％-2％，异丙醇体积分数为1-5％，温度为80℃，反应时间15-25min；
采用电浆蚀刻气体为SF6、O2和Cl2的混合气体，或采用SF6、N2O和CH3F的混合气体，SF6气流量为20-100sccm，O2或N2O的气流量为50-150sccm，Cl2或CH3F气流量为20-150sccm，蚀刻时间为2-6min。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明创造性的提出接近式软膜曝光技术，将软膜板放置于掩膜正上方与掩膜非接触，这样在曝光完成后不需要脱模工艺，减少工艺步骤，提高生产效率。
(2)本发明的接近式软膜曝光完成后，直接通过传递装置将硅基体传递到后续工艺，提高生产效率。
(3)本发明中软膜板曝光工艺相对于传统的纳米压印模具，其成本降低50％以上。
(4)本发明中由于软膜板与掩膜板非接触，软膜表面清洁度高，避免因脱模造成的图案缺失、模具污染，而降低曝光后图形的精准度及均匀性。
(5)该接近式软膜曝光工艺，采用与掩膜板非接触，对硅片表面无压力破坏，可适用于薄硅片，降低光伏制绒生产成本。
(6)该软膜曝光工艺制备的微纳陷光结构均匀，排列方式可控，反射率可达到2％以下。
附图说明
图1为本发明中硬膜板的结构示意图；
图2为本发明中软膜板的结构示意图；
图3为本发明中曝光过程示意图；
图4为本发明的工艺流程图；
图中：1、平行光束，2、软模板，3、感光胶，4、硅基体。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例一
如图1、图2、图3和图4所示，一种接近式软膜曝光微纳陷光结构的制备方法，包括以下步骤：
1)硬模板的制备：硬模板作为软膜板的母版，材质选为硅；硬模板图形与硅片图形相同，尺寸为硅片尺寸的1.2倍，硬膜板采用等离子刻蚀技术得到设计图形；
2)将硬模板图形转换至软模板：软模板作为曝光模板，采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)，制作软膜板的过程包括：
(a)先将聚二甲基硅氧烷加热至流体状态，搅拌混合5min；
(b)将搅拌后聚二甲基硅氧烷下料于放置在治具容器内的硬膜板上，所述硬模板的图案端朝向下料端，下料高度为6mm；
(c)真空脱泡20min，流平30min；
(d)将治具容器在100℃中，固化20min，冷却后将软膜脱模，以上步骤(a)至步骤(d)的工艺均在百级净化环境中完成；
3)将太阳能电池硅片采用NaOH溶液抛光清洗，去除表面损伤层；
4)在清洗后硅片表面涂覆感光胶：在硅片表面涂覆一层均匀厚度的感光胶，硅片以1000rpm的转速做高速旋转，感光胶在离心力作用下涂覆在硅片表面，经100℃烘烤1min；
5)将软模板2通过真空压力，垂直吸附在感光胶3上表面，在平行光束1的照射下，使其在硅基体4上曝光；
6)曝光后的硅片经前烘干，然后用显影液显影，最后经后烘干；
7)采用等离子刻蚀或湿法刻蚀，即得硅衬底微纳陷光结构；
当采用湿法刻蚀时，选用氢氧化钠与异丙醇的混合物，其中氢氧化钠质量分数为1％，异丙醇体积分数为1％，温度为80℃，反应时间15min；
采用电浆蚀刻气体为SF6、O2和Cl2的混合气体，或采用SF6、N2O和CH3F的混合气体，SF6气流量为20sccm，O2或N2O的气流量为50sccm，Cl2或CH3F气流量为20sccm，蚀刻时间为2min。
实施例二
一种接近式软膜曝光微纳陷光结构的制备方法，包括以下步骤：
1)硬模板的制备：硬模板为软膜板的母版，材质为宝石；硬模板图形与硅片图形相同，尺寸为硅片尺寸的1.3倍，硬膜板采用等离子刻蚀技术得到设计图形；
2)将硬模板图形转换至软模板，软模板作为曝光模板，软模板采用塑性材料，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)或多种组分的混合材料，制作软膜板的过程包括：
(a)先将塑性材料加热至流体状态，搅拌混合10min；
(b)将搅拌后塑性材料下料于放置在治具容器内的硬膜板上，所述硬模板的图案端朝向下料端，下料高度为10mm；
(c)真空脱泡30min，流平60min；
(d)将治具容器在120℃中，固化30min，冷却后将软膜脱模，以上步骤(a)至步骤(d)的工艺均在百级净化环境中完成；
3)将太阳能电池硅片采用NaOH溶液进行抛光预清洗，去除表面损伤层；
4)在清洗后硅片表面涂覆感光胶：在硅片表面涂覆一层均匀厚度的感光胶，硅片以3000rpm的转速做高速旋转，感光胶在离心力作用下涂覆在硅片表面，经130℃烘烤3min；
5)将软模板2通过真空压力，垂直吸附在感光胶3上表面，在平行光束1的照射下，使其在硅基体4上曝光；
6)曝光后的硅片经前烘干，然后用显影液显影，最后经后烘干；
7)采用等离子刻蚀或湿法刻蚀，即得硅衬底微纳陷光结构；
当采用湿法刻蚀时，选用氢氧化钠与异丙醇的混合物，氢氧化钠质量分数为1.5％，异丙醇体积分数为3％，温度为80℃，反应时间20min；
采用电浆蚀刻气体为SF6、O2和Cl2的混合气体，或采用SF6、N2O和CH3F的混合气体，SF6气流量为60sccm，O2或N2O的气流量为100sccm，Cl2或CH3F气流量为80sccm，蚀刻时间为4min。
实施例三
一种接近式软膜曝光微纳陷光结构的制备方法，包括以下步骤：
