基于化學(xué)刻蝕的單晶硅表面結(jié)構(gòu)及其制備及應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】一種半導(dǎo)體制造【技術(shù)領(lǐng)域】的基于化學(xué)刻蝕的單晶硅表面結(jié)構(gòu)及其制備及應(yīng)用方法，該單晶硅表面結(jié)構(gòu)的表面為絨面且均勻分布有高度為1-3μm的金字塔結(jié)構(gòu)，該金字塔結(jié)構(gòu)的尖銳的棱邊被平滑化且沒(méi)有尖銳的頂角和棱邊的單晶硅表面形貌。本發(fā)明通過(guò)對(duì)其少子壽命、表面反射率等參數(shù)的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其效果更優(yōu)于普通堿液制絨的金字塔絨面。
【專利說(shuō)明】基于化學(xué)刻蝕的單晶硅表面結(jié)構(gòu)及其制備及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種半導(dǎo)體制造【技術(shù)領(lǐng)域】的方法，具體是一種基于化學(xué)刻蝕的單晶硅表面結(jié)構(gòu)及其制備及應(yīng)用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]如何提高單晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題，用于單晶硅制絨的方法有很多種，有機(jī)械刻槽方法，無(wú)掩膜反應(yīng)離子刻蝕和掩膜反應(yīng)離子刻蝕，激光刻蝕，化學(xué)反應(yīng)刻蝕等方法，綜合生產(chǎn)成本以及本身制絨的缺陷來(lái)說(shuō)，化學(xué)反應(yīng)刻蝕以其成本低和工藝簡(jiǎn)單可操作性強(qiáng)表現(xiàn)出極大的實(shí)用性。化學(xué)反應(yīng)刻蝕在市場(chǎng)上也是得到了大規(guī)模的推廣，技術(shù)較為成熟。在實(shí)驗(yàn)室里已經(jīng)獲得的最高轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到24.7%左右，工藝生產(chǎn)中太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到了 18%，這相對(duì)于以前硅太陽(yáng)能電池較低的轉(zhuǎn)換效率是一個(gè)相當(dāng)大的進(jìn)步。單晶硅片的制絨主要是利用一些化學(xué)腐蝕液腐蝕硅表面，在硅表面制絨出一些規(guī)則的金字塔結(jié)構(gòu)，使得入射太陽(yáng)光能夠進(jìn)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，提高其轉(zhuǎn)換效率。這些結(jié)構(gòu)可以增加入射光多次的折反射次數(shù)，表面刻蝕也成為工業(yè)生產(chǎn)中一個(gè)常用的技術(shù)。
[0003]目前主要通過(guò)堿液添加一些添加劑制絨單晶硅表面，一般得到的表面形貌為類似于金字塔結(jié)構(gòu)的形貌，得到的金字塔一般大小分布不夠均勻，尺寸相差甚大，且金字塔由于其尖銳的頂角和棱邊，在這些地方很容易產(chǎn)生缺陷態(tài)，使得體積膨脹具有不均勻性，由于應(yīng)力容易集中使得鈍化薄 膜與硅表面產(chǎn)生裂縫，容易產(chǎn)生漏電流，不利于太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的提聞。
[0004]經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利號(hào)CN102154712A由寧波尤利卡太陽(yáng)能科技發(fā)展有限公司于2011年8月17日公布了《單晶硅太陽(yáng)能電池制絨液及其制備方法》，加入醛類物質(zhì)在一定程度上減少了異丙醇的用量，獲得3~5大小的金字塔結(jié)構(gòu)，但是所使用的乙醛和丙醛的沸點(diǎn)都非常低，在反應(yīng)溫度下很容易揮發(fā)，且乙醛的蒸汽與空氣易形成爆炸物，丙醛遇火易燃，都存在一定的危險(xiǎn)性。獲得的金字塔大小差異較大，均勻性較差，不利于獲得好的陷光效應(yīng)。
[0005]中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào):CN102181935A，公布日:2011.09.14，公開(kāi)了一種制作單晶硅絨面的方法及腐蝕液，該技術(shù)涉及的用于制作單晶硅絨面的腐蝕液，以質(zhì)量濃度計(jì)，包括:0.1%~0.5%的NaOH和/或K0H、5~8%的異丙醇和/或乙醇、0.3%~0.5%的乳酸鈉、1%~2%的尿素和余量水。該技術(shù)通過(guò)選用乳酸鈉和尿素作為添加劑,與堿溶液和醇溶液配合制成腐蝕液，其制備的單晶硅絨面對(duì)太陽(yáng)光的反射率可以降低到6%~8%，但是該技術(shù)中采用的異丙醇有毒性，且異丙醇和乙醇的用量比較多，這就在成本上限制了其大批量使用。
