CN109037369B - 一种利用反应离子刻蚀制备高效陷光绒面的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用反应离子刻蚀制备高效陷光绒面的方法，所述制备方法包括：硅片表面预处理步骤，将硅片进行表面腐蚀预处理，得到处理后的硅片；晶种生长步骤，将晶种溶液加入生长溶液中，对混合液进行搅拌，再静置，得到金纳米颗粒溶液；制备金纳米颗粒掩模，将金纳米颗粒溶液旋涂至处理后的硅片表面，干燥后，金纳米颗粒经自组装平铺在处理后的硅片表面，得到具有金纳米颗粒掩模的硅片；反应离子刻蚀，将具有金纳米颗粒掩模的硅片放置在刻蚀气体气氛中进行反应离子刻蚀，再经超声水洗，得到具有锯齿状结构的高效绒光面。所述制备方法操作简单的，成本较低，适合大规模生产；制备得到的陷光绒面性能较好。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池增效技术领域，特别涉及一种利用反应离子刻蚀制备高效陷光绒面的方法。
背景技术
晶体硅电池为了提升转化效率需要进行表面制绒。绒面可让入射光倾斜入射到硅材料，形成多次内部反射、吸收，提高光伏电池的转换效率。
相比传统制绒技术，反应离子刻蚀技术是新兴的一种干法无接触真空技术，适合纳米级绒面的制作。在适当的条件下形成具有更低反射率的粗糙表面。期刊《IEEETRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES》第48卷，第6期报道了采用反应离子刻蚀技术处理硅材料表面，使硅材料反射率在波长300到800纳米范围内降低到5％以下。在反应离子刻蚀技术中，往往采用掩模方式制备出表面形貌规则的绒面结构，这种结构相对于直接在硅片上反应离子刻蚀出的随机绒面具有更高的太阳光吸收效率。然而，反应离子刻蚀所需的掩模需要高精度控制(如光刻技术)，这种掩模往往会造成大规模生产难以实现，制备成本高等缺点。
因此，如何使用简便的工艺以及较低的成本实现利用反应离子刻蚀制备高效陷光绒面，成为亟需解决的问题。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种利用反应离子刻蚀制备高效陷光绒面的方法，包括以下步骤：
a)硅片表面预处理步骤，将硅片进行表面腐蚀预处理，得到处理后的硅片；
b)晶种生长步骤，将晶种溶液加入生长溶液中，对混合液进行搅拌，再静置，得到金纳米颗粒溶液；
c)制备金纳米颗粒掩模，将金纳米颗粒溶液旋涂至处理后的硅片表面，再经干燥后，金纳米颗粒经自组装平铺在处理后的硅片表面，得到具有金纳米颗粒掩模的硅片；
d)反应离子刻蚀步骤，将具有金纳米颗粒掩模的硅片放置在刻蚀气体气氛中进行反应离子刻蚀，形成具有陷光绒面结构的硅表面，再经超声水洗，去除剩余的金纳米颗粒得到超高效陷光绒面。
可选的，步骤a)中，所述硅片包括单晶硅片和多晶硅片。
可选的，所述单晶硅片采用碱溶液进行表面腐蚀预处理，多晶硅片采用酸溶液进行表面腐蚀预处理。
可选的，步骤b)中，所述晶种溶液的制备步骤包括：依次将0.008-0.012mol/L的金氯酸溶液和0.009-0.01mol/L的硼氢化钠溶液滴加至0.05-0.15mol/L的十六烷基三甲基溴化铵溶液中，反应2h，得到晶种溶液；所述金氯酸溶液、硼氢化钠溶液和十六烷基三甲基溴化铵溶液的体积比为5:12:150。
