激光刻蚀角度对多晶硅片表面反射率的影响

张卫红，宋建宇，张红丽，吴 杰，乌日娜

(1.沈阳理工大学 理学院，辽宁 沈阳 110159；2.青岛理工大学 琴岛学院 机电系，山东 青岛 266106)

激光刻蚀角度对多晶硅片表面反射率的影响

张卫红1，宋建宇1，张红丽2，吴 杰1，乌日娜1

(1.沈阳理工大学 理学院，辽宁 沈阳 110159；2.青岛理工大学 琴岛学院 机电系，山东 青岛 266106)

利用激光分别以0°、30°、45°、60°的入射角对多晶硅片表面进行刻蚀，然后用10%NaOH溶液腐蚀去除损伤层，从而构造多晶硅片表面织构。采用光谱仪测试多晶硅片表面反射率，应用扫描电镜表征多晶硅片样品表面形貌，研究激光刻蚀角度对多晶硅片表面反射率的影响。结果表明：随激光刻蚀角度不同，多晶硅片表面反射率变化明显，其中刻蚀角度为45°时，多晶硅片表面反射率降低最为显著。

表面织构；激光刻蚀；太阳能电池多晶硅片；入射角；反射率

当今世界，在化石能源日渐枯竭和环境污染日益恶化的形势下，太阳能电池以其绿色环保及可再生的特点受到人们的广泛重视。多晶硅因其价格低廉，占据光伏市场的比重超过了50%[1]，已经成为最主要的太阳能电池材料。因此提高多晶硅太阳能电池的光电转换效率自然也成为研究的热点之一。多晶硅片表面织构化是提高太阳能电池表面光吸收从而提高其转换效率的有效手段之一。现在多晶硅片表面织构技术主要有机械刻槽[2]、激光刻蚀[3]、化学腐蚀[4-5]等。随着激光技术的不断成熟，激光刻蚀成为构造多晶硅表面织构的一种重要手段：J.C.Zolper 等[6]在1989年首先利用激光交叉刻槽方法制备出完整多晶硅太阳能电池。Malcolm Abbott 等[7]于2006年采用新的激光点刻蚀方案制备出双面刻槽埋栅的太阳能电池。2007年Kurt W.Kolasinski 等[8]应用飞秒激光烧蚀和湿法化学刻蚀在单晶和多晶硅上制备了大于1cm2的周期性的尖峰壮形貌结构，使表面变成黑色，减少了光反射率。L.A.Dobrzanski[9]借助Q-Switched Nd:YAG激光直写与KOH溶液化学湿法腐蚀相结合的方法，对多晶硅进行平行扫描和垂直扫描制备类金字塔结构。上述研究者的研究方法及研究目的各不相同，但都没有研究激光刻蚀角度对多晶硅片表面反射率的影响。

本文利用激光分别以0°、30°、45°、60°的入射角对多晶硅片表面进行刻蚀，构造多晶硅片表面织构，研究激光刻蚀角度对多晶硅片表面反射率的影响。

1 实验

实验所用的多晶硅片为萨巨利维能源科技有限公司生产的硼掺杂P型多晶硅片，电阻率为1～3Ω·cm，少子寿命为1～5μs，厚度为180μm，规格为125mm×125mm。利用G350激光切割机把硅片切成大小为20mm×20mm的样品。

用波长为1064nm的半导体抽运Nd：YAG激光器分别以0°、30°、45°、60°的入射角刻蚀多晶硅片样品表面。硅片表面的减反射性能与表面结构的尺寸、形状有直接的关系。激光刻蚀所得刻槽的宽度由激光束直径决定，而刻蚀深度则由激光器的脉冲频率、光功率、扫描速度等决定。调整激光器的脉冲频率、光功率、扫描速度，将刻蚀的高宽比控制为2∶1。

本实验采用热NaOH溶液腐蚀的方法去除多晶硅片表面的残渣和熔融层,其中NaOH溶液的浓度为10%(质量分数)，腐蚀温度为80℃，腐蚀时间为10min。

用Ocean Optics USB4000光谱仪测量多晶硅片的反射率。用Hitachi S-3400N扫描电子显微镜(SEM)观察多晶硅片表面形貌。

2 实验结果与讨论

激光以0°、30°、45°、60°入射角刻蚀后的多晶硅片表面形貌见图1。从图1中可看出：激光刻蚀后所得刻槽在多晶硅片表面呈均匀分布排列；沿激光刻蚀的方向，每条激光刻蚀所得刻槽的两侧都各分布一薄层与激光刻蚀方向呈垂直排列的组织，其为激光刻蚀过程中的熔融材料；在熔融材料外侧，可以观察到沿着激光刻蚀方向分布着刻蚀过程中的溅出材料；在两条激光刻蚀所得刻槽之间多晶硅片表面部分区域受到污染。从图1中还可以看到，随着激光刻蚀角度的增加，由于刻槽倾斜角度的增大，刻槽边缘将刻槽的刀口逐渐覆盖，从而在电镜扫描的方向看刻槽逐渐变得不明显。

