激光刻蚀硅片制备表面织构化硅片

激光刻蚀硅片制备表面织构化硅片

1太阳能电池面织构技术2008年，世界太阳能电池产量达到7.9gw，其中晶硅能源电池产量为47.7%，产量保持在不断增长。多晶硅表面织构化能够有效降低表面反射率、提高电池短路电流。但是由于多晶硅含有大量晶粒和晶界,且晶粒晶向各不相同,工业生产多晶硅太阳能电池缺少有效的表面织构方法。因此多晶硅表面织构化的研究成为当前国内外的研究热点。目前已经出现的多晶硅表面织构技术主要有机械刻槽、激光、等离子蚀刻和各向同性的酸腐蚀。酸腐蚀技术成本低而且可以比较容易地整合到当前的太阳能电池处理工序中,应用最为广泛,但是电池表面的减反性能相比单晶硅仍有不小差距。因此寻求一种高性能的表面织构方法十分必要。激光表面织构是各向同性的织构方法,其原理是利用高能激光脉冲辐照硅片表面使局部材料急剧升温、熔化、气化,在光辐照区形成凹凸的表面结构,从而得到特殊的表面织构。这种技术配合酸、碱腐蚀能够制备出很好的陷光结构。J.C.Zolper等在1989年首先利用激光交叉刻槽方法制备出完整多晶硅太阳能电池,效率达到16.4%。MalcolmAbbott等于2006年采用新的激光点刻蚀方案制备出了双面刻槽埋栅的太阳能电池,效率达到18.4%。根据日本产业时报社报道,日本三菱电机公司正在准备将多晶硅激光织构技术产业化。激光表面织构为多晶硅的减反射处理提供很有效的途径,但这方面国内目前还少有报道。本文以大量实验为基础,对多晶硅激光表面织构技术进行探索优化,研究不同激光处理和化学处理工艺对表面织构形貌、硅片反射率及硅片电性能的影响,提出有效的多晶硅表面织构制备技术方案,有效降低表面反射率。2表面结构的设计及结果激光表面织构化是利用激光在硅片表面进行扫描刻蚀,形成具有减反射效果的激光技术。实验所用的硅片为Solarworld公司生产的硼掺杂P型多晶硅片,电阻率为0.5~6.0Ω·cm,厚度为300µm左右。采用半导体抽运Nd:YAG1064nm脉冲激光器,连续激光脉冲刻蚀硅片表面,形成凹槽或者凹坑等微结构。经过激光扫描后,硅片表面形成均匀的密排凹坑、凹槽阵列等表面微结构,达到陷光效果。织构化减反射的原理是在表面形成凹凸结构使入射光线多次反射,减反射的性能和表面结构的尺寸、形状有直接关系,织构的高宽比越大,减反射性能越好,常规化学腐蚀金字塔形陷光结构的高宽比约为1。本实验根据文献设计了两种新的表面结构,第一种是平行凹槽阵列,第二种是在平行阵列基础上,通过调整激光参数,使凹槽中形成连续凹坑,形成“凹槽-凹坑”混合结构。在激光制绒的设计上,结构宽度主要由激光束大小决定,而刻蚀深度主要由光功率、脉冲频率、扫描速度等决定。在实验中根据激光束的直径选择刻槽的间距,使刻槽能完全覆盖硅片表面,间距过大会留下平整的表面,间距过小则会因为重复刻蚀使刻槽边缘的高度降低,都会增大表面反射率。对于深度的选择一方面考虑激光器的功率限制,一方面考虑电池后续工艺的配合,例如刻蚀过深会给材料带来明显损伤、不利于化学清洗等,对刻蚀深度有一定的限制。激光刻蚀的过程中硅片表面小部分材料被气化,大部分被熔化,这个过程产生的局部高压和冲击使得熔化材料被挤出,小部分溅出,因此刻蚀后硅片表面被凝固后的溅出材料和熔融材料所覆盖,这一层熔覆层的厚度大约10µm,其下还有受到刻蚀高温和冲击的损伤层,需要用化学腐蚀方法去除熔覆层和损伤层,才能恢复硅片正常的电学性能。处理过程如图1所示。化学处理后,硅片经过清洗,最后在氮气保护气氛中烘干,进行各项性能测试。硅片的反射率利用HitachiU-4100紫外可见光分光光度计测得,根据太阳能电池的性能,一般反射率的测量波长范围设定在400~1100nm,波长测量精度在紫外可见光波段是±0.1nm红外波段是±1.0nm。分光光度计测量反射率的通光孔直径2cm,光度计测量精度是±0.3%。表面形貌通过HitachiS-520扫描电子显微镜(SEM)观察。少子寿命则通过SemilabWT2000少子寿命仪测得。3结果与讨论3.1化学腐蚀对织构表面的影响激光刻槽后在硅片表面形成的形貌如图2(a)所示,槽与槽之间的间距130µm,槽深约90µm,横截面呈三角形,该形貌可以达到很好的陷光效果。