NaOH溶液濃度對激光刻蝕多晶硅片表面織構(gòu)的影響

賈子凡，宋建宇，肇偉懿

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NaOH溶液濃度對激光刻蝕多晶硅片表面織構(gòu)的影響

*賈子凡，宋建宇，肇偉懿

(沈陽理工大學(xué)理學(xué)院，遼寧，沈陽 110159)

利用掃描電鏡表征硅片樣品的表面形貌，用光譜儀測試硅片的反射率，并且用少子壽命測試系統(tǒng)測試硅片電學(xué)性能，研究了在進(jìn)行多晶硅太陽能電池表面織構(gòu)過程中NaOH溶液濃度對其的影響，結(jié)果表明：NaOH溶液濃度選擇10%時(shí)，有效清除多晶硅片表面缺陷的同時(shí)，硅片表面織構(gòu)減反射效果顯著，并能兼顧硅片電學(xué)性能。

表面織構(gòu); 激光刻蝕; 太陽能電池多晶硅片; 溶液濃度

0 引言

利用太陽能電池進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換是利用太陽能最有效的手段[1]。對于占太陽能電池市場主體地位的多晶硅太陽能電池來說[2]，對硅片表面進(jìn)行織構(gòu)處理能夠有效減少硅片表面的光反射，從而提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率[3]。隨著激光技術(shù)的發(fā)展和成熟，使用激光對多晶硅太陽能電池表面進(jìn)行織構(gòu)化處理成為研究熱點(diǎn)[4-10]。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[4]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[6]在2006年采用新的激光點(diǎn)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[7]應(yīng)用飛秒激光燒蝕和濕法化學(xué)刻蝕在單晶和多晶硅上制備了大于1 cm2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[8]借助Q-Switched Nd:YAG 激光直寫與KOH溶液化學(xué)濕法腐蝕相結(jié)合的方法，對多晶硅進(jìn)行平行掃描和垂直掃描制備類金字塔結(jié)構(gòu)。激光構(gòu)造多晶硅表面織構(gòu)技術(shù)雖然蓬勃發(fā)展，但其刻蝕過程必然影響多晶硅片的電學(xué)性能。用激光刻蝕多晶硅表面構(gòu)造太陽能電池表面織構(gòu)過程中，激光刻蝕所得刻槽的邊緣會留有熔融層、表面損傷層和表面殘?jiān)?，這些表面缺陷對太陽能電池的性能有著顯著影響，但去除這些表面缺陷的研究很少報(bào)導(dǎo)。因此，本文選用NaOH溶液清除這些表面殘?jiān)腿廴趯樱诖诉^程中，NaOH溶液的濃度對去除多晶硅片表面缺陷具有顯著影響，本文就此進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)使用的多晶硅片為硼摻雜P型多晶硅片，規(guī)格為20 mm×20 mm×180 μm。選用波長為1064 nm的光電調(diào)Q脈沖Nd:YAG固體激光器，參數(shù)選擇為電流13A、掃描速度25 mm/s、重復(fù)頻率15 kHz時(shí)，進(jìn)行硅片表面織構(gòu)。表面織構(gòu)刻蝕槽的寬度60 μm，深度60 μm，刻槽間距250 μm。

在對硅片進(jìn)行激光刻蝕后，利用NaOH溶液清除多晶硅表面的殘?jiān)腿廴趯樱悍謩e將溶液濃度為5%、10%、15%的NaOH溶液加熱至80 ℃溫度并使其處于溫度恒定狀態(tài)，然后將激光刻蝕后的多晶硅片置入裝有上述NaOH溶液的燒杯的中心位置處，腐蝕時(shí)間為10 min，腐蝕后樣品用去離子水清洗并吹干。

待樣品處理完成后，利用Hitachi S-3400N型掃描電鏡表征激光刻蝕并經(jīng)化學(xué)腐蝕后的多晶硅片樣品表面形貌，用Ocean Optics USB4000型光譜儀測試激光刻蝕并經(jīng)化學(xué)腐蝕后的多晶硅片表面的光反射率，用WT-1200型少子壽命測試儀測量硅片的少子壽命，把得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和處理，并得出結(jié)論。

