激光刻蝕角度對多晶硅片表面反射率的影響

張衛(wèi)紅，宋建宇，張紅麗，吳 杰，烏日娜

(1.沈陽理工大學 理學院，遼寧 沈陽 110159；2.青島理工大學 琴島學院 機電系，山東 青島 266106)

激光刻蝕角度對多晶硅片表面反射率的影響

張衛(wèi)紅1，宋建宇1，張紅麗2，吳 杰1，烏日娜1

(1.沈陽理工大學 理學院，遼寧 沈陽 110159；2.青島理工大學 琴島學院 機電系，山東 青島 266106)

利用激光分別以0°、30°、45°、60°的入射角對多晶硅片表面進行刻蝕，然后用10%NaOH溶液腐蝕去除損傷層，從而構(gòu)造多晶硅片表面織構(gòu)。采用光譜儀測試多晶硅片表面反射率，應(yīng)用掃描電鏡表征多晶硅片樣品表面形貌，研究激光刻蝕角度對多晶硅片表面反射率的影響。結(jié)果表明：隨激光刻蝕角度不同，多晶硅片表面反射率變化明顯，其中刻蝕角度為45°時，多晶硅片表面反射率降低最為顯著。

表面織構(gòu)；激光刻蝕；太陽能電池多晶硅片；入射角；反射率

當今世界，在化石能源日漸枯竭和環(huán)境污染日益惡化的形勢下，太陽能電池以其綠色環(huán)保及可再生的特點受到人們的廣泛重視。多晶硅因其價格低廉，占據(jù)光伏市場的比重超過了50%[1]，已經(jīng)成為最主要的太陽能電池材料。因此提高多晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率自然也成為研究的熱點之一。多晶硅片表面織構(gòu)化是提高太陽能電池表面光吸收從而提高其轉(zhuǎn)換效率的有效手段之一?，F(xiàn)在多晶硅片表面織構(gòu)技術(shù)主要有機械刻槽[2]、激光刻蝕[3]、化學腐蝕[4-5]等。隨著激光技術(shù)的不斷成熟，激光刻蝕成為構(gòu)造多晶硅表面織構(gòu)的一種重要手段：J.C.Zolper 等[6]在1989年首先利用激光交叉刻槽方法制備出完整多晶硅太陽能電池。Malcolm Abbott 等[7]于2006年采用新的激光點刻蝕方案制備出雙面刻槽埋柵的太陽能電池。2007年Kurt W.Kolasinski 等[8]應(yīng)用飛秒激光燒蝕和濕法化學刻蝕在單晶和多晶硅上制備了大于1cm2的周期性的尖峰壯形貌結(jié)構(gòu)，使表面變成黑色，減少了光反射率。L.A.Dobrzanski[9]借助Q-Switched Nd:YAG激光直寫與KOH溶液化學濕法腐蝕相結(jié)合的方法，對多晶硅進行平行掃描和垂直掃描制備類金字塔結(jié)構(gòu)。上述研究者的研究方法及研究目的各不相同，但都沒有研究激光刻蝕角度對多晶硅片表面反射率的影響。

本文利用激光分別以0°、30°、45°、60°的入射角對多晶硅片表面進行刻蝕，構(gòu)造多晶硅片表面織構(gòu)，研究激光刻蝕角度對多晶硅片表面反射率的影響。

1 實驗

實驗所用的多晶硅片為薩巨利維能源科技有限公司生產(chǎn)的硼摻雜P型多晶硅片，電阻率為1～3Ω·cm，少子壽命為1～5μs，厚度為180μm，規(guī)格為125mm×125mm。利用G350激光切割機把硅片切成大小為20mm×20mm的樣品。

用波長為1064nm的半導體抽運Nd：YAG激光器分別以0°、30°、45°、60°的入射角刻蝕多晶硅片樣品表面。硅片表面的減反射性能與表面結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀有直接的關(guān)系。激光刻蝕所得刻槽的寬度由激光束直徑?jīng)Q定，而刻蝕深度則由激光器的脈沖頻率、光功率、掃描速度等決定。調(diào)整激光器的脈沖頻率、光功率、掃描速度，將刻蝕的高寬比控制為2∶1。

本實驗采用熱NaOH溶液腐蝕的方法去除多晶硅片表面的殘渣和熔融層,其中NaOH溶液的濃度為10%(質(zhì)量分數(shù))，腐蝕溫度為80℃，腐蝕時間為10min。

用Ocean Optics USB4000光譜儀測量多晶硅片的反射率。用Hitachi S-3400N掃描電子顯微鏡(SEM)觀察多晶硅片表面形貌。

2 實驗結(jié)果與討論

激光以0°、30°、45°、60°入射角刻蝕后的多晶硅片表面形貌見圖1。從圖1中可看出：激光刻蝕后所得刻槽在多晶硅片表面呈均勻分布排列；沿激光刻蝕的方向，每條激光刻蝕所得刻槽的兩側(cè)都各分布一薄層與激光刻蝕方向呈垂直排列的組織，其為激光刻蝕過程中的熔融材料；在熔融材料外側(cè)，可以觀察到沿著激光刻蝕方向分布著刻蝕過程中的濺出材料；在兩條激光刻蝕所得刻槽之間多晶硅片表面部分區(qū)域受到污染。從圖1中還可以看到，隨著激光刻蝕角度的增加，由于刻槽傾斜角度的增大，刻槽邊緣將刻槽的刀口逐漸覆蓋，從而在電鏡掃描的方向看刻槽逐漸變得不明顯。