[0006]中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào):CN102108557A，公布日:2011.06.29，公開(kāi)了一種制備單晶硅絨面的方法，該技術(shù)包括以下步驟:1)在75°C~85°C的恒溫槽內(nèi)用45%的堿溶液與去離子水配置濃度為0.05% -0.5%的粗拋液，2)去離子水的配比是87% -98.4% ;將0.5%~5%的分析純堿與去離子水制成濃度為45%的堿溶液，再在75°C~85°C的恒溫槽內(nèi)，將制成的45%的堿溶液與1%~7%的分析純異丙醇、0.1%~I %的分析純硅酸鈉和剩余的去離子水混合配制成堿腐蝕液；3)將單晶硅片放入粗拋液中進(jìn)行預(yù)清洗I~6min，將單晶硅片取出，溫水浸泡后放入堿腐蝕液中進(jìn)行反應(yīng)10~30min，將其取出，用去離子水沖洗干凈并烘干。該技術(shù)制備出的單晶硅絨面的金字塔尺寸小且均勻，提高了電池的吸光能力，但是該技術(shù)形成的絨面金字塔棱邊不夠平滑，這在一定程度上容易形成較大的漏電流，不利于提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種基于化學(xué)刻蝕的單晶硅表面結(jié)構(gòu)及其制備及應(yīng)用，通過(guò)對(duì)其少子壽命、表面反射率等參數(shù)的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其效果更優(yōu)于普通堿液制絨的金字塔絨面。
[0008]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0009]本發(fā)明涉及一種基于化學(xué)刻蝕的單晶硅表面結(jié)構(gòu)，其表面為絨面且均勻分布有高度為1-3 的金字塔結(jié)構(gòu)，該金字塔結(jié)構(gòu)的尖銳的棱邊被平滑化且沒(méi)有尖銳的頂角和棱邊的單晶硅表面形貌。這樣的特點(diǎn)使得該表面結(jié)構(gòu)能夠大大降低太陽(yáng)能柵極漏電流，由于尖銳的頂角和棱邊容易造成高的缺陷態(tài)密度，增加電子空穴的復(fù)合中心，使得少子壽命降低。而平滑的頂角和棱邊將極大的降低頂角以及棱邊處的缺陷態(tài)密度，從而提高少子壽命。
[0010]本發(fā)明涉及上述單晶硅表面結(jié)構(gòu)的制備方法，通過(guò)將清潔后的硅片置于由水浴鍋加熱的腐蝕液中，以78~90°C腐蝕25~45分鐘后得到。
[0011]所述的腐蝕液的組分及含量為:Na0H5g、乙二醇20mL、乙醇10mL、乙醇鈉0.2g、去離子水400mL以及表面活性劑。
[0012]所述的表面活性劑采用:全氟烷基醚羧酸鉀鹽FC-5、陽(yáng)離子聚丙烯酰胺、聚乙二醇酸酯、多元醇酯或月桂酰二乙醇胺中的一種或多種，其用量為0.2~lg/L。
[0013]當(dāng)界面被表面活性劑覆蓋時(shí)，表面張力就會(huì)降低，表面活性劑吸附于界面的動(dòng)力主要是降低相界面的自由能，對(duì)腐蝕過(guò)程有一定的調(diào)節(jié)作用。
[0014]所述的清洗是指:用無(wú)水乙醇將硅片超聲3-5分鐘，前后反復(fù)兩遍，再依次用熱、冷超純水清洗。
[0015]所述的超純水電阻率為18 Q ? cm。
[0016]本發(fā)明涉及上述方法制備得到的單晶硅表面結(jié)構(gòu)，通過(guò)制絨技術(shù)可以將有效入射光在原有基礎(chǔ)上提高50%，對(duì)于太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率的提高有著極其重要的作用。隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，太陽(yáng)能電池在建筑、航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
技術(shù)效果
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明制備得到一種絨面布滿高度為1-3 的小金字塔結(jié)構(gòu)，沒(méi)有尖銳的頂角和棱邊的單晶硅表面形貌。這種畸變金字塔表面缺陷態(tài)少，能降低漏電流，增加少子壽命長(zhǎng)。由于少子壽命對(duì)開(kāi)路電壓(V。。)、短路電流(Is。)、填充因子(FF)的影響，其值也相應(yīng)的有所增加，能夠有效的提高太陽(yáng)能電池的性能，其所測(cè)出的反射率可以降低到11%左右。【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為實(shí)施例1制備得到的絨面結(jié)構(gòu)示意圖(放大倍數(shù)5000倍，SEM型號(hào)為SEMILABWT-2000)。
[0019]圖2為實(shí)施例2制備得到的絨面結(jié)構(gòu)示意圖。(放大倍數(shù)1000倍，SEM型號(hào)為SEMILABWT-2000)。
[0020]圖3為實(shí)施例3制備得到的絨面結(jié)構(gòu)示意圖。(放大倍數(shù)500倍，SEM型號(hào)為SEMILABWT-2000)。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例1
[0022]本實(shí)施例具體包括以下步驟:
[0023]I)配置太陽(yáng)能電池單晶硅片制絨液，該制絨液由堿性溶液、乙二醇以及表面活性劑組成，其中:堿性試劑NAOH所占配比為5g/L，乙二醇含量為40ml/L，乙醇鈉0.2g/L，以及
0.2g/L作為表面活性劑的全氟烷基醚羧酸鉀鹽FC-5、陽(yáng)離子聚丙烯酰胺、聚乙二醇酸酯、多元醇酯或月桂酰二乙醇胺中一種或者多種。
[0024]2)在80~82°C的溫度下反應(yīng)25min，去離子水清洗干凈后烘干觀察表面形貌，如圖1所示，金字塔棱邊比較圓滑`，且尖銳的棱邊坍塌為平緩的棱面，如圖1實(shí)線包圍所示；
實(shí)施例2
[0025]本實(shí)施例具體包括以下步驟:
[0026]I)配置太陽(yáng)能電池單晶硅片制絨液，該制絨液由堿性溶液、乙二醇以及表面活性劑組成，其中:堿性試劑NAOH所占配比為10g/L，乙二醇含量為40ml/L，乙醇鈉0.2g/L，以及0.6g/L作為表面活性劑的全氟烷基醚羧酸鉀鹽FC-5、陽(yáng)離子聚丙烯酰胺、聚乙二醇酸酯、多元醇酯或月桂酰二乙醇胺中一種或者多種。
[0027]2)在80~82°C的溫度下反應(yīng)25min，去離子水清洗干凈后烘干觀察表面形貌；
[0028]如圖2所示，金字塔大小較為均勻，且棱邊非常光滑；
實(shí)施例3
[0029]本實(shí)施例具體包括以下步驟:
[0030]I)配置太陽(yáng)能電池單晶硅片制絨液，該制絨液由堿性溶液、乙二醇以及表面活性劑組成，其中:堿性試劑NAOH所占配比為15g/L，乙二醇含量為40ml/L，乙醇鈉0.2g/L，以及l(fā)g/L作為表面活性劑的全氟烷基醚羧酸鉀鹽FC-5、陽(yáng)離子聚丙烯酰胺、聚乙二醇酸酯、多元醇酯或月桂酰二乙醇胺中一種或者多種。
[0031]2)在80~82°C的溫度下反應(yīng)25min，去離子水清洗干凈后烘干觀察表面形貌，如圖3所示，金字塔結(jié)構(gòu)非常均勻，且表面金字塔較為平滑，無(wú)尖銳的頂角和棱邊；
[0032]綜上，本方法制備得到的絨面結(jié)構(gòu)可以克服傳統(tǒng)堿液刻蝕的金字塔結(jié)構(gòu)的絨面存在的一些缺點(diǎn)，如尖銳的頂角和棱邊，缺陷態(tài)密度比較大，導(dǎo)致少子壽命較低。此種新型絨面輪廓結(jié)構(gòu)相對(duì)較為平滑，表面反射率較低，此種形貌測(cè)出的少子壽命相對(duì)于金字塔結(jié)構(gòu)的較長(zhǎng)。少子壽命在不同程度上會(huì)影響太陽(yáng)能電池的重要參數(shù)，例如開(kāi)路電壓，短路電流，填充因子，所以近年來(lái)對(duì)少子壽命的產(chǎn)生原因，以及如何增加少子壽命的研究越來(lái)越受到人們的重視 。
【權(quán)利要求】
1.一種基于化學(xué)刻蝕的單晶硅表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，其表面為絨面且均勻分布有高度為1-3 u m的金字塔結(jié)構(gòu)，該金字塔結(jié)構(gòu)的尖銳的棱邊被平滑化且沒(méi)有尖銳的頂角和棱邊的單晶硅表面形貌。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單晶硅表面結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，通過(guò)將清潔后的硅片置于由水浴鍋加熱的腐蝕液中，以78~90°C腐蝕25~45分鐘后得到； 所述的腐蝕液由NaOH、乙二醇、乙醇、乙醇鈉、去離子水以及表面活性劑組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征是，所述的腐蝕液的組分及含量為:NaOH5g、乙二醇20mL、乙醇10mL、乙醇鈉0.2g、去離子水400mL以及表面活性劑0.2~lg/L。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征是，所述的表面活性劑采用:全氟烷基醚羧酸鉀鹽FC-5、陽(yáng)離子聚丙烯酰胺、聚乙二醇酸酯、多元醇酯或月桂酰二乙醇胺中的一種或多種。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征是，所述的腐蝕液的組分及含量選擇以下三種中的任意一種: a)堿性試劑NA0H5g/L，乙二醇40ml/L，乙醇鈉0.2g/L以及表面活性劑0.2g/L; b)堿性試劑NA0 H10g/L，乙二醇40ml/L，乙醇鈉0.2g/L以及表面活性劑0.6g/L ； c)堿性試劑NA0H15g/L，乙二醇40ml/L，乙醇鈉0.2g/L以及表面活性劑lg/L。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征是，所述的清洗是指:用無(wú)水乙醇將硅片超聲3-5分鐘，前后反復(fù)兩遍，再依次用熱、冷超純水清洗。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征是，所述的超純水電阻率為18Q?cm。
【文檔編號(hào)】C23F1/32GK103643289SQ201310643057
【公開(kāi)日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月3日
【發(fā)明者】單以洪, 馮仕猛, 雷剛, 鞠雪梅 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué), 上海空間電源研究所