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引言
太陽能電池利用太陽輻射發(fā)電，其中半導(dǎo)體材料被用作太陽能轉(zhuǎn)換的吸收材料。盡管有許多吸收材料的替代品，硅太陽能電池仍然主導(dǎo)著市場。硅的帶隙為1.1電子伏，單結(jié)硅太陽能電池的極限量子效率為29.1%。人們一直在努力提高太陽能電池的效率，不僅通過開發(fā)新的器件結(jié)構(gòu)，而且通過減少光的反射。在商用太陽能電池中，這是分兩步完成的——表面紋理化，然后沉積抗反射涂層。有很多種方法使表面具有紋理，例如機械雕刻，激光治療，等離子蝕刻，和濕化學(xué)蝕刻，其中最后一種技術(shù)由于其易于加工、成本低和產(chǎn)量高而被廣泛使用。
表面紋理化是通過增強硅太陽能電池的光捕獲能力來提高其效率的一種途徑。在本文中，太陽能級、單晶、未拋光的硅片在織構(gòu)化之前通過不同的途徑進行化學(xué)處理。用掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡和紫外-可見分光光度計系統(tǒng)地研究了這種預(yù)織構(gòu)化處理對形態(tài)演變和相應(yīng)光學(xué)性質(zhì)變化的影響。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，金字塔結(jié)構(gòu)的均勻性和尺寸分布以及紋理化表面的反射率取決于預(yù)紋理化化學(xué)處理。此外，還發(fā)現(xiàn)在紋理化之前用HF蝕刻氧化物層不會影響紋理化硅襯底的光學(xué)特性。
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實驗
在我們的工作中，我們使用了大面積(130mm×130mm)摻硼、p型、（100）取向、單晶、太陽級、未拋光的硅晶片，電阻率為1Ωcm-3Ωcm，厚度為190μm-210μm作為基底材料。本文所進行的化學(xué)處理可分為兩個步驟：（1）預(yù)紋理清洗和（2）紋理化化學(xué)處理。預(yù)紋理化清洗包括去除鋸子損傷、有機污染物和天然氧化物。為了研究預(yù)紋理清洗對紋理化的影響，將晶片分為三個批次，分別為A、B、C，每批次的表面處理路線不同，如表1所示，氫氧化鈉與路線A聯(lián)合使用，而路線B中僅使用氫氧化鈉來研究高頻對紋理化過程的影響。在C路線中，piranha溶液與氫氧化鈉聯(lián)合使用。
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表1 不同批次硅襯底的預(yù)織構(gòu)化化學(xué)處理
氫氧化鈉主要用于去除鋸子的損傷。將原晶片在10%氫氧化鈉中以10○C化學(xué)拋光10min，然后用去離子(DI)水沖洗3分鐘-4分鐘。本方法采用電導(dǎo)率為0.6μS/cm的去離子水作為溶劑和沖洗目的。在室溫下，用2%HF（按體積）清洗硅片3min，用去離子水沖洗3分鐘-4分鐘，從硅片中去除自然生長的氧化物層。
在C批中，為了去除有機污染物，用酸性piranha清洗硅片，這是一種濃縮（98%）硫酸和過氧化氫的混合物，在室溫下清洗5min，然后用去離子水沖洗2min。預(yù)處理后，將晶片浸入丙酮2min，然后在IPA/甲醇中2min，最后用去離子水沖洗5min，吹氮氣干燥。表面紋理化是為了發(fā)展一個錐體表面。清洗后的晶片用堿性溶液氫氧化鉀：IPA：紋理DI水，1gm：5ml：125ml，在70℃溫度下加熱10min。然后用去離子水沖洗晶片3分鐘-4分鐘。
利用掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡(AFM研究了不同化學(xué)加工階段的硅晶片的形貌。AFM以接觸模式運行。使用SPM工具確定表面粗糙度。
結(jié)果和討論
