晶片表面刻蝕工藝對碳硅太陽能電池特性的影響

引言

為了分析不同尺寸的金字塔結(jié)構(gòu)對太陽能電池特性的影響，我們通過各種刻蝕工藝在硅片上形成了金字塔結(jié)構(gòu)。在此使用一步蝕刻工藝（堿性溶液蝕刻、反應(yīng)離子蝕刻(RIE)和金屬輔助化學(xué)蝕刻）以及兩步蝕刻工藝（堿性溶液+ MACE和堿性溶液+ RIE）來進(jìn)行蝕刻，使用堿溶液形成的微米級金字塔結(jié)構(gòu)晶片顯示出比納米級金字塔結(jié)構(gòu)晶片更高的反射率。因此，預(yù)期用具有低反射率的納米尺寸金字塔結(jié)構(gòu)晶片制造的電池的特性將高于微米尺寸金字塔結(jié)構(gòu)晶片的特性。然而，證實(shí)了在短波長區(qū)域中的量子效率特性在微米尺寸的金字塔結(jié)構(gòu)晶片中比在納米尺寸的金字塔結(jié)構(gòu)晶片中更高。為了證實(shí)這一原因，我們通過在以金字塔結(jié)構(gòu)形成的晶片上沉積發(fā)射極層來分析表面特性。結(jié)果，在納米尺寸的金字塔結(jié)構(gòu)晶片的情況下，與微米尺寸的金字塔結(jié)構(gòu)晶片相比，由于發(fā)射極層的深度增加，薄層電阻特性較低。因此，我們確定量子效率由于高復(fù)合率而降低。

實(shí)驗(yàn)

利用蝕刻速率的差異，在晶片的(100)方向表面上的蝕刻速率最快，并且在(111)方向上的蝕刻速率降低大約1/100倍，從而獲得金字塔形狀。在其上形成金字塔結(jié)構(gòu)的晶片中，光通過傾斜表面再次入射到襯底，從而能夠增加吸收。碳硅表面形成的金字塔結(jié)構(gòu)根據(jù)形成角度對光的方向起著重要作用。圖1顯示了根據(jù)角度入射到V形表面上的光的路徑。在α= 30♀時(shí)，只有V形槽的下部有一條光被反射兩次的路徑，而在α= 45♀時(shí)，所有入射光都有一條光被反射兩次的路徑。在α= 54♀時(shí)，只有V形槽的下部有一條光被反射三次的路徑，而在α= 60♀時(shí)，所有入射光都有一條光被反射三次的路徑。隨著金字塔結(jié)構(gòu)的角度增加，反射次數(shù)增加，產(chǎn)生的光電子數(shù)量增加。

結(jié)果和討論

表面蝕刻工藝分為一步法和兩步法。一步蝕刻過程采用三種方法進(jìn)行：堿溶液蝕刻，氫氧化鉀溶液，MACE蝕刻，RIE蝕刻。兩步蝕刻過程采用兩種方法進(jìn)行：堿溶液和MACE蝕刻，堿溶液和RIE蝕刻。在蝕刻過程開始之前，使用氫氧化鉀溶液去除對裸晶片的損傷。圖2顯示了表面蝕刻過程前和SDR過程后的橫截面圖像。使用氫氧化鉀溶液的SDR工藝在工藝溫度為70?C，工藝時(shí)間為20min下進(jìn)行。裸晶片的反射率為30.18%，SDR晶片的反射率為31.89%。

使用堿溶液的金字塔形成方法是最常用的，但是它有一個(gè)限制，即它不能獲得特定的角度。因此，可以根據(jù)金字塔尺寸的變化而不是金字塔角度的變化來觀察每個(gè)波長的反射特性。以氫氧化鉀為堿溶液，分析了金字塔的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，形成了微型金字塔的結(jié)構(gòu)。

金屬輔助化學(xué)蝕刻，考慮到金屬催化劑在垂直方向上穿透硅襯底，從而產(chǎn)生孔，使用金屬催化劑的蝕刻工藝依賴于氧化劑被催化劑還原，導(dǎo)致沉積的金屬催化劑和硅界面附近的硅原子被蝕刻。MACE工藝極大地影響晶片的蝕刻形狀和反射特性，這取決于諸如金屬催化劑的類型、金屬催化劑的沉積厚度、蝕刻溶液的比例和蝕刻時(shí)間等條件。