在400~1100nm波长下的反射率为6%~7%,平均反射率只有6.30%,表面反射率曲线及参考曲线见图3。但是从图2(a)中可见激光刻槽后表面为熔融凝固层覆盖并且附着了很多残渣颗粒,非常粗糙,硅片表面一定深度范围受到污染和损伤,因此后续工艺需通过化学腐蚀把残渣去除干净。图2(b),(c),(d)为经过化学腐蚀后的激光刻槽表面织构形貌。高温碱腐蚀对消除表面残渣和腐蚀熔覆层具有较好效果,腐蚀后凹槽表面变得光滑,继续腐蚀接触未熔融硅体后,各项异性效果明显,使凹槽底部变得平坦并逐渐展宽,反射率也呈现上升趋势。室温酸腐蚀是各向同性的,有利于保持凹槽的形状和高宽比,但是去除残渣和熔覆层裂纹的性能不佳。因此在化学腐蚀处理中,优化的方案是先采用高温碱腐蚀,再采用室温酸腐蚀。但是在这个过程中,织构表面形貌会逐渐光滑并且高宽比会逐渐降低,反射率随着升高,因此要得到合适的表面织构必须严格控制化学腐蚀的时间。相比J.C.Zolper等和L.A.Dobrzanski等采用正交刻槽方案,平行刻槽方案可以达到相似的减反射性能,又避免了刻槽交叉处刻蚀过深、损伤大、清洗困难的缺点。目前本实验使用的多模激光功率大、刻蚀深,但是能量比较分散,刻蚀宽度较大。进一步实验计划采用单模和更短波长激光,这类激光具有更好的聚焦能力,按照目前的技术水平可以获得约20µm直径的光斑,用来制作表面织构预计可以获得30µm以下的结构尺寸,这对于目前180µm厚的硅片已经具备实用性能。3.2表面反射率对比在平行刻槽的基础上,通过调整激光扫描的功率、脉冲频率和扫描速度,可以改变刻槽内的平整度,当达到某种特定参数关系的时候,由于激光刻蚀产生的等离子体吸收,会在凹槽内形成密排的圆锥形凹坑,如图4(a)所示。这种“凹槽-凹坑”混合结构是一种二维陷光结构,具有比一维凹槽结构更大的表面积和更好的陷光性能。实验样品获得的凹坑直径约80µm,凹槽宽度130µm,整体深度约90µm。在相比平行刻槽较小的激光功率下,获得了6.90%的平均反射率,不同处理方案的样品表面反射率曲线(400~1100nm)见图5。利用结构上的优势来减小激光刻蚀功率,有助于减小刻蚀的附带损伤,减轻后续处理的难度。通过以上实验可以看到,激光刻蚀可以获得很好的减反射性能,而主要的问题变为如何在保持减反性能的同时尽量减少损伤,从实验中可以得到几个解决方向:1)采用诸如密排凹坑这样具有更好陷光性能的二维结构;2)采用更小功率的激光,可以减小刻蚀深度和损伤;3)采用聚焦能力更好的激光,减小刻蚀宽度,即可以减低对刻蚀深度的要求。减少刻蚀深度对于日趋薄片化的太阳能电池是一个关键问题,刻蚀深度减小后,熔覆层和损伤层厚度随着减小,因此化学腐蚀的厚度也可以减小,从而节约硅料。3.3种织构方法对电池高效性能指标的比较利用各向异性碱腐蚀和各向同性酸腐蚀制备多晶硅表面织构也进行了多组实验,在此将激光刻蚀与纯化学方法作一个比较。碱、酸腐蚀的样品表面形貌见图6,可见这些结构的高宽比都很小。图7画出了不同处理后的多晶硅片表面反射率(400~1100nm),可见激光刻蚀样品表面织构反射率明显低于单纯的碱或者酸腐蚀样品,甚至优于一般的单晶硅金字塔织构。利用这些实测的表面反射率数据和PC1D太阳能电池模拟软件计算出相应的电池效率,见图8,从对比中可以看到激光刻蚀方法应用在多晶硅太阳能电池上具有很大的优势和潜力。在处理后样品电学性能变化方面,本实验对比了几种不同织构方法样品的平均少子寿命,见图9。处理前样品硅片的平均少子寿命是1.45µs,从比较中看出,纯化学处理的硅片具有较高的少子寿命,而激光刻蚀样品的少子寿命衰减明显。这主要是后续化学去损伤过程,残渣和损伤层还没有被彻底去除,表面的少子复合速率较高。进一步的工作将探索优化化学处理工艺。从裸片样品的数据已经可以明显看出不同工艺的性能区别,因而本实验暂时没有对样品进行表面镀膜钝化处理,在下一阶段实验制作完整电池的工作中再考虑。4坑”混合结构对实验结果的影响利用激光刻蚀在多晶硅表面制作了平行凹槽、“凹槽-凹坑”混合结构等织构,所获得的表面减反射性能达到实验的预期目标,最佳反射率达到10%,实验表明“凹槽-凹坑”混合结构在综合性能上更具优势。目前实验的主要问题是:1)织构单元尺寸较大,在采用性能