半導(dǎo)體硅太陽能電池基板的濕化學(xué)處理及電子界面特性

引言

硅(Si)在半導(dǎo)體器件制造中的大多數(shù)技術(shù)應(yīng)用都是基于這種材料的特定界面性能。二氧化硅（二氧化硅）可以通過簡單的氧化方法在硅表面制備，其特點是高化學(xué)和電穩(wěn)定性。晶體硅在光伏應(yīng)用占主導(dǎo)地位，全球近90%的太陽能電池生產(chǎn)是基于多晶和單晶基質(zhì)。發(fā)展具有經(jīng)濟(jì)吸引力的太陽能電池的先決條件是減少材料消耗、簡化技術(shù)工藝和進(jìn)一步提高能源轉(zhuǎn)換效率。本文報道了利用傳統(tǒng)和新開發(fā)的濕化學(xué)方法獲得的硅基底與紋理表面的形態(tài)、光學(xué)和電子界面性質(zhì)的聯(lián)合監(jiān)測。通過結(jié)合無損、表面敏感技術(shù)、UV-NIR反射率測量、光譜橢圓偏距(SE)、表面光致發(fā)光(SPV)和PL)測量，在原位和濕化學(xué)制備步驟中重復(fù)進(jìn)行。

實驗

使用n型和P型硅(100)晶片，首先處理具有(a)切割和(B)拋光表面的兩種類型的襯底，以去除鋸傷和/或獲得光捕獲紋理，隨后進(jìn)行濕化學(xué)氧化和蝕刻處理，以降低單層范圍內(nèi)制備引起的微觀表面粗糙度。通過(1)在80℃的堿性氫氧化鉀/異丙醇(KOH/IPA)溶液中的各向異性蝕刻，(2)使用從晶片減薄技術(shù)轉(zhuǎn)移的各向同性紋理蝕刻(TE)獲得不同的表面紋理。

為了研究制備誘導(dǎo)的表面微粗糙度和天然氧化物對成質(zhì)太陽能電池基質(zhì)的影響，應(yīng)用了三種濕化學(xué)表面制備：(i)在RCA處理（HF下降）之后HF1%，(ii)標(biāo)準(zhǔn)的氫終止工藝，包括H2SO4：H2O2（1：1）10min，然后是NH4F48%（NH4F），(iii)特殊的氫終止工藝，包括改進(jìn)的RCA工藝，然后是濕化學(xué)氧化工藝和優(yōu)化的最終氧化物去除(HT)。使用稀釋的HF（1%）溶液進(jìn)行不同的處理時間(60-600s)和NH4F（48%）去除天然和濕化學(xué)氧化物。為了比較拋光的Si（100）基質(zhì)和紋理基質(zhì)與隨機(jī)分布的金字塔上的Si（111）剖面的刻蝕行為，在同樣的程序中，也對拋光的Si（111）基質(zhì)進(jìn)行了處理。

結(jié)果和討論

各向同性和各向異性蝕刻襯底的表面形貌和光學(xué)再凝度：圖1顯示了Si（100)底物(傾斜30°）的掃描電鏡顯微圖。在太陽能電池制造中，最好采用堿性或酸性溶液的濕化學(xué)蝕刻工藝來去除鋸子損傷。此外，在高效太陽能電池中利用硅襯底的不同紋理化方案，通過前表面的多次反射入射、背面吸收的路徑長度和背面內(nèi)反射的光來增強(qiáng)抗反射特性。

堿性溶液中的各向同性蝕刻制備的氫氧化鈉或氫氧化鉀用于優(yōu)化單晶硅(100）襯底的光捕獲性能。堿性蝕刻溶液需要大量的能量來保持蝕刻浴在所需的溫度。另一個問題是反應(yīng)產(chǎn)物氟硅酸鉀(k2sif6)的溶解度有限，這可能是浴液壽命和通量的限制因素。

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總結(jié)

研究發(fā)現(xiàn)，太陽能電池應(yīng)用的紋理硅（100）基底的表面電子性質(zhì)主要受表面處理兩步的影響：首先，光捕獲結(jié)構(gòu)的晶體表面結(jié)構(gòu)，其次是濕化學(xué)平滑程序?qū)υ悠教购徒Y(jié)構(gòu)表面積的有效性，以及天然和濕化學(xué)氧化物的徹底去除。堿性蝕刻劑，如KOH-IPA，通過各向異性蝕刻在硅（100）上提供高度紋理的表面。到目前為止，酸基紋理蝕刻通過各向同性蝕刻產(chǎn)生粗糙的表面，比堿性過程表現(xiàn)出更少的光吸收，但產(chǎn)生更高的表面微粗糙度，導(dǎo)致較高的重組損失。

結(jié)果表明，原位光致發(fā)光和離位SPV的聯(lián)合測量可以作為一種靈敏的工具，用于分析濕化學(xué)處理硅表面上的制備誘導(dǎo)態(tài)密度。因此，研究了每個濕化學(xué)蝕刻工藝的HF處理時間，以完成天然氧化物的去除，并避免制備引起的表面微粗糙度的增加。結(jié)果表明，通過軟沉積，優(yōu)化后的硅襯底表面狀態(tài)可以保持并轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合差的非晶硅/碳硅異質(zhì)界面。