反應(yīng)離子蝕刻，利用RIE進(jìn)行了一步表面刻蝕工藝，分析了氣體配比和工藝時(shí)間等工藝條件對刻蝕后晶片形狀和反射特性的影響。在RIE過程中，SF6和O2的氣體比例是決定金字塔形狀和尺寸的重要因素，對反射特性有很大影響。根據(jù)氣體比例形成各種尺寸的金字塔結(jié)構(gòu)，這與初始過程中發(fā)生的SixOyFz鈍化的密度有關(guān)。

金屬輔助化學(xué)蝕刻堿液蝕刻(堿液+ MACE)，使用氫氧化鉀進(jìn)行一步蝕刻工藝。通過這種方式，可以將反射率從約30%(晶片的初始反射率)降低到9.11%。在執(zhí)行一步蝕刻工藝之后，使用MACE工藝執(zhí)行兩步蝕刻工藝。兩步蝕刻工藝分為沉積和蝕刻兩個(gè)階段，與使用MACE的一步蝕刻工藝相同。在通過熱蒸發(fā)器沉積銀金屬催化劑之后，將硅晶片沉積的銀金屬浸入含氟(F)溶液如氟化氫和氧化劑如H2O2的混合物溶液中進(jìn)行蝕刻。

堿性溶液蝕刻的反應(yīng)離子蝕刻(堿性溶液+ RIE)。使用堿溶液進(jìn)行一步表面蝕刻工藝，然后使用蝕刻的晶片進(jìn)行兩步表面蝕刻工藝。采用SF6氣體、O2氣體和氬氣進(jìn)行RIE工藝，分析SF6氣體和O2氣體的比例以及射頻功率對晶片表面形狀和反射特性的影響。

結(jié)果，盡管在KOH + MACE工藝中蝕刻工藝之后晶片的反射率最低，但是單獨(dú)KOH工藝的量子效率值被測量為更高。這是因?yàn)榧{米金字塔結(jié)構(gòu)的深發(fā)射極層的低薄層電阻導(dǎo)致復(fù)合率高。預(yù)計(jì)這也是納米金字塔結(jié)構(gòu)中不均勻發(fā)射極層的影響的結(jié)果。隨后，為了提高電池的效率，可以看出，當(dāng)考慮發(fā)射極層的形成時(shí)，使用一步蝕刻工藝的納米金字塔的表面比使用兩步蝕刻工藝的微金字塔的表面更有利。

總結(jié)

通過各種蝕刻方法在晶片上形成各種尺寸的金字塔結(jié)構(gòu)。首先，使用堿溶液法、MACE法和RIE法進(jìn)行一步蝕刻工藝。接下來，通過使用堿溶液+ MACE方法和堿溶液+ RIE方法進(jìn)行兩步蝕刻工藝。微米尺寸的金字塔結(jié)構(gòu)晶片顯示出大約9.11%的反射率，納米尺寸的金字塔結(jié)構(gòu)晶片顯示出大約1%到5%范圍內(nèi)的低反射率。因此，確定了由具有低反射率的納米尺寸金字塔結(jié)構(gòu)晶片制造的電池的特性將更高，但是證實(shí)了在微金字塔結(jié)構(gòu)晶片中量子效率特性更高，這是發(fā)射極層形成不均勻的影響。此外，這是因?yàn)楸与娮璧?，并且由于深發(fā)射極層具有納米金字塔結(jié)構(gòu)，復(fù)合率高。結(jié)果，證實(shí)了由于摻雜層的影響，微米尺寸的金字塔結(jié)構(gòu)晶片表現(xiàn)出更高的量子效率特性。低反射率的表面紋理工藝對于提高效率非常重要。然而，如果根據(jù)金字塔表面結(jié)構(gòu)開發(fā)具有均勻摻雜分布的工藝，則可以提高短波長區(qū)域響應(yīng)性，這可以增加短路電流密度。此外，如果根據(jù)金字塔結(jié)構(gòu)通過考慮銀漿料的顆粒尺寸形成電極來制造電池，則銀漿料顆粒和摻雜晶片表面之間的接觸面積增加，填充因子增加。因此，預(yù)期可以獲得高效電池。

審核編輯：符乾江