專利名稱：一種單晶硅絨面結構的制備方法
技術領域：
本發明涉及太陽能應用技術領域，尤其涉及一種單晶硅絨面結構的制備方法。
背景技術：
絨面結構的制備是晶體硅太陽能電池生產工藝中的一道常用工序，絨面結構能夠有效減少入射光在硅片表面的反射損失，增加光的利用率，進而提高電池的轉換效率。如圖 1所示，目前采用的絨面典型結構為絨面金字塔結構。對于光面的硅片而言，入射到表面的太陽光中約有33%的光被表面反射出去，無法被電池吸收利用。而對于絨面金字塔結構而言，由于表面存在的金字塔結構，入射后的反射光會再次發生二次入射，降低反射損失。現有技術中，制備絨面結構主要采用化學腐蝕的方法，利用單晶硅片腐蝕的各向異性，低濃度的堿溶液對晶體硅在不同晶體取向上具有不同的腐蝕速率的原理，將單晶硅片直接浸入堿液中，采用一定的工藝參數配比，在硅片的上、下表面同時腐蝕出密布的金字塔形狀的表面形貌。圖2為采用現有技術制備的絨面結構和光面結構的光反射率的對比示意圖，由圖2可知，通過這種化學腐蝕的方法制備的絨面結構，在300 1100納米(nm)波長之間的入射光反射損失要比光面損失更小，能夠使更多的光入射到電池內，增加光的利用率。然而，在實現上述絨面結構制備的過程中，發明人發現現有技術中至少存在如下問題化學腐蝕的方法制備的絨面結構雖然相對于光面結構減少了太陽光的反射損失，但由于該方法制備的絨面金字塔尺寸通常在3 15微米(um)量級之間，大大高于入射光波長，由圖2可知，在吸收太陽光最強的600nm波長段仍有不低于15%的反射率，使電池效率受到限制。另外，該方法絨面的形成速度較慢，通常需要約30分鐘(min)的腐蝕才能制備出絨面結構，制約了產能。
發明內容
本發明提供了一種單晶硅絨面結構的制備方法，能夠有效減少絨面入射光的反射損失，提高了絨面的形成速度。為達到上述目的，本發明的實施例采用如下技術方案一種單晶硅絨面結構的制備方法，包括在硅片表面沉積離散的金屬顆粒；利用氫氟酸(HF)和雙氧水(H2O2)的混合溶液對所述沉積了金屬顆粒的硅片進行腐蝕，在所述硅片表面形成絨面結構。采用上述技術方案后，本發明提供的單晶硅絨面結構的制備方法，能夠得到尺寸更加微細的單晶硅的絨面結構，有效減少了入射光的反射損失；而且，本發明提供的制備方法，絨面的形成速度快，有效節省了工藝時間，提高了產能。
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圖1為現有技術制備的絨面的典型結構示意圖；圖2為現有技術制備的制備的絨面結構和光面結構的反射率的對比示意圖；圖3為本發明實施例提供的制備方法的流程圖；圖4(a)為本發明實施例提供的制備方法的原理示意圖；圖4(b)為本發明實施例提供的制備方法的又一原理示意圖；圖4(c)為本發明實施例提供的制備方法的另一原理示意圖；圖5為本發明實施例一的制備方法的流程圖；圖6為本發明實施例一進行金屬顆粒沉積后的硅片形貌圖；圖7為本發明實施例一制備的絨面結構形貌圖；圖8為本發明實施例一制備的絨面結構與現有技術制備的絨面結構發射率的對比示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明單晶硅絨面結構的制備方法的實施方式做進一步詳細說明。其中所描述的實施例僅僅是本發明的部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例， 都屬于本發明保護的范圍。本發明的實施例提供的絨面的制備方法，如圖3所示的流程圖，包括Sl 1，在硅片表面沉積離散的金屬顆粒；S12，利用氫氟酸和雙氧水的混合溶液對所述沉積了金屬顆粒的硅片進行腐蝕，在所述硅片表面形成絨面結構。本發明實施例提供的絨面制備方法，可稱之為金屬催化硅腐蝕法。目前在科研領域，金屬催化硅腐蝕法主要用來制備硅納米結構，如量子點，多孔硅，納米線等。它的主要原理是在強氧化性HF酸溶液環境下，金屬顆粒作為催化劑，通過電化學反應使與金屬顆粒接觸的硅表面發生氧化，氧化層被HF腐蝕，伴隨著電化學能和機械能的轉換，金屬顆粒向下運動，進一步腐蝕與金屬顆粒接觸的硅表面。