1)硬模板的制备：硬模板为软膜板的母版，材质为铜、铁等金属材质；硬模板图形与硅片图形相同，尺寸为硅片尺寸的1.5倍，硬膜板采用等离子刻蚀技术得到设计图形；
2)将硬模板图形转换至软模板，软模板作为曝光模板，软模板采用塑性材料，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)或多种组分的混合材料，制作软膜板的过程包括：
(a)先将塑性材料加热至流体状态，搅拌混合20min；
(b)将搅拌后塑性材料下料于放置在治具容器内的硬膜板上，所述硬模板的图案端朝向下料端，下料高度为15mm；
(c)真空脱泡50min，流平90min；
(d)将治具容器在150℃中，固化40min，冷却后将软膜脱模，以上步骤(a)至步骤(d)的工艺均在百级净化环境中完成；
3)将太阳能电池硅片采用NaOH溶液抛光清洗，去除表面损伤层；
4)在清洗后硅片表面涂覆感光胶：在硅片表面涂覆一层均匀厚度的感光胶，硅片以5000rpm的转速做高速旋转，感光胶在离心力作用下涂覆在硅片表面，经150℃烘烤5min；
5)将软模板2通过真空压力，垂直吸附在感光胶3上表面，在平行光束1的照射下，使其在硅基体4上曝光；
6)曝光后的硅片经前烘干，然后用显影液显影，最后经后烘干；
7)采用等离子刻蚀或湿法刻蚀，即得硅衬底微纳陷光结构；
当采用湿法刻蚀时，选用氢氧化钠与异丙醇的混合物，氢氧化钠质量分数为2％，异丙醇体积分数为5％，温度为80℃，反应时间25min；
采用电浆蚀刻气体为SF6、O2和Cl2的混合气体，或采用SF6、N2O和CH3F的混合气体，SF6气流量为100sccm，O2或N2O的气流量为150sccm，Cl2或CH3F气流量为150sccm，蚀刻时间为6min。
采用本发明接近方法制备的微纳米级织构结构可降低硅衬底表面的反射，织构结构为亚微米或纳米级、大小均匀、按照一定方式排列，形状可控，用以晶硅为衬底的太阳能电池，可增加太阳能电池对太阳光的吸收和利用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种接近式软膜曝光微纳陷光结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)硬模板的制备；
2)将硬模板图形转换至软模板；
3)将太阳能电池硅片进行预清洗，去除表面损伤层；
4)在清洗后硅片表面涂覆感光胶；
5)将软模板通过真空压力，垂直吸附在感光胶上表面，在平行光照中进行曝光；
6)曝光后的硅片经前烘干，然后用显影液显影，最后经后烘干；
7)采用等离子刻蚀或湿法刻蚀，即得硅衬底微纳陷光结构。
2.根据权利要求1所述的一种接近式软膜曝光微纳陷光结构的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中硬模板用作软膜板的母版，硬模板上图形与硅片图形相同，硬模板尺寸为硅片尺寸的1.2-1.5倍。
3.根据权利要求2所述的一种接近式软膜曝光微纳陷光结构的制备方法，其特征在于，所述硬模板采用硅、宝石、铜或铁为材质。
4.根据权利要求1所述的一种接近式软膜曝光微纳陷光结构的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中软模板作为曝光模板，软模板采用塑性材料。
5.根据权利要求4所述的一种接近式软膜曝光微纳陷光结构的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中将硬模板图形转换至软模板的具体过程为：
(a)先将塑性材料加热至流体状态，搅拌混合5-20min；
(b)将搅拌后塑性材料下料于放置在治具容器内的硬膜板上，所述硬模板的图案端朝向下料端，下料高度为6-15mm；
(c)真空脱泡20-50min，流平30min-90min；
(d)将治具容器在100-150℃中，固化20-40min，冷却后将软膜脱模，以上步骤(a)至步骤(d)的工艺均在百级净化环境中完成。
6.根据权利要求1所述的一种接近式软膜曝光微纳陷光结构的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中硅片采用NaOH溶液抛光清洗。
7.根据权利要求1所述的一种接近式软膜曝光微纳陷光结构的制备方法，其特征在于，所述步骤4)涂胶的具体操作为：在硅片表面涂覆一层均匀厚度的感光胶，硅片以1000-5000rpm的转速做高速旋转，感光胶在离心力作用下涂覆在硅片表面，经100-150℃烘烤1-5min。
8.根据权利要求1所述的一种接近式软膜曝光微纳陷光结构的制备方法，其特征在于，所述步骤5)中软模板曝光的具体过程为：将软模板平行放置到硅片正上方，根据分辨率调整软膜板与硅片间隙，保证紫外光经软膜板滤光后聚焦到硅片正表面。
9.根据权利要求1所述的一种接近式软膜曝光微纳陷光结构的制备方法，其特征在于，所述步骤7)中刻蚀的具体操作为：
当采用湿法刻蚀时，选用氢氧化钠与异丙醇的混合物，氢氧化钠质量分数为1％-2％，异丙醇体积分数为1-5％，温度为80℃，反应时间15-25min；
采用电浆蚀刻气体为SF6、O2和Cl2的混合气体，或采用SF6、N2O和CH3F的混合气体，SF6气流量为20-100sccm，O2或N2O的气流量为50-150sccm，Cl2或CH3F气流量为20-150sccm，蚀刻时间为2-6min。
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