可选的，步骤b)中，所述生长溶液的制备步骤包括：依次将0.05-0.15mol/L十六烷基三甲基溴化铵溶液、0.009-0.01mol/L的金氯酸溶液和0.08-0.11mol/L的抗坏血酸溶液加入到水中，搅拌均匀，得到生长溶液；所述十六烷基三甲基溴化铵溶液、金氯酸溶液、抗坏血酸溶液和水的体积比为8:1:3：38。
可选的，步骤b)中，所述金纳米颗粒溶液中金纳米颗粒的粒径在30n～120nm范围内。
可选的，步骤b)中，将晶种溶液加入生长溶液中，对混合液进行搅拌的时间在1min～3min范围内，静置时间在3h～5h范围内。
可选的，步骤d)中，所述反应离子刻蚀步骤包括，将具有金纳米颗粒掩模的硅片放入反应腔体，维持反应腔体气压在3KPa～5KPa范围内，射频功率在20瓦～30瓦范围内，通入六氟化硫(SF6)和氧气(O2),所述六氟化硫(SF6)的流量在20ml/min～30ml/min范围内,所述氧气(O2)的流量在5ml/min～7ml/min范围内。
可选的，步骤d)中，将具有金纳米颗粒掩模的硅片放置在刻蚀气体气氛中进行反应离子刻蚀，反应时间在5min～20min范围内。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下优点：
本发明利用金纳米颗粒作为掩模，相比于传统的掩模板或光刻掩模，具有制备容易，操作简单的，形成的金纳米颗粒掩模质量较好等优点。采用本发明制备得到的陷光绒面，对入射光反射率较低，可以显著提高硅片材料对太阳光的吸收效率，进而大幅提高太阳能电池整体的光电转化效率。
附图说明
图1是本发明一实施例利用反应离子刻蚀制备超高效陷光绒面的方法的反应离子刻蚀示意图；
图2是本发明一实施例利用反应离子刻蚀制备超高效陷光绒面的方法所制备的具有金纳米颗粒掩模的硅片的俯视图；
图3是本发明一实施例利用反应离子刻蚀制备超高效陷光绒面的方法所制备的具有金纳米颗粒掩模的硅片的剖视图；
图4是本发明一实施例利用反应离子刻蚀制备超高效陷光绒面的方法所制备的反应离子刻蚀后的硅片的剖视图；
图5是本发明一实施例利用反应离子刻蚀制备超高效陷光绒面的方法所制备的反应离子刻蚀后的经超声水洗去除金纳米颗粒后的硅片的剖视图。
具体实施方式
由背景技术可知，目前利用反应离子刻蚀制备陷光绒面的工艺有待简化，成本有待降低。
分析存在上述问题的原因包括：
现有制备陷光绒面所使用的反应离子刻蚀法所需的掩模需要高精度控制技术，例如使用光刻技术，这种掩模生成工艺复杂，难以大规模生产且制备成本较高。
为了解决上述问题，本发明提供一种利用反应离子刻蚀制备超高效陷光绒面的方法，能够简化操作工艺，降低成本，制备超高效的陷光绒面。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参考图1，图1示出了本发明一实施例利用反应离子刻蚀制备超高效陷光绒面的方法的反应离子刻蚀示意图。如图1所示，硅片3表面具有金纳米颗粒1经自组装形成的金纳米颗粒掩模，在刻蚀气体气氛中，进行反应离子刻蚀，硅片3表面经刻蚀形成锯齿状的陷光绒面2。
参考图2至图5，图2是本发明一实施例利用反应离子刻蚀制备超高效陷光绒面的方法所制备的具有金纳米颗粒掩模的硅片的俯视图；图3是本发明一实施例利用反应离子刻蚀制备超高效陷光绒面的方法所制备的具有金纳米颗粒掩模的硅片的剖视图；图4是本发明一实施例利用反应离子刻蚀制备超高效陷光绒面的方法所制备的反应离子刻蚀后的硅片的剖视图；图5是本发明一实施例利用反应离子刻蚀制备超高效陷光绒面的方法所制备的反应离子刻蚀后的经超声水洗去除金纳米颗粒后的硅片的剖视图。
