一種多晶硅表面陷光微結構的加工方法
【專利摘要】本發明屬于多晶硅絨面加工技術領域，具體涉及一種多晶硅表面陷光微結構的加工方法。該加工方法具體步驟如下：步驟一、配制腐蝕溶液，然后將多晶硅置于腐蝕溶液中進行化學腐蝕加工多晶硅表面；步驟二、啟動超聲相控陣列設備，超聲相控陣列產生的超聲波在腐蝕溶液中傳播并產生聲輻射力，所述聲輻射力控制腐蝕溶液中的腐蝕粒子朝著聚焦區域集中，所述聚焦區域能偏轉，所述聚焦區域的偏轉采用相控陣超聲波束的時空控制實現，能定向加工多晶硅表面，得到多晶硅表面陷光微結構。本發明的加工方法工藝簡單，將化學腐蝕與超聲相控陣列進行復合，并通過超聲相控陣列聲束的偏轉和聚焦對多晶硅表面定位加工，適應性好。
【專利說明】
一種多晶硅表面陷光微結構的加工方法
技術領域
[0001]本發明屬于多晶硅絨面加工技術領域，具體涉及一種多晶硅表面陷光微結構的加工方法。
【背景技術】
[0002]太陽能是人類重要的可再生能源，利用光伏效應制成的太陽能電池是一種能將太陽光直接轉化成電能的器件。光伏發電具有安全可靠、無噪聲、零污染排放、制約少、故障率低、維護簡便等優點。硅基材料是制作太陽能電池的原材料，根據所用材料的不同，太陽能電池可分為單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池等，其中多晶硅太陽能電池在全球光伏產品的應用比重在45%左右。多晶硅太陽能電池的成本相對較低，但效率總體上沒有單晶硅太陽電池高，要縮小兩者的差距，降低多晶硅表面對光的反射是最有效的途徑。絨面技術是制備具有減少光反射功能的硅表面的主要方法，通過表面織構在硅片表面形成絨面，可以在表面對光波產生多次反射，對不同波長的光都具有較好的減反射作用。
[0003]現有的表面制絨方法有激光刻槽、化學刻槽、反應離子腐蝕、制作減反射膜層等技術。激光刻槽方法易在刻蝕中表面造成損傷同時引入一些雜質，要通過化學處理去除表面損傷層，工藝繁瑣。化學刻槽，該方法無法形成各向異性腐蝕所形成的那種尖錐狀結構。反應離子腐蝕，該方法為一種無掩膜腐蝕工藝，所形成的絨面反射率特別低，但存在的問題是硅表面損傷嚴重，工藝復雜。制作減反射膜層，技術工藝復雜，當應用于工業化生產時，成本很高，不利于廣泛推廣應用。
[0004]中國發明專利(申請號:201310558211.2)提供了一種多晶硅微納加工方法，將混合酸液注入反應容器，驅動平面超聲工具頭形成超聲駐波，將多晶硅材料放入反應容器中進行制備，制備完后置于去離子溶液中清洗，封裝。該加工方法受控于聲場分布形式的限制，有一定的局限性。
【發明內容】
[0005]針對上述現有技術中存在的不足，本發明提供了一種應用超聲相控陣列制備具有分形特征的多晶硅表面陷光微結構的加工方法。該加工方法能有效地改善多晶硅絨面結構，使多晶硅表面在腐蝕過程中形成具有分形特征的陷光微結構，從而提高多晶硅的光能吸收效率。
[0006]為實現本發明的目的，本發明采用以下技術方案:
[0007 ] 一種多晶娃表面陷光微結構的加工方法，包括如下步驟:
[0008]步驟一:采用化學腐蝕加工多晶硅表面:配制腐蝕溶液，然后將多晶硅置于腐蝕溶液中；
[0009]步驟二:啟動超聲相控陣列設備，超聲相控陣列產生的超聲波在腐蝕溶液中傳播并產生聲輻射力，所述聲輻射力控制腐蝕溶液中的腐蝕粒子朝著聚焦區域集中，所述聚焦區域能偏轉，所述聚焦區域的偏轉采用相控陣超聲波束的時空控制實現，時空控制是通過控制陣列換能器中各個陣元激勵脈沖的時間延遲，改變由各陣元發射聲波到達物體內某點時的相位關系，實現聚焦點和聲束方位的變化，從而實現聲束的聚焦及偏轉，能定向加工多晶硅表面，得到多晶硅表面陷光微結構。
[0010]進一步的，所述多晶硅表面陷光微結構具有分形特征，分形特征是指該多晶硅陷光微結構由各大小不同的陷光微結構組成，每個陷光微結構部分以某種方式與整體相似，極大降低了光在多晶硅表面的反射率。
[0011 ] 進一步的，所述化學腐蝕的腐蝕溶液是HF、HN0#ra2S04混合溶液。
[0012]優選的是，所述HF溶液的質量濃度為39?41%，所述HNO3溶液的質量濃度為67%?69%，所述H2SO4溶液的質量濃度為74?76%。
[0013]優選的是，所述腐蝕溶液中的HF溶液、HNO3溶液和H2SO4溶液的體積比為0.8?1.2:1.7 ?2.3:7.9 ?8丄