以硅片表面沉積了銀(Ag)顆粒為例，當把表面沉積了 Ag顆粒的硅片浸入HF和H2A的混合溶液時，如圖4(a)所示，在Ag顆粒表面，發生陰極反應H202+2H++2e- — 2H20而在Ag顆粒下的硅表面，發生陽極反應，與Ag顆粒接觸的硅表面發生氧化Si+2H20 — Si02+4H++4e-接著，如圖4(b)和圖4(c)所示，SiO2層被HF腐蝕，并伴隨著電化學能和機械能的轉換，Ag顆粒向下運動，進一步腐蝕與Ag顆粒接觸的硅表面Si02+6HF — H2SiF6+2H20Si+6HF — H2SiF6+4H++4e-在腐蝕液中發生的總反應為Si+2H202+6HF — H2SiF6+4H20根據不同的工藝參數配比，通過上述反應過程，將在硅片表面形成多種形貌。而實驗發現通過金屬催化的硅腐蝕是各向異性的，其腐蝕方向垂直于硅片的(100)面，金屬催化的硅腐蝕的形貌取決于金屬顆粒的形狀尺寸，以及腐蝕時間。因此，通過控制金屬顆粒的形狀尺寸以及腐蝕時間，使金屬顆粒的尺寸較小且腐蝕時間較短時，就可以在硅片表面形成小尺寸的絨面結構。基于上述原理，本發明實施例提供的絨面的制備方法，通過控制金屬顆粒的形狀尺寸以及腐蝕時間，能夠得到尺寸更加微細的單晶硅的絨面結構，在與入射波長可比的情況下，有效減少了入射光的反射損失；而且，本發明實施例提供的制備方法，絨面的形成速度快，有效節省了工藝時間，提高了產能。其中需要指出的是，根據上述金屬催化硅腐蝕的原理，為了形成凹凸交替的絨面結構，本發明實施例中的Sll步驟所沉積的金屬顆粒在硅片表面的分布是離散的。由于金屬顆粒的尺寸決定著絨面結構的尺寸，而微細的絨面結構能夠有效減少入射光的損失，因此，要使沉積的金屬顆粒尺寸較小并細密排列，優選的，所沉積的金屬顆粒為納米量級的金屬顆粒。另外，為了后續制備的電池的性能，要保證絨面形貌的均勻性，要使沉積的金屬顆粒在硅片表面分布均勻。其中，Sll步驟沉積的金屬顆粒可以為金屬金(Au)顆粒或Ag顆粒或鉬(Pt)顆粒等。進一步的，Sll步驟可以采用多種方法在硅片表面沉積離散的金屬顆粒，例如采用物理氣相沉積法(濺射法或蒸鍍法等)在硅片表面沉積離散的金屬顆粒或者采用印刷、噴涂或旋涂包含金屬顆粒的膠狀物質在硅片表面沉積離散的金屬顆粒或者采用電鍍或化學鍍的方法在硅片表面沉積離散的金屬顆粒等，如果電鍍或化學鍍的方法沉積的金屬顆粒的數量較多，可通過稀釋減少金屬顆粒數量。進一步的，基于前文所述的金屬催化的硅腐蝕原理，S12步驟具體的過程為將 Sll步驟沉積了金屬顆粒的硅片浸入混合溶液，在所述金屬顆粒的催化作用下，與所述金屬顆粒接觸的硅片表面被所述混合溶液腐蝕，在所述硅片表面形成絨面結構。金屬顆粒會沿著腐蝕掉的硅表面向下移動，與所述金屬顆粒接觸的硅表面會進一步被腐蝕。另外需要注意的是，S12步驟中，腐蝕液中HF和H2O2的濃度可根據實際情況設置， 要根據腐蝕液的濃度和實際情況等設定對沉積金屬顆粒的硅片的腐蝕時間，腐蝕時間不宜過長，過長的腐蝕時間容易造成腐蝕過度，不能得到理想的絨面結構。由于金屬顆粒在S12步驟中作為催化劑，因此在S12步驟后，還包括去除金屬顆粒的步驟。通常將S12步驟腐蝕過的硅片浸入碘化鹽或硝酸鹽溶液中，然后再用鹽酸(HCl) 溶液清洗以去除金屬顆粒。為了使本領域的技術人員更好的理解本發明的技術方案，下面通過一個具體的實施例對本發明進行進一步的詳細說明。實施例一本實施例提供的絨面的制備方法，如圖5所示的流程圖，包括下列步驟S21，對硅片進行標準清洗；S21，采用化學鍍的方法，將硅片浸入HF和硝酸銀(AgNO3)的混合溶液中，在硅片表面沉積離散的Ag顆粒。本步驟是在室溫下進行的，反應時間為lmin，采用的HF和AgNO3的混合溶液中，HF 的濃度為10%、AgNO3的濃度為0. 01 0. 03Mol/L。經過本步驟后，硅片表面將沉積有離散的，分布均勻的Ag顆粒。經過該步驟后，硅片表面的形貌如圖6所示，圖中白色粒狀物為沉積的Ag顆粒，由圖可知，所沉積的Ag顆粒是離散的，分布均勻致密，顆粒大小約為60 200nm。