2 結(jié)果與討論

激光刻蝕后的多晶硅片樣品分別用濃度為5%、10%、15%的NaOH溶液在溫度為80 ℃時(shí)腐蝕10 min后的掃描電鏡照片如圖1所示。從SEM圖可看出，隨著NaOH溶液濃度的增大，激光刻蝕并經(jīng)化學(xué)腐蝕后的多晶硅片表面形貌變化顯著，硅片表面組織結(jié)構(gòu)和激光刻蝕缺陷（熔融層和殘?jiān)┑男螒B(tài)發(fā)生了明顯變化。在NaOH溶液濃度為5%時(shí)（圖1(a)），激光對多晶硅片刻蝕所形成的刻槽呈縱向呈現(xiàn)在圖片中間，在刻槽組織兩側(cè)為硅片組織，圖片中可見硅片組織已形成堿液腐蝕硅片所特有的層狀結(jié)構(gòu)，但激光對多晶硅片刻蝕所形成的刻槽沒有和周圍組織形成明顯的浮凸結(jié)構(gòu)； NaOH溶液濃度為10%時(shí)（圖1(b)），與圖1（a）比較，可以看到圖片中間的激光刻槽組織已經(jīng)呈現(xiàn)出明顯的浮凸結(jié)構(gòu)，而周圍的硅片組織的層狀結(jié)構(gòu)也有所變化，圖1（b）中的硅片組織層狀結(jié)構(gòu)變得沒有圖1（a）中的細(xì)膩了；NaOH溶液濃度為15%時(shí)（圖1（c）），圖片中間的激光刻槽組織不但沒有明顯的浮凸結(jié)構(gòu)，整個(gè)刻槽結(jié)構(gòu)也變得不明顯了，而且刻槽中間已經(jīng)清晰可見堿液腐蝕硅片所形成的特有的層狀結(jié)構(gòu)，激光刻槽周圍的硅片組織的層狀結(jié)構(gòu)與圖1（b）和圖1（a）相比，變得更加粗糙和寬大。

圖1 激光刻蝕硅片經(jīng)過不同堿液濃度處理后的SEM圖

Fig.1 SEM images of laser textured mc-Si with different chemical etching concentration

用光譜儀測試激光刻蝕后，并經(jīng)化學(xué)腐蝕的多晶硅片表面光反射率的結(jié)果如圖2所示。圖中可見，經(jīng)過激光刻蝕和不同濃度NaOH溶液腐蝕處理后的多晶硅片樣品的反射率有著相似的變化趨勢，隨著入射光波長的增大反射率先降低再升高，且在480~800 nm波長范圍反射率保持低值。在480~800 nm波長范圍內(nèi)：NaOH溶液濃度為10 %時(shí)多晶硅片反射率最低為19 %；NaOH溶液濃度為5 %和15%時(shí)硅片反射率都高于溶液濃度為10 %的樣品，兩者反射率在20 %到35 %之間，觀察圖 2可見NaOH溶液濃度為10 %時(shí)多晶硅樣品表面反射率降低最顯著。

圖2 不同堿液濃度處理后反射率曲線

在80℃溫度下，激光刻蝕后的多晶硅片樣品分別用濃度為5 %、10 %、15 %的NaOH溶液腐蝕10 min后用WT-1200型少子壽命測試儀測試少子壽命。結(jié)果如圖3所示。由圖可見，多晶硅片的少子壽命隨著腐蝕所用的NaOH溶液的濃度增大而增大，當(dāng)NaOH溶液濃度為5 %時(shí)硅片少子壽命在1 μs以下，為0.98 μs，當(dāng)NaOH溶液濃度為10 %和15 %時(shí)少子壽命在1 μs以上，分別為1.19 μs和1.28 μs。

圖3 激光刻蝕硅片經(jīng)過不同堿液濃度處理后的少子壽命

圖1中經(jīng)激光刻蝕后的多晶硅片在不同濃度NaOH溶液腐蝕后呈現(xiàn)的現(xiàn)象表明：隨NaOH溶液濃度升高，圖片中激光刻槽周圍的硅片層狀結(jié)構(gòu)逐漸粗糙和寬大，說明在相同溫度和相同作用時(shí)間條件下，隨濃度升高堿液對樣品的腐蝕程度逐漸加深；圖片中間的激光刻槽結(jié)構(gòu)以溶液濃度為10 %時(shí)浮凸結(jié)構(gòu)最明顯，堿液濃度為5 %時(shí)刻槽結(jié)構(gòu)的浮凸并不明顯，濃度為15 %時(shí)基本上已看不出激光刻槽結(jié)構(gòu)，該現(xiàn)象表明NaOH溶液濃度為5%時(shí)硅片腐蝕并不足夠，溝槽內(nèi)的熔融物還沒有清除掉，溶液濃度為10 %時(shí)硅片處于腐蝕適度狀態(tài)，而液濃度為15 %時(shí)硅片處于過度腐蝕狀態(tài)，激光刻槽結(jié)構(gòu)基本消失。