[0014]優選的是，所述超聲相控陣列采用多頻超聲相控陣列。
[0015]優選的是，所述的超聲相控陣列的陣元分為左、中、右三組。
[0016]本發明的有益效果是:
[0017]本發明結合分形幾何的特點，創造性地在多晶硅表面陷光結構中引入分形幾何的概念。本發明的加工方法將化學腐蝕與超聲相控陣列進行復合，制得具有分形特征的多晶硅表面陷光微結構，使光在多晶硅表面經過多次的反射和吸收，從而提高光能的吸收效率用于提高多晶硅太陽能電池的光電轉換效率;本發明的加工方法工藝簡單，通過超聲相控陣列聲束的偏轉和聚焦能對多晶硅表面定位加工，適應性好。
【附圖說明】
[0018]圖1是聲輻射力控制腐蝕粒子運動示意圖。
[0019]圖2是具有分形幾何特征的多晶硅表面陷光微結構圖。
[0020]圖3是具有其它分形幾何特征的多晶硅表面陷光微結構圖。
[0021 ]圖4是具有圖2分形幾何特征的多晶娃對光反射示意圖。
[0022]圖5是超聲相控陣列聚焦示意圖。
[0023]圖6是腐蝕粒子在多頻超聲相控陣列中的運動方向示意圖。
[0024]圖中各附圖標記為:
[0025]1、多晶硅表面，2、腐蝕粒子，3、聲輻射力，4、聚焦區域，5、入射光，6、反射光，7、超聲相控陣列，8、聚焦點。
【具體實施方式】
[0026]以下結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明。
[0027]如圖2所示，本發明首次提出一種具有分形特征的多晶硅表面陷光微結構。這里需要特別說明的是，所設計的具有分形幾何特征的多晶硅表面陷光微結構是一種理想化的結構，根據分形所具有的自相似變換特征，如圖3所示，只要在原有制絨得到的陷光形狀中增加尺寸更小的陷光微結構，都可以認為這種結構具有分形特征。
[0028]多晶硅表面制絨主要是讓光滑的晶體硅表面密集分布有一定深度的陷光微結構，如圖4所示，當光照射到晶體硅表面I時，入射光5在這種陷光微結構內可以多次反射和折射，從而使更多的光子進入晶體硅中，假如多晶硅表面具有分形特征，布滿了三角形的凹坑，光在凹坑內反射和折射次數將成倍增加，這將極大的降低絨面的反射率，從而使更多的光能被吸收，反射光6的強度減弱。
[0029]為了可以得到如圖2所描述的具有分形特征的多晶硅表面陷光微結構，根據如圖5所示的超聲相控陣列聚焦原理，為此又設計了如圖6所示的一個含有多頻率超聲能量的復合聲場去影響腐蝕粒子的運動軌跡，從而形成如圖2所描述的具有分形特征的多晶硅表面陷光微結構。
[0030]實施例1:
[0031 ]本實施例的多晶硅表面陷光微結構的加工方法，具體如下:選取尺寸為2cm*2cm的η型多晶硅片，將其置于腐蝕溶液進行化學腐蝕，腐蝕溶液為質量濃度為39%的HF溶液、質量濃度為67 %的HNO3溶液和質量濃度為76 %的出504溶液的混合，而且腐蝕溶液中HF溶液、HNO3溶液和H2SO4溶液的體積比為0.8:2:8.1。在常溫下進行化學腐蝕的同時，結合如圖5所示的多頻超聲相控陣列作用于化學腐蝕反應中。由于所要加工的多晶硅陷光微結構的數量級是微米級別，即化學腐蝕中各微粒間的反應為微米級別的反應，微米級別的粒子在多頻復合場中受到的聲輻射力的大小是不同的，在化學腐蝕反應中，多頻超聲相控陣列產生的超聲波在腐蝕溶液中傳播時產生的聲輻射力3將腐蝕溶液中的腐蝕粒子2朝聚焦區域集中(如圖1)，使得聚集區域4處的反應溶液濃度提高，反應活性增強，腐蝕速度加快，相應的在這些聚焦區域得到的腐蝕凹坑更深。因此，利用超聲相控陣列7通過超聲波的聲輻射力大小的不同將相應的化學粒子聚集至不同的聚焦位置8進行腐蝕反應，能得到大陷光結構中含有小陷光結構的具有分形特征的絨面結構。