由于晶片經(jīng)過不同的化學(xué)處理，反射率測量對于理解光學(xué)性質(zhì)至關(guān)重要。硅的帶隙為1.12eV，對應(yīng)的波長為1127nm。這意味著波長為1127nm或更小的光子入射到硅材料上，可以發(fā)電。在太陽光譜中，43%的輻照位于可見光譜，52%位于近紅外光譜，因此需要研究可見光和近紅外區(qū)域的反射率。為了比較反射率數(shù)據(jù)，本文選擇了兩個波長，可見光譜700nm，近紅外光譜950nm。從圖2中可以很清楚地看出，由于鋸片引起的損傷，原硅晶片非常粗糙。處理氫氧化鈉后，表面光學(xué)平坦，反射率(%R)從0.5%顯著上升到約23%。然而，由于鋸片損傷造成的表面粗糙度并不相同，不同晶片的變化略有不同。紋理化后，從可見光到整個光譜的反射率顯著下降到7%以下。
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圖2 處理過的硅片的掃描電鏡圖像和相應(yīng)的反射光譜:(a)切割后的硅片，(b)氫氧化鈉處理后的硅片，和(c)紋理化后的硅片
從光譜中也可以明顯看出，反射率隨入射輻射波長的變化而變化，這表明在硅表面形成了一個不均勻的金字塔結(jié)構(gòu)。然而，在大晶片上的不同位置，光譜的微小變化——在中心、中心和邊緣之間的中間點，以及靠近外圍的點，將晶片切割成小碎片。表二顯示了不同a處理過的襯底點在700nm和950nm兩種不同波長下的反射率，代表了可見光和近紅外光譜。如果反射波得到第二次被吸收，從表面反射的光子可能再次被捕獲，這取決于金字塔結(jié)構(gòu)的傾斜角度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果金字塔的傾斜角在45°到54.7°之間，那么垂直于紋理表面落下的光可能會被重新吸收。如果傾斜角度大于60°，則有可能進行進一步的重吸收，也稱為三重彈跳入射。由于（100）和Si（111）之間的傾斜角為54.7°，如圖3所示，可以排除三重反彈反射的可能性，吸收僅限于雙反彈發(fā)生率。然而，由于不完全蝕刻，也可能形成一些高階平面。由于這些平面產(chǎn)生的角度小于45°，它們不會促進光子的重吸收。結(jié)果，來自點2的較高反射可能是由于該特定區(qū)域中金字塔尺寸或金字塔結(jié)構(gòu)密度的變化。
為了證實我們的假設(shè)，對紋理化硅表面進行AFM成像，并在晶片的三個不同位置進行測量，如圖4所示。然后分析獲得的圖像，并在每個圖像的不同位置測量均方根線粗糙度以及面積粗糙度。從三幅圖像獲得的平均粗糙度和標準偏差分別為389納米和128.8納米，最小高度為255納米，最大高度為666納米。從這些數(shù)據(jù)來看，不可避免的是，整個樣品的表面粗糙度會發(fā)生變化，金字塔隨機分布在表面上。
因此，從上面的討論中可以清楚地看出，反射率測量，以及其他參數(shù)是表面粗糙度的代表。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)對于氫氧化鈉處理后，均質(zhì)譜面積表面粗糙度在5nm-8nm范圍內(nèi)，紋理后增加到300nm-450nm，700nm入射射線的反射率從26%下降到1.58%。值得注意的是，反射率數(shù)據(jù)是來自每個基板的四個不同點的反射率的平均值。
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總結(jié)
本文詳細研究了紋理化前的表面處理的影響。我們發(fā)現(xiàn)，預(yù)紋理化化學(xué)處理在決定紋理硅表面的光學(xué)和形態(tài)特性方面起著關(guān)鍵作用。此外，就反射率而言，氫氟酸的作用是冗余的。從反射率和形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)中可以看出，c處理后的表面具有更好的紋理化效果，并產(chǎn)生了均勻的紋理表面，以及金字塔結(jié)構(gòu)的均勻分布，滿足了太陽能電池制造中進一步加工的要求。