S23，將硅片浸入HF和H2A的混合溶液中進行腐蝕；本步驟的腐蝕時間為20秒，采用的混合溶液中，HF的濃度為10%，H2O2的濃度為 0. 6%。S24，去除 Ag 顆粒；本步驟采用的去除Ag顆粒的方法是將S23步驟腐蝕后的硅片浸入濃度為 0. 05Mol/L的KN03水溶液中3min，然后取出硅片再浸入HCl溶液進行清洗。S25，對硅片進行去離子水清洗并甩干。這樣，本實施例完成了制備絨面結構的整個流程，所制備的絨面結構如圖7所示， 由圖可知，本實施例制備的絨面結構呈現孔洞和凸起交替的形貌，其中孔洞的深度即腐蝕深度約為180 240nm，代表S23步驟的腐蝕速率為9 12nm/s。為了驗證本實施例制備的絨面結構對發射率的改善能力，對制備的樣品進行了反射率的測試，并和現有技術采用堿溶液腐蝕制備的絨面結構的反射率進行了對比，結果如圖8所示，由圖8可知，在300 IlOOnm波長范圍內，本實施例制備的絨面結構的反射損失均小于堿腐蝕制備的絨面結構。綜上所述，本發明提供的絨面的制備方法，能夠得到更微細的絨面結構，改善了絨面結構的反射率，有效減少了反射損失；而且，腐蝕的時間短，絨面的形成速度快，有效節省了工藝時間，提高了產能。以上所述，僅為本發明的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應所述以權利要求的保護范圍為準。
權利要求
1.一種單晶硅絨面結構的制備方法，其特征在于，包括 在硅片表面沉積離散的金屬顆粒；利用氫氟酸和雙氧水的混合溶液對所述沉積了金屬顆粒的硅片進行腐蝕，在所述硅片表面形成絨面結構。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬顆粒為納米量級的金屬顆粒。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬顆粒為金顆粒或銀顆粒或鉬顆粒。
4.根據權利要求1至3任一項所述的方法，其特征在于，所述在硅片表面沉積離散的金屬顆粒具體為采用物理氣相沉積法在硅片表面沉積離散的金屬顆粒；或者采用印刷、噴涂或旋涂包含金屬顆粒的膠狀物質在硅片表面沉積離散的金屬顆粒；或者采用電鍍或化學鍍的方法在硅片表面沉積離散的金屬顆粒。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述利用氫氟酸和雙氧水的混合溶液對所述沉積了金屬顆粒的硅片進行腐蝕的步驟具體為將所述沉積了金屬顆粒的硅片浸入所述混合溶液，在所述金屬顆粒的催化作用下，與所述金屬顆粒接觸的硅片表面被所述混合溶液腐蝕，在所述硅片表面形成絨面結構。
6.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，采用化學鍍的方法，將硅片浸入氫氟酸和硝酸銀的混合溶液中，在硅片表面沉積離散的金屬銀顆粒。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述氫氟酸和硝酸銀的混合溶液中，所述氫氟酸的濃度為10%，所述硝酸銀的濃度為0. 01 0. 03MO1/L。
8.根據權利要求1或6所述的方法，其特征在于，所述氫氟酸和雙氧水的混合溶液中， 氫氟酸的濃度為10%、雙氧水的濃度為0. 6%。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，對所述沉積了金屬顆粒的硅片進行腐蝕的時間為20秒。
全文摘要
本發明提供了一種單晶硅絨面結構的制備方法，涉及太陽能應用技術領域，為能夠有效減少絨面入射光的反射損失、提高絨面的形成速度而發明。所述單晶硅絨面的制備方法，包括在硅片表面沉積離散的金屬顆粒；利用氫氟酸和雙氧水的混合溶液對所述沉積了金屬顆粒的硅片進行腐蝕，在所述硅片表面形成絨面結構。本發明可用于太陽能電池的制作工藝中。
文檔編號C30B33/10GK102234845SQ20101015462
公開日2011年11月9日 申請日期2010年4月26日 優先權日2010年4月26日
發明者肖青平 申請人:北京北方微電子基地設備工藝研究中心有限責任公司