具体地，本发明所提供的利用反应离子刻蚀制备超高效陷光绒面的方法，包括以下步骤：
a)硅片3表面预处理步骤，将硅片3进行表面腐蚀预处理，得到处理后的硅片3；
b)晶种生长步骤，将晶种溶液加入生长溶液中，对混合液进行搅拌，再静置，得到金纳米颗粒溶液；
c)制备金纳米颗粒掩模，将金纳米颗粒溶液旋涂至处理后的硅片3表面，再经干燥后，金纳米颗粒1经自组装平铺在处理后的硅片3表面，得到具有金纳米颗粒掩模的硅片3，如图2和图3所示，金纳米颗粒1平铺在硅片3表面；
d)反应离子刻蚀步骤，将具有金纳米颗粒掩模的硅片3放置在刻蚀气体气氛中进行反应离子刻蚀，形成具有锯齿状结构的陷光绒面2，如图4所示，金纳米颗粒1之间间隙部分的硅材料被刻蚀去除；再经超声水洗，去除剩余的金纳米颗粒1，得到超高效的陷光绒面2，如图5所示。
本发明中，所述硅片3为单晶硅片或者多晶硅片；单晶硅片采用碱溶液进行表面腐蚀预处理，多晶硅片采用酸溶液进行表面腐蚀预处理，腐蚀预处理可以去除硅片3切割时产生的损伤层，处理后的硅片3表面具有凹凸不平的绒面结构。
本发明中，所述晶种溶液的制备步骤包括：依次将0.008-0.012mol/L的金氯酸溶液和0.009-0.01mol/L的硼氢化钠溶液滴加至0.05-0.15mol/L的十六烷基三甲基溴化铵溶液中，反应2h，得到晶种溶液；所述金氯酸溶液、硼氢化钠溶液和十六烷基三甲基溴化铵溶液的体积比为5:12:150。
本发明中，所述生长溶液的制备步骤包括：依次0.05-0.15mol/L十六烷基三甲基溴化铵溶液、0.009-0.01mol/L的金氯酸溶液和0.08-0.11mol/L的抗坏血酸溶液加入到水中，搅拌均匀，得到生长溶液；所述十六烷基三甲基溴化铵溶液、金氯酸溶液、抗坏血酸溶液和水的体积比为8:1:3：38。
本发明步骤b)中，所述金纳米颗粒1的粒径在在30nm～120nm范围内。
本发明步骤b)中，将晶种溶液加入生长溶液中，对混合液进行搅拌的时间在1min～3min范围内，静置时间在3h～5h范围内。
本发明步骤d)中，所述反应离子刻蚀步骤包括，将具有金纳米颗粒掩模的硅片3放入反应腔体，维持反应腔体气压在3KPa～5KPa范围内，射频功率在20瓦～30瓦范围内，通入六氟化硫(SF6)和氧气(O2),所述六氟化硫(SF6)的流量在20ml/min～30ml/min范围内,所述氧气(O2)的流量在5ml/min～7ml/min范围内。
本发明步骤d)中，将具有金纳米颗粒掩模的硅片3放置在刻蚀气体气氛中进行反应离子刻蚀，反应时间在5min～20min范围内。
实施例1
1.将单晶硅片3放入20％的碱溶液中，控制腐蚀温度保持在90℃，此时腐蚀速率为6-10um/min，刻蚀0.5-1min后得到处理后的硅片3。
2.依次将0.125ml的0.01mol/L的金氯酸溶液和0.3ml的0.01mol/L的硼氢化钠溶液滴加至3.75ml的0.1mol/L的十六烷基三甲基溴化铵溶液中，反应2h，得到晶种溶液；依次将8ml的0.1mol/L十六烷基三甲基溴化铵溶液、1ml的0.01mol/L的金氯酸溶液和3ml的0.1mol/L的抗坏血酸溶液加入到38ml水中，搅拌均匀，得到生长溶液。然后将晶种溶液滴入生长溶液中，用磁力搅拌子搅拌2min，静置4h后得到金纳米颗粒溶液。
3.将得到的金纳米颗粒溶液旋涂至步骤1得到的处理后的硅片3表面，到具有金纳米颗粒掩模的硅片3；
