一种用于硅薄膜电池表面的高深宽比陷光结构制备方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种用于硅薄膜电池表面的高深宽比陷光结构制备方法，可用于在玻璃表面制备高深宽比的凹坑阵列结构，提高陷光结构的陷光特性。高效的表面陷光结构，既能减少电池表面的光能损失，又能减少电池内部光能逃逸，同时还能延长光在电池吸收层中的光程，从而提升硅薄膜太阳能电池效率。属于微纳加工领域，具体涉及干法和湿法相结合的刻蚀方法。

(二)背景技术

太阳能电池具有制备工艺简单，可大面积制备以及成本低等优势，然而其电池效率却相对较低。为了提高光子在硅薄膜中的光吸收率，需要考虑在表面反射低的前提下，还要尽可能地延长光子在吸收层的光路，提高光能的利用率，同时还要考虑减少电池内部的光能逃逸，才能更大程度上提高电池的光电转换效率。而高效、合理的表面陷光技术，则使这方面成为可能。高效的表面陷光结构，既能减少电池表面的光能损失，又能减少电池内部光能逃逸，同时还能延长光在电池吸收层中的光程。这种结构一旦制备在硅薄膜电池的表面，既不破坏电池本身，又能提升电池效率，是一种安全、可靠的电池陷光技术。

在表面陷光技术的研究过程中，首先要研究解决，也是最核心的问题，就是表面陷光结构的制备技术，特别是在玻璃表面制备高效陷光结构，涉及到储多工艺，且与目前的微加工工艺发展水平有着密切关系。目前，刻蚀(加工)玻璃样品的方法归纳起来主要有四大类：一是机械加工方法，如传统的钻孔、超声钻孔、电化学放电加工等；二是湿法腐蚀法，主要在利用HF对SiO

为了在玻璃表面制备高效陷光结构，获得不同深宽比的凹坑阵列结构，由王庆康等人于2013年公开的一种用于硅基薄膜太阳电池的微结构陷光方法(中国专利号：CN201310544960.X)，其陷光结构的凹坑阵列的深宽比较小；由姜澜等人于2013年公开的一种基于电子动态调控的飞秒激光刻蚀玻璃的方法(中国专利号：CN201310636640.7)，利用飞秒激光双脉冲对玻璃进行刻蚀；由孙绍臻等人于2017年公开的具有陷光结构的太阳能电池片(中国专利号：CN201721799119.5)，其陷光结构利用紫外激光器冷加工进行制备。上述玻璃加工方法都没有实现对玻璃的高深宽比凹坑阵列结构。从而制约了玻璃的陷光特性，影响了电池效率的提升。且激光刻蚀玻璃成本较高不适合大批量生产需要；而只使用湿法刻蚀图形保真效果较差，刻蚀不均匀且难以掌控；只使用离子刻蚀刻蚀的精度不够，并且价格昂贵。

本发明公开一种用于硅薄膜电池表面的高深宽比陷光结构制备方法。本发明是一种采用RIE的干法与HF刻蚀的湿法相结合的工艺方法，即先通过复杂的掩膜工艺，在掩膜的保护下，通过RIE工艺，在玻璃表面制备出一系统的高深宽的“深井”阵列结构，然后再利用HF刻蚀出想要的阵列结构，则可以制备出不同深宽比，特别是高深宽比的陷光结构。深宽比不同，陷光结构的陷光特性不同，对电池效率提升的影响也将不同。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种用于硅薄膜电池表面的高深宽比陷光结构制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

(权利要求1)利用负光刻板，在玻璃基片表面高深宽凹坑阵列结构的工艺流程为：(a)溅射金属种子层、旋涂光刻胶。本发明采用Cr/Cu(50nm/150nm)组合。即先在玻璃表面溅射50nm的Cr金属层，然后在Cr金属层上面再溅射150nm的Cu金属层。旋涂3-5μm光刻胶，正胶；(b)光刻、显影。采用415nm紫外，在SUSS双面对准接触式光刻中光刻，然后显影，最后在烘箱中进行烘烤；(c)电镀Ni金属。在金属种子层Cr/Cu上面，电镀2-3μm的Ni金属层，同样作为掩膜；(d)去胶。采用湿法与干法相结合的方法去除光刻胶。即先用丙酮淹泡样品10min，并加以超声，然后把样品放入离子去胶机中，连续去胶3次，每次1min；(e)刻蚀种子层。离子束刻蚀采用的刻蚀设备是LKJ系列离子束刻蚀设备。选取的离子能量是550eV，离子束流为86mA。对于200nm的Cr/Cu组合金属层，IBE刻蚀时间为12min较为合适；(f)反应离子刻蚀玻璃衬底。采用RIE设备对玻璃进行垂直深刻蚀。采用NMCICP反应离子式刻蚀设备，刻蚀气体为Ar气和C