圖1 不同入射角刻蝕的多晶硅電鏡圖

沒有經(jīng)過刻蝕的多晶硅片和分別以角度0°、30°、45°、60°刻蝕后的多晶硅片的反射率曲線如圖2所示。

圖2 沒刻蝕及以不同入射角刻蝕的多晶片樣品的反射率曲線

從圖2中可以觀察到，各多晶硅片樣品的反射率曲線有著相似的變化規(guī)律，都是隨著入射光波長的增大反射率先降低再升高，且在480～800nm波長范圍反射率保持低值。但在480～800nm波長范圍內(nèi)，沒有經(jīng)過刻蝕的多晶硅片其反射率最低為20%。以不同的角度激光刻蝕后，各多晶硅片樣品的反射率變化明顯：激光以0°入射角刻蝕后其反射率最低為18%；以30°入射角刻蝕后其反射率最低為15%；以45°入射角刻蝕后其反射率最低為8%；以60°入射角刻蝕后其反射率最低為10%。觀察圖2可見激光傾斜刻蝕對提高多晶硅片表面的減反射性能有顯著影響，并且激光以45°入射角刻蝕后的多晶硅樣品表面反射率降低最顯著。

分析不同角度刻蝕對樣品反射率的影響原因是由于隨著刻槽傾斜角度的增大，垂直入射的光線在刻槽內(nèi)反射次數(shù)增加，降低了反射率。但是當超過一定角度后，進入槽的光線減少，從而反射率又上升。

由于激光刻蝕后的多晶硅片分布著圖1所示的熔融材料和濺出材料以及污染。為了清除這些熔融材料、濺出材料、污染及激光刻蝕過程對多晶硅片造成的損傷層，用濃度為10%NaOH溶液對多晶硅片樣品進行腐蝕，腐蝕溫度為80℃，腐蝕時間為10min。腐蝕后用去離子水清洗干凈，烘干。激光以30°、45°、60°的入射角刻蝕的多晶硅片樣品經(jīng)化學腐蝕后的掃描電鏡照片如圖3所示。

圖3 以不同入射角激光刻蝕的多晶硅片表面堿液腐蝕后的電鏡圖

由于掃描電鏡照片放大倍數(shù)增大，從圖3可以明顯觀察到，隨著入射角度增加，多晶硅片表面上激光刻蝕所得刻槽的傾斜程度增大，各樣品表面沒有觀察到熔融材料、濺出材料以及污染物，說明高溫堿腐蝕對消除表面殘渣和腐蝕熔覆層有很好的效果。圖3照片上還可觀察到，激光刻蝕所得刻槽的側(cè)壁上及樣品表面出現(xiàn)一些“蠕蟲狀”的腐蝕坑，這是堿對多晶硅的各向異性腐蝕的結(jié)果。

分別以0°、30°、45°、60°入射角刻蝕的多晶硅片經(jīng)過堿液腐蝕后的反射率曲線如圖4所示。

圖4 經(jīng)過化學處理后的反射率曲線圖

由圖4可看到，經(jīng)過堿液腐蝕的多晶硅片樣品的反射率與沒經(jīng)過腐蝕的反射率有著相似的變化規(guī)律，都是隨著入射光波長的增大反射率先降低再升高，且在480～800nm波長范圍反射率保持低值。在480～800nm波長范圍內(nèi)：激光以0°入射角刻蝕后其反射率最低為19%；以30°和以60°入射角刻蝕后反射率都在15%附近；以45°入射角刻蝕后其反射率最低為10%。觀察圖4，可見激光傾斜刻蝕可以提高多晶硅片表面的減反射性能，并且激光以45°入射角刻蝕后的多晶硅樣品表面反射率降低最顯著。另外，對比圖2和圖4，激光以同一入射角刻蝕的多晶硅樣品，經(jīng)堿液腐蝕后表面反射率上升。

多晶硅片表面織構(gòu)化能夠降低其表面反射率從而提高光的利用率，其原因在于多晶硅片表面織構(gòu)化的陷光效應(yīng)，也就是在光滑的硅片上構(gòu)造出一定深度的凹坑，使照射到硅片表面的光在凹坑內(nèi)經(jīng)過多次反射，從而增加硅片對光的吸收，提高光電轉(zhuǎn)換效率。而激光表面織構(gòu)制得的絨面結(jié)構(gòu)具有良好的高寬比，所以表面陷光性能優(yōu)異。尤其是本文提出的激光傾斜刻蝕，通過傾斜刻蝕，在多晶硅表面構(gòu)造出傾斜的凹坑，這種結(jié)構(gòu)使光的反射次數(shù)增多，從而增加了光的利用效率。