图1 不同入射角刻蚀的多晶硅电镜图

没有经过刻蚀的多晶硅片和分别以角度0°、30°、45°、60°刻蚀后的多晶硅片的反射率曲线如图2所示。

图2 没刻蚀及以不同入射角刻蚀的多晶片样品的反射率曲线

从图2中可以观察到，各多晶硅片样品的反射率曲线有着相似的变化规律，都是随着入射光波长的增大反射率先降低再升高，且在480～800nm波长范围反射率保持低值。但在480～800nm波长范围内，没有经过刻蚀的多晶硅片其反射率最低为20%。以不同的角度激光刻蚀后，各多晶硅片样品的反射率变化明显：激光以0°入射角刻蚀后其反射率最低为18%；以30°入射角刻蚀后其反射率最低为15%；以45°入射角刻蚀后其反射率最低为8%；以60°入射角刻蚀后其反射率最低为10%。观察图2可见激光倾斜刻蚀对提高多晶硅片表面的减反射性能有显著影响，并且激光以45°入射角刻蚀后的多晶硅样品表面反射率降低最显著。

分析不同角度刻蚀对样品反射率的影响原因是由于随着刻槽倾斜角度的增大，垂直入射的光线在刻槽内反射次数增加，降低了反射率。但是当超过一定角度后，进入槽的光线减少，从而反射率又上升。

由于激光刻蚀后的多晶硅片分布着图1所示的熔融材料和溅出材料以及污染。为了清除这些熔融材料、溅出材料、污染及激光刻蚀过程对多晶硅片造成的损伤层，用浓度为10%NaOH溶液对多晶硅片样品进行腐蚀，腐蚀温度为80℃，腐蚀时间为10min。腐蚀后用去离子水清洗干净，烘干。激光以30°、45°、60°的入射角刻蚀的多晶硅片样品经化学腐蚀后的扫描电镜照片如图3所示。

图3 以不同入射角激光刻蚀的多晶硅片表面碱液腐蚀后的电镜图

由于扫描电镜照片放大倍数增大，从图3可以明显观察到，随着入射角度增加，多晶硅片表面上激光刻蚀所得刻槽的倾斜程度增大，各样品表面没有观察到熔融材料、溅出材料以及污染物，说明高温碱腐蚀对消除表面残渣和腐蚀熔覆层有很好的效果。图3照片上还可观察到，激光刻蚀所得刻槽的侧壁上及样品表面出现一些“蠕虫状”的腐蚀坑，这是碱对多晶硅的各向异性腐蚀的结果。

分别以0°、30°、45°、60°入射角刻蚀的多晶硅片经过碱液腐蚀后的反射率曲线如图4所示。

图4 经过化学处理后的反射率曲线图

由图4可看到，经过碱液腐蚀的多晶硅片样品的反射率与没经过腐蚀的反射率有着相似的变化规律，都是随着入射光波长的增大反射率先降低再升高，且在480～800nm波长范围反射率保持低值。在480～800nm波长范围内：激光以0°入射角刻蚀后其反射率最低为19%；以30°和以60°入射角刻蚀后反射率都在15%附近；以45°入射角刻蚀后其反射率最低为10%。观察图4，可见激光倾斜刻蚀可以提高多晶硅片表面的减反射性能，并且激光以45°入射角刻蚀后的多晶硅样品表面反射率降低最显著。另外，对比图2和图4，激光以同一入射角刻蚀的多晶硅样品，经碱液腐蚀后表面反射率上升。

多晶硅片表面织构化能够降低其表面反射率从而提高光的利用率，其原因在于多晶硅片表面织构化的陷光效应，也就是在光滑的硅片上构造出一定深度的凹坑，使照射到硅片表面的光在凹坑内经过多次反射，从而增加硅片对光的吸收，提高光电转换效率。而激光表面织构制得的绒面结构具有良好的高宽比，所以表面陷光性能优异。尤其是本文提出的激光倾斜刻蚀，通过倾斜刻蚀，在多晶硅表面构造出倾斜的凹坑，这种结构使光的反射次数增多，从而增加了光的利用效率。