干法刻蚀采用的是RIE法，即物理性的离子轰击和化学反应相结合的方法，以达到刻蚀玻璃的目的。其特征是：以Ni金属层作为掩膜，然后采用RIE设备对玻璃进行垂直深刻蚀。采用NMCICP反应离子式刻蚀设备，刻蚀气体为Ar气和C

C

SiO

SiO

SiO

湿法刻蚀就是利用HF与SiO

SiO

实验中并不能观察不到气体，主要是因为：

4SiF

因此，总的反应方程为：

6HF+SiO

玻璃中除了SiO

CaO+2HF＝GaF

MgO+2HF＝MgF

这些沉积物，不溶于水，因此容易沉积于玻璃衬底的表面，导致刻蚀表面变得粗糙，同时影响刻蚀速度。

本发明采用RIE的干法与HF刻蚀的湿法相结合的工艺方法，即先通过复杂的掩膜工艺，在掩膜的保护下，通过RIE工艺，在玻璃表面制备出一系统的高深宽的“深井”阵列结构，然后再利用HF腐蚀出想要的阵列结构，则可以制备出不同深宽比，特别是高深宽比的陷光结构。深宽比不同，陷光结构的陷光特性不同，对电池效率提升的影响也将不同。本发明采用干湿法相结合的方法，很好地解决了高深宽比玻璃刻蚀问题，既实现了玻璃的深刻蚀，同时也使了表面粗糙度的问题得到很好解决。

本发明以Ni金属层作为掩膜，然后采用RIE设备对玻璃进行深刻蚀。通过规则的Ni金属层(2-3μm)作为掩膜，很好地实现了玻璃的深刻蚀，得到了非常规则的刻蚀表面，且非刻蚀区域也保护得非常完好。刻蚀的深度一致，且垂直性较好，没有出现所谓的侧向钻蚀现象。

(四)附图说明

图1、利用负光刻板，在玻璃基片表面高深宽凹坑阵列结构的工艺流程：(a)溅射金属种子层、旋涂光刻胶；(b)光刻、显影；(c)电镀Ni金属；(d)去胶；(e)刻蚀种子层；(f)反应离子刻蚀玻璃衬底；(g)HF刻蚀玻璃衬底；(h)去金属层。

图2、经过反应离子刻蚀以及HF刻蚀玻璃衬底之后最终得到的高深宽比凹坑阵列结构玻璃的SEM图，俯视图。

图3、经过反应离子刻蚀以及HF刻蚀玻璃衬底之后最终得到的高深宽比凹坑阵列结构玻璃的SEM图，规则断面图。

图4、经过反应离子刻蚀以及HF刻蚀玻璃衬底之后最终得到的单个结构剖面图，分别是RIE10min和20min后，经HF腐蚀最终得到的结果。

(五)具体实施方式

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。

图1给出了利用干湿法相结合的方法制备玻璃表面高深宽比凹坑阵列结构的实施例。利用负光刻板，在玻璃基片表面高深宽凹坑阵列结构的工艺流程为：(a)溅射金属种子层、旋涂光刻胶。本发明采用Cr/Cu(50nm/150nm)组合。即先在玻璃表面溅射50nm的Cr金属层，然后在Cr金属层上面再溅射150nm的Cu金属层。旋涂3-5μm光刻胶，正胶；(b)光刻、显影。采用415nm紫外，在SUSS双面对准接触式光刻中光刻，然后显影，最后在烘箱中进行烘烤；(c)电镀Ni金属。在金属种子层Cr/Cu上面，电镀2-3μm的Ni金属层，同样作为掩膜；(d)去胶。采用湿法与干法相结合的方法去除光刻胶。即先用丙酮淹泡样品10min，并加以超声，然后把样品放入离子去胶机中，连续去胶3次，每次1min；(e)刻蚀种子层。采用的刻蚀设备是LKJ系列离子束刻蚀设备。选取的离子能量是550eV，离子束流为86mA。对于200nm的Cr/Cu组合金属层，IBE刻蚀时间为12min较为合适；(f)反应离子刻蚀玻璃衬底。采用RIE设备对玻璃垂直进行深刻蚀。采用NMCICP反应离子式刻蚀设备，刻蚀气体为Ar气和C

以Ni金属层作为掩膜，然后采用RIE设备对玻璃进行垂直深刻蚀。采用NMCICP反应离子式刻蚀设备，刻蚀气体为Ar气和C

HF腐蚀条件不同。本发明采用15vol％的高浓度HF溶液对玻璃进行腐蚀，在刻蚀前将样品放在乙醇溶液淹泡5min，然后放入真空箱中，抽真空的到HF溶液沸腾，待液体中的气体排出，停止抽真空，打开气伐，让其在HF溶液中腐蚀15min。图2、3所示的HF刻蚀后最终得到高深比凹坑阵列结构玻璃的SEM图，图2是俯视图，图3是规则断面图；图4是HF刻蚀后得到单个结构剖面图，分别是RIE10min和20min后，经HF腐蚀最终得到的结果。