激光傾斜刻蝕多晶硅片構(gòu)造表面織構(gòu)能夠有效降低表面反射率，其原因如圖5所示，用激光垂直刻蝕硅片得到的是V型絨面(如圖5a所示)，光經(jīng)過兩次反射就從硅片表面反射出來，能夠增加光的利用率，但不顯著。本文提出激光傾斜刻蝕(如圖5b)，選取合適的刻蝕角度,光線經(jīng)過多次反射，則硅片對入射光的吸收顯著增多，這明顯增加了光的利用率。

圖5 刻蝕示意圖

圖2中激光以0°、30°、45°、60°的入射角刻蝕后多晶硅樣品表面反射率不同，其原因在于一方面隨著刻槽傾斜角度的增大，垂直入射的光線在刻槽內(nèi)反射次數(shù)增加，從而降低了光的反射率；另一方面，在高寬比相同條件下，隨著刻槽傾斜角度的增大，能夠入射到刻槽內(nèi)的光線減少，所以光反射率增大。在這兩種因素作用下，由實驗結(jié)果可知，以30°入射角刻蝕后的樣品表面的反射率大于以60°角刻蝕的樣品的反射率，而以45°入射角刻蝕后的樣品表面反射率又比60°角刻蝕的反射率低。激光以45°入射角刻蝕后的多晶硅樣品表面反射率降低最顯著。

圖4中的反射率曲線與圖2中的反射率曲線相比可知，刻蝕角度相同經(jīng)過腐蝕的樣品的反射率曲線上升，這是由于經(jīng)過堿腐蝕后，表面熔融層被全部去除，露出多晶硅襯底，從而使激光刻蝕所得的織構(gòu)結(jié)構(gòu)平坦化所導致；由于樣品經(jīng)過腐蝕后，激光傾斜刻蝕能夠降低多晶硅片表面反射率的機制依然起作用(圖5所示)，所以堿液腐蝕后激光傾斜刻蝕仍然顯著提高多晶硅片表面的減反射性能，這表現(xiàn)在圖4中堿液腐蝕后激光傾斜刻蝕樣品的反射率曲線明顯低于垂直刻蝕的樣品；經(jīng)堿液腐蝕后以30°和60°入射角刻蝕后樣品表面反射率差別不明顯，這是由于一方面隨著刻槽傾斜角度的增大，垂直入射的光線在刻槽內(nèi)反射次數(shù)增加，從而降低了光的反射率，另一方面，隨著刻槽傾斜角度的增大，能夠垂直入射到刻槽內(nèi)的光線減少，所以光反射率增大。在這兩種因素作用下，經(jīng)堿液腐蝕后兩種樣品表面反射率差別不顯著。而以45°入射角激光刻蝕并經(jīng)堿液腐蝕后的多晶硅樣品，兼顧了刻槽傾斜角度增大，垂直入射的光線在刻槽內(nèi)反射次數(shù)增加，從而降低光的反射率；以及刻槽傾斜角度減小，垂直入射到刻槽內(nèi)的光線增多，從而增加光的利用率的優(yōu)勢，所以其表面反射率降低最顯著。

3 結(jié)論

(1)用激光以不同的入射角對多晶硅片表面進行刻蝕，構(gòu)造多晶硅片表面織構(gòu)，隨激光刻蝕角度不同，多晶硅片表面反射率變化明顯。

(2)用激光以45°的入射角對多晶硅片表面進行刻蝕，構(gòu)造多晶硅片表面織構(gòu)，多晶硅片表面反射率減低最為顯著。

(3)通過進一步的化學處理，去除了激光刻蝕后的損傷層和熔融層，制得了高性能的多晶硅絨面。

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EffectofLaserEtchingAngleforMulti-crystallineSiliconontheReflectance

ZHANG Weihong1,SONG Jianyu1,ZHANG Hongli2,WU Jie1,WU Rina1

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Qindao College,Qingdao Technological University,Qingdao 266106,China)

Surface texturization of multicrystalline silicon wafers were prepared by laser etching and the angles of incidence were 0 °，30°，45°，60°.Symmetrical microstructure for light trapping was made by using the 10% NaOH solution corrosion to remove the damaged layer.The surface morphology and reflectivity property of samples were characterized by scanning electron microscopy (SEM) and spectrometer.The results exhibit that with the laser etching angles changing,surface reflectivity of polycrystalline silicon changes obviously and when the etching angle is 45°,the surface reflectivity decreases most significantly.

surface texturation;laser etching;multicrystalline silicon solar cell;angle of incidence;reflectivity

2013-10-17

張衛(wèi)紅(1987—)，男，碩士研究生；通訊作者：宋建宇(1969—)，男，副教授，研究方向：新型寬禁帶半導體光電材料與器件.

1003-1251(2014)04-0062-05

TN249

A

馬金發(fā))