激光倾斜刻蚀多晶硅片构造表面织构能够有效降低表面反射率，其原因如图5所示，用激光垂直刻蚀硅片得到的是V型绒面(如图5a所示)，光经过两次反射就从硅片表面反射出来，能够增加光的利用率，但不显著。本文提出激光倾斜刻蚀(如图5b)，选取合适的刻蚀角度,光线经过多次反射，则硅片对入射光的吸收显著增多，这明显增加了光的利用率。

图5 刻蚀示意图

图2中激光以0°、30°、45°、60°的入射角刻蚀后多晶硅样品表面反射率不同，其原因在于一方面随着刻槽倾斜角度的增大，垂直入射的光线在刻槽内反射次数增加，从而降低了光的反射率；另一方面，在高宽比相同条件下，随着刻槽倾斜角度的增大，能够入射到刻槽内的光线减少，所以光反射率增大。在这两种因素作用下，由实验结果可知，以30°入射角刻蚀后的样品表面的反射率大于以60°角刻蚀的样品的反射率，而以45°入射角刻蚀后的样品表面反射率又比60°角刻蚀的反射率低。激光以45°入射角刻蚀后的多晶硅样品表面反射率降低最显著。

图4中的反射率曲线与图2中的反射率曲线相比可知，刻蚀角度相同经过腐蚀的样品的反射率曲线上升，这是由于经过碱腐蚀后，表面熔融层被全部去除，露出多晶硅衬底，从而使激光刻蚀所得的织构结构平坦化所导致；由于样品经过腐蚀后，激光倾斜刻蚀能够降低多晶硅片表面反射率的机制依然起作用(图5所示)，所以碱液腐蚀后激光倾斜刻蚀仍然显著提高多晶硅片表面的减反射性能，这表现在图4中碱液腐蚀后激光倾斜刻蚀样品的反射率曲线明显低于垂直刻蚀的样品；经碱液腐蚀后以30°和60°入射角刻蚀后样品表面反射率差别不明显，这是由于一方面随着刻槽倾斜角度的增大，垂直入射的光线在刻槽内反射次数增加，从而降低了光的反射率，另一方面，随着刻槽倾斜角度的增大，能够垂直入射到刻槽内的光线减少，所以光反射率增大。在这两种因素作用下，经碱液腐蚀后两种样品表面反射率差别不显著。而以45°入射角激光刻蚀并经碱液腐蚀后的多晶硅样品，兼顾了刻槽倾斜角度增大，垂直入射的光线在刻槽内反射次数增加，从而降低光的反射率；以及刻槽倾斜角度减小，垂直入射到刻槽内的光线增多，从而增加光的利用率的优势，所以其表面反射率降低最显著。

3 结论

(1)用激光以不同的入射角对多晶硅片表面进行刻蚀，构造多晶硅片表面织构，随激光刻蚀角度不同，多晶硅片表面反射率变化明显。

(2)用激光以45°的入射角对多晶硅片表面进行刻蚀，构造多晶硅片表面织构，多晶硅片表面反射率减低最为显著。

(3)通过进一步的化学处理，去除了激光刻蚀后的损伤层和熔融层，制得了高性能的多晶硅绒面。

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EffectofLaserEtchingAngleforMulti-crystallineSiliconontheReflectance

ZHANG Weihong1,SONG Jianyu1,ZHANG Hongli2,WU Jie1,WU Rina1

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Qindao College,Qingdao Technological University,Qingdao 266106,China)

Surface texturization of multicrystalline silicon wafers were prepared by laser etching and the angles of incidence were 0 °，30°，45°，60°.Symmetrical microstructure for light trapping was made by using the 10% NaOH solution corrosion to remove the damaged layer.The surface morphology and reflectivity property of samples were characterized by scanning electron microscopy (SEM) and spectrometer.The results exhibit that with the laser etching angles changing,surface reflectivity of polycrystalline silicon changes obviously and when the etching angle is 45°,the surface reflectivity decreases most significantly.

surface texturation;laser etching;multicrystalline silicon solar cell;angle of incidence;reflectivity

2013-10-17

张卫红(1987—)，男，硕士研究生；通讯作者：宋建宇(1969—)，男，副教授，研究方向：新型宽禁带半导体光电材料与器件.

1003-1251(2014)04-0062-05

TN249

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马金发)