4.将具有金纳米颗粒掩模的硅片3放入反应腔体，维持反应腔体气压在4KPa，射频功率为30瓦，通入六氟化硫(SF6)和氧气(O2)；所述六氟化硫(SF6)和氧气(O2)的流量分别为25ml/min和6ml/min(标准大气压下)，将具有金纳米颗粒掩模的硅片3刻蚀20min，得到完成反应离子刻蚀的硅片3。
5.将完成反应离子刻蚀的硅片3放入去离子水中，进行超声处理15min，去除掉硅片表面剩余的金纳米颗粒1，在硅片3表面得到超高效的陷光绒面2。
6.所述超高效陷光绒面2经磷扩散、周边刻蚀、去磷硅玻璃、制减反射膜、丝网印刷和烧结，可以用于制备太阳能电池。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (4)
1.一种利用反应离子刻蚀制备高效陷光绒面的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)硅片表面预处理步骤，将硅片进行表面腐蚀预处理，得到处理后的硅片；
b)晶种生长步骤，将晶种溶液加入生长溶液中，对混合液进行搅拌，再静置，得到金纳米颗粒溶液；
c)制备金纳米颗粒掩模，将金纳米颗粒溶液旋涂至处理后的硅片表面，再经干燥后，金纳米颗粒经自组装平铺在处理后的硅片表面，得到具有金纳米颗粒掩模的硅片；
d)反应离子刻蚀步骤，将具有金纳米颗粒掩模的硅片放置在刻蚀气体气氛中进行反应离子刻蚀，形成具有陷光绒面结构的硅表面，再经超声水洗，去除剩余的金纳米颗粒得到超高效陷光绒面；
所述硅片包括单晶硅片和多晶硅片；
所述单晶硅片采用碱溶液进行表面腐蚀预处理，多晶硅片采用酸溶液进行表面腐蚀预处理；
步骤b)中，所述晶种溶液的制备步骤包括：依次将0.008-0.012mol/L的金氯酸溶液和0.009-0.01mol/L的硼氢化钠溶液滴加至0.05-0.15mol/L的十六烷基三甲基溴化铵溶液中，反应2h，得到晶种溶液；所述金氯酸溶液、硼氢化钠溶液和十六烷基三甲基溴化铵溶液的体积比为5:12:150；
步骤b)中，所述生长溶液的制备步骤包括：依次将0.05-0.15mol/L十六烷基三甲基溴化铵溶液、0.009-0.01mol/L的金氯酸溶液和0.08-0.11mol/L的抗坏血酸溶液加入到水中，搅拌均匀，得到生长溶液；所述十六烷基三甲基溴化铵溶液、金氯酸溶液、抗坏血酸溶液和水的体积比为8:1:3：38；
步骤b)中，所述金纳米颗粒溶液中金纳米颗粒的粒径在30n～120nm范围内。
2.根据权利要求1所述的利用反应离子刻蚀制备高效陷光绒面的方法，其特征在于，步骤b)中，将晶种溶液加入生长溶液中，对混合液进行搅拌的时间在1min～3min范围内，静置时间在3h～5h范围内。
3.根据权利要求1所述的利用反应离子刻蚀制备高效陷光绒面的方法，其特征在于，步骤d)中，所述反应离子刻蚀步骤包括，将具有金纳米颗粒掩模的硅片放入反应腔体，维持反应腔体气压在3KPa～5KPa范围内，射频功率在20瓦～30瓦范围内，通入六氟化硫(SF6)和氧气(O2),所述六氟化硫(SF6)的流量在20ml/min～30ml/min范围内,所述氧气(O2)的流量在5ml/min～7ml/min范围内。
4.根据权利要求3所述的利用反应离子刻蚀制备高效陷光绒面的方法，其特征在于，步骤d)中，将具有金纳米颗粒掩模的硅片放置在刻蚀气体气氛中进行反应离子刻蚀，反应时间在5min～20min范围内。
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