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3.1.2晶体硅表面制绒原理
硅片经过初步清洗去污后,要进行表面的制绒处理。按腐蚀液的种类不同,硅片的制绒可分为碱性制绒和酸性制绒两类。
1.碱性制绒原理
碱性制绒主要适用于单晶硅,碱性制绒的原理是利用NaOH(或KOH)稀溶液与硅片反应,反应方程式为
为了提高电池的光电转换效率,必须有效地降低表面的反射,在清洗工艺中的表面绒面制备是降低表面反射的一个重要的工艺,我们称之为化学腐蚀法。化学腐蚀法可以在硅表面形成不规则的倒金字塔形织构,工业生产中通常采用两步制绒法,即先采用较高浓度的碱(NaOH或KOH)在高温条件下对单晶硅片进行短时间的“粗抛”以去除硅片在线切割过程形成的切割损伤,然后再用低浓度的碱(NaOH或KOH)和醇(IPA)的混合溶液对(100)晶向的单晶硅片进行较长时间各向异性腐蚀,这样可以在硅片表面形成类“金字塔”状的绒面(如图3.2),有效地增强了硅片表面对入射光的吸收,从而提高光生电流密度。
图3.2扫描电子显微镜下观察到的单晶硅表面绒面
出于经济上的考虑,通常用较廉价的NaOH溶液,图3.3为100℃下不同浓度的NaOH溶液对(100)晶向硅片的腐蚀速度。
图3.3硅片在不同浓度NaOH溶液中的腐蚀速率
单晶硅绒面结构的形成机理:由于单晶硅不同晶面和晶向的原子排列和原子密度不同,与碱进行反应的速率差异也很大,{111}相邻两层面间的距离最大,共价键密度最小,因此沿{111}相邻双层原子面间最容易断裂。另一方面,{111}原子层内的原子间距最小,共价键密度最大,使得沿着<111>方向的腐蚀速率最小。所以<111>晶向的单晶硅片经各向异性腐蚀后最终在表面形成许许多多表面为(111)的四面方锥体,而四面方锥体之间的硅已被NaOH(或KOH)稀溶液所腐蚀。从而单晶硅表面形成布满“金字塔”形四方锥的绒面结构。
2.酸性制绒原理
酸性制绒主要适用于多晶硅,通过对加入不同配方的酸腐蚀液与硅片在一定温度条件下进行反应,实际反应非常复杂,酸腐蚀液是由两种酸与水以适当的比例混合而成。其中一种酸是强氧化剂,在反应中提供反应所需的空穴,另一种是络合剂,与反应的中间产物反应生成另一种络合物以促使反应进行,水是缓冲剂。为了控制化学反应的剧烈程度,还应该添加其他的化学品。由于腐蚀表面受硅片清洁程度的影响,腐蚀前应对硅片进行清洗等预处理;另外,反应结束后,硅片立即采用去离子水冲洗,在碱液中清洗一定时间,再经去离子水冲洗,最后在具有保护气体的炉中烘干,图3.4为酸性制绒实验过程示意图。
目前广泛使用的酸腐蚀溶液主要是以HF-HNO3组成,为了控制化学反应的剧烈程度,有时还加入缓和剂,缓和剂为H2O或CH3COOH,主要起到减小腐蚀速率与缓和反应的作用。但是,基本的化学反应是不变的,大致的蚀刻机制是HNO3(一种氧化剂)腐蚀,在硅片表面形成了一层SiO2,然后这层SiO2在HF的作用下去除。酸对硅的腐蚀速度与晶粒取向无关,因此,酸腐蚀又称为各向同性酸腐蚀。图3.5为在扫描电子显微镜下观察到的多晶硅表面绒面,其反应方程式为
图3.4酸性制绒实验过程示意图
图3.5扫描电子显微镜下观察到的多晶硅表面绒面
(作者罗玉峰、张发云、廖卫兵)
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