[0032]如圖6所示，本實施例將超聲相控陣列7的陣元分為左、中、右三組，左右兩組陣元的頻率均為500ΚΗζ，且陣元數目少；中間組陣元的頻率為300ΚΗζ，使用中間的陣元來控制大部分的腐蝕粒子腐蝕出多晶硅表面的大陷光微結構，即如圖6中的大倒三角結構，然后利用左右兩組500ΚΗζ的超聲波來改變腐蝕粒子的運動方向，偏移一定的軌跡從而加工出小的三角陷光微結構。三組陣元的具體參數如下:左邊陣元數目為20個，陣元間距為0.5mm，陣元大小為2mm，陣元頻率為500KHz ；中間陣元數目為32個，陣元間距為0.4mm，陣元大小為2mm，陣元頻率為300KHz ；右邊陣元數目為20個，陣元間距為0.5mm，陣元大小為2mm，陣元頻率為500KHz，三組陣元的聚焦點深度均為15mm。以上各參數對腐蝕粒子的影響如下:陣元間距越大，聚焦效果越好，有利于腐蝕粒子的集中，但陣元間距設置過大，聚焦效果反而降低;陣元大小越大，聲輻射力越強，將加快腐蝕粒子向著聚焦區域移動；陣元數目越多，聚焦效果越好，有利于腐蝕粒子的集中；陣元頻率越高聚焦效果越好，越有利于腐蝕粒子的集中。按照上述參數在進行多晶硅化學腐蝕時，在聲壓大的地方腐蝕粒子多，與硅片直接接觸腐蝕將形成大的陷光微結構;而在一些聲壓小的地方腐蝕粒子較少從而在大陷光微結構兩側腐蝕出一些小的陷光微結構。
[0033]時空控制是通過控制陣列換能器中各個陣元激勵脈沖的時間延遲，改變由各陣元發射聲波到達物體內某點時的相位關系，實現聚焦點和聲束方位的變化，從而實現聲束的聚焦及偏轉。通過對相控陣列超聲波束的時空控制來實現聲束的偏轉以及動態聚焦，從而影響與硅片反應的腐蝕粒子的運動軌跡，進而制得具有分形特征的陷光微結構。
[0034]實施例2:
[0035]本實施例與實施例1的不同之處在于:腐蝕溶液為質量濃度為41%的HF溶液、質量濃度為68%的HNO3溶液和質量濃度為74%的!12304溶液的混合，而且腐蝕溶液中HF溶液、HNO3溶液和H2SO4溶液的體積比為1.2:1.7:7.9,其他方法參照實施例1。
[0036]實施例3:
[0037]本實施例與實施例1的不同之處在于:腐蝕溶液為質量濃度為40%的HF溶液、質量濃度為69%的HNO3溶液和質量濃度為75%的!12304溶液的混合，而且腐蝕溶液中HF溶液、HNO3溶液和H2SO4溶液的體積比為1:2.3:8,其他方法參照實施例1。
[0038]實施例4:
[0039]本實施例與實施例1的不同之處在于:腐蝕溶液為質量濃度為41%的HF溶液、質量濃度為68%的HNO3溶液和質量濃度為74%的!12304溶液的混合，而且腐蝕溶液中HF溶液、HNO3溶液和H2SO4溶液的體積比為0.9:2:8.1，其他方法參照實施例1。
[0040]本發明不受上述具體陣元大小、陣元間距、陣元數目和陣元頻率的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。
【主權項】
1.一種多晶硅表面陷光微結構的加工方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟一:采用化學腐蝕加工多晶硅表面:配制腐蝕溶液，然后將多晶硅置于腐蝕溶液中； 步驟二:啟動超聲相控陣列設備，超聲相控陣列產生的超聲波在腐蝕溶液中傳播并產生聲輻射力，所述聲輻射力控制腐蝕溶液中的腐蝕粒子朝著聚焦區域集中，所述聚焦區域能偏轉，所述聚焦區域的偏轉采用相控陣超聲波束的時空控制實現，能定向加工多晶硅表面，得到多晶硅表面陷光微結構。2.根據權利要求1所述的多晶硅表面陷光微結構的加工方法，其特征在于，所述多晶硅表面陷光微結構具有分形特征。3.根據權利要求1所述的多晶硅表面陷光微結構的加工方法，其特征在于，所述化學腐蝕的腐蝕溶液是HF、HN0#ra2S04混合溶液。4.根據權利要求3所述的多晶硅表面陷光微結構的加工方法，其特征在于，所述HF溶液的質量濃度為39?41%，所述HNO3溶液的質量濃度為67%?69%，所述H2SO4溶液的質量濃度為74?76%。5.根據權利要求3或4所述的多晶硅表面陷光微結構的加工方法，其特征在于，所述腐蝕溶液中的HF溶液、HNO3溶液和H2SO4溶液的體積比為0.8?1.2:1.7?2.3:7.9?8.1。6.根據權利要求1所述的多晶硅表面陷光微結構的加工方法，其特征在于，所述超聲相控陣列采用多頻超聲相控陣列。7.根據權利要求1或6所述的多晶硅表面陷光微結構的加工方法，其特征在于，所述的超聲相控陣列的陣元分為左、中和右三組。
【文檔編號】H01L31/18GK105932096SQ201610321459
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月16日
【發明人】吳立群, 郭亞杰
【申請人】杭州電子科技大學