一种多晶硅表面陷光微结构的加工方法
【专利摘要】本发明属于多晶硅绒面加工技术领域，具体涉及一种多晶硅表面陷光微结构的加工方法。该加工方法具体步骤如下：步骤一、配制腐蚀溶液，然后将多晶硅置于腐蚀溶液中进行化学腐蚀加工多晶硅表面；步骤二、启动超声相控阵列设备，超声相控阵列产生的超声波在腐蚀溶液中传播并产生声辐射力，所述声辐射力控制腐蚀溶液中的腐蚀粒子朝着聚焦区域集中，所述聚焦区域能偏转，所述聚焦区域的偏转采用相控阵超声波束的时空控制实现，能定向加工多晶硅表面，得到多晶硅表面陷光微结构。本发明的加工方法工艺简单，将化学腐蚀与超声相控阵列进行复合，并通过超声相控阵列声束的偏转和聚焦对多晶硅表面定位加工，适应性好。
【专利说明】
一种多晶硅表面陷光微结构的加工方法
技术领域
[0001]本发明属于多晶硅绒面加工技术领域，具体涉及一种多晶硅表面陷光微结构的加工方法。
【背景技术】
[0002]太阳能是人类重要的可再生能源，利用光伏效应制成的太阳能电池是一种能将太阳光直接转化成电能的器件。光伏发电具有安全可靠、无噪声、零污染排放、制约少、故障率低、维护简便等优点。硅基材料是制作太阳能电池的原材料，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池等，其中多晶硅太阳能电池在全球光伏产品的应用比重在45%左右。多晶硅太阳能电池的成本相对较低，但效率总体上没有单晶硅太阳电池高，要缩小两者的差距，降低多晶硅表面对光的反射是最有效的途径。绒面技术是制备具有减少光反射功能的硅表面的主要方法，通过表面织构在硅片表面形成绒面，可以在表面对光波产生多次反射，对不同波长的光都具有较好的减反射作用。
[0003]现有的表面制绒方法有激光刻槽、化学刻槽、反应离子腐蚀、制作减反射膜层等技术。激光刻槽方法易在刻蚀中表面造成损伤同时引入一些杂质，要通过化学处理去除表面损伤层，工艺繁琐。化学刻槽，该方法无法形成各向异性腐蚀所形成的那种尖锥状结构。反应离子腐蚀，该方法为一种无掩膜腐蚀工艺，所形成的绒面反射率特别低，但存在的问题是硅表面损伤严重，工艺复杂。制作减反射膜层，技术工艺复杂，当应用于工业化生产时，成本很高，不利于广泛推广应用。
[0004]中国发明专利(申请号:201310558211.2)提供了一种多晶硅微纳加工方法，将混合酸液注入反应容器，驱动平面超声工具头形成超声驻波，将多晶硅材料放入反应容器中进行制备，制备完后置于去离子溶液中清洗，封装。该加工方法受控于声场分布形式的限制，有一定的局限性。
【发明内容】
[0005]针对上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种应用超声相控阵列制备具有分形特征的多晶硅表面陷光微结构的加工方法。该加工方法能有效地改善多晶硅绒面结构，使多晶硅表面在腐蚀过程中形成具有分形特征的陷光微结构，从而提高多晶硅的光能吸收效率。
[0006]为实现本发明的目的，本发明采用以下技术方案:
[0007 ] 一种多晶娃表面陷光微结构的加工方法，包括如下步骤:
[0008]步骤一:采用化学腐蚀加工多晶硅表面:配制腐蚀溶液，然后将多晶硅置于腐蚀溶液中；
[0009]步骤二:启动超声相控阵列设备，超声相控阵列产生的超声波在腐蚀溶液中传播并产生声辐射力，所述声辐射力控制腐蚀溶液中的腐蚀粒子朝着聚焦区域集中，所述聚焦区域能偏转，所述聚焦区域的偏转采用相控阵超声波束的时空控制实现，时空控制是通过控制阵列换能器中各个阵元激励脉冲的时间延迟，改变由各阵元发射声波到达物体内某点时的相位关系，实现聚焦点和声束方位的变化，从而实现声束的聚焦及偏转，能定向加工多晶硅表面，得到多晶硅表面陷光微结构。
[0010]进一步的，所述多晶硅表面陷光微结构具有分形特征，分形特征是指该多晶硅陷光微结构由各大小不同的陷光微结构组成，每个陷光微结构部分以某种方式与整体相似，极大降低了光在多晶硅表面的反射率。
[0011 ] 进一步的，所述化学腐蚀的腐蚀溶液是HF、HN0#ra2S04混合溶液。
[0012]优选的是，所述HF溶液的质量浓度为39?41%，所述HNO3溶液的质量浓度为67%?69%，所述H2SO4溶液的质量浓度为74?76%。
[0013]优选的是，所述腐蚀溶液中的HF溶液、HNO3溶液和H2SO4溶液的体积比为0.8?1.2:1.7 ?2.3:7.9 ?8丄
[0014]优选的是，所述超声相控阵列采用多频超声相控阵列。
[0015]优选的是，所述的超声相控阵列的阵元分为左、中、右三组。
[0016]本发明的有益效果是:
[0017]本发明结合分形几何的特点，创造性地在多晶硅表面陷光结构中引入分形几何的概念。本发明的加工方法将化学腐蚀与超声相控阵列进行复合，制得具有分形特征的多晶硅表面陷光微结构，使光在多晶硅表面经过多次的反射和吸收，从而提高光能的吸收效率用于提高多晶硅太阳能电池的光电转换效率;本发明的加工方法工艺简单，通过超声相控阵列声束的偏转和聚焦能对多晶硅表面定位加工，适应性好。
【附图说明】
[0018]图1是声辐射力控制腐蚀粒子运动示意图。
[0019]图2是具有分形几何特征的多晶硅表面陷光微结构图。
[0020]图3是具有其它分形几何特征的多晶硅表面陷光微结构图。
[0021 ]图4是具有图2分形几何特征的多晶娃对光反射示意图。
[0022]图5是超声相控阵列聚焦示意图。
[0023]图6是腐蚀粒子在多频超声相控阵列中的运动方向示意图。
[0024]图中各附图标记为:
[0025]1、多晶硅表面，2、腐蚀粒子，3、声辐射力，4、聚焦区域，5、入