反射率曲線(圖2)也印證了上述分析，NaOH溶液濃度為10 %時(shí)處于適度腐蝕狀態(tài)，激光刻槽有著明顯的浮凸結(jié)構(gòu)，光在多晶硅片的凹-凸結(jié)構(gòu)中多次反射，顯著降低了光的反射率；而溶液濃度為5 %時(shí)，硅片處于欠腐蝕狀態(tài)，由于激光刻槽結(jié)構(gòu)內(nèi)的熔融物沒有腐蝕掉，所以刻槽結(jié)構(gòu)浮凸?fàn)顟B(tài)不明顯，導(dǎo)致光反射過程中減反射效果不明顯；溶液濃度為15 %時(shí)，硅片處于過腐蝕狀態(tài)，激光刻槽結(jié)構(gòu)基本腐蝕掉了，所以硅片表面激光刻蝕引入凹-凸結(jié)構(gòu)已不明顯，所以其反射率與欠腐蝕的狀態(tài)相近。

硅片少子壽命的測試表明，NaOH溶液濃度對激光刻蝕構(gòu)造表面織構(gòu)的多晶硅片的少子壽命影響顯著，少子壽命反應(yīng)了硅片對光生載流子的復(fù)合程度，即反應(yīng)了光生載流子的利用率，少子壽命小于1 μs將顯著降低太陽能電池的電學(xué)性能[3]，NaOH溶液濃度為5 %時(shí)，硅片處于欠腐蝕狀態(tài)，硅片表面腐蝕程度較淺，激光刻槽仍然較深，由于激光刻蝕引入的硅片表面復(fù)合結(jié)構(gòu)增多，降低了硅片的少子壽命，使硅片的少子壽命達(dá)不到制備太陽能電池的要求；隨著NaOH溶液濃度的升高，硅片表面腐蝕程度逐漸加深，激光刻蝕刻槽逐漸變淺，從而使由于激光刻蝕引起的硅片表面復(fù)合結(jié)構(gòu)減少，隨著NaOH溶液濃度增大，硅片的少子壽命逐漸升高到1 μs以上，達(dá)到制備太陽能電池的要求。

3 結(jié)論

綜合上述討論，激光刻蝕后的多晶硅片樣品用堿液清除缺陷過程中，在堿液溫度和作用時(shí)間相同條件下，堿液濃度選擇10%時(shí)，在有效清除多晶硅片表面缺陷的同時(shí)，減反射效果顯著，并且對硅片的光生載流子利用率影響最小，使其電學(xué)性能可以達(dá)到制作太陽能電池的標(biāo)準(zhǔn)。

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Influence of NaOH Solution Concentration onthe Surface Texture of Multicrystalline Silicon by Laser Ablation

*JIA Zi-fan, SONG Jian-yu, ZAO Wei-yi

(Shenyang Ligong University, Shenyang, Liaoning 110159,China)

This paper uses scanning electron microscopy to characterize the surface morphology of silicon wafer samples,tests the reflectivity of silicon wafers by using a spectrometer,and tests the electrical properties of silicon wafers with a minority lifetime test system. The influence of NaOH solution concentrationon surface texture of multi-crystalline silicon solar cells prepared by laser ablation are investigated. The result shows that when lye concentration is 10%, the surface defects of multi-crystalline silicon could be removed, and the surface reflectivity of multi-crystalline silicon decreased significantly while giving consideration to electrical properties of multi-crystalline silicon.

surface texturation; laser etching; multicrystalline silicon solar cell;solution concentration

TN249

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2019.02.015

1674-8085(2019)02-0083-04

2018-12-03；

2019-01-15

*賈子凡(1994-)，男，遼寧撫順人，碩士生，主要從事表面科學(xué)與分析技術(shù)研究(E-mail: 412449115@qq.com);

宋建宇(1969-)，男，遼寧鞍山人，副教授，博士，主要從事半導(dǎo)體光電材料與器件研究(E-mail: jianyu_001@sohu.com);

肇偉懿(1996-)，男，遼寧營口人，碩士生，主要從事光信息技術(shù)與應(yīng)用研究(E-mail: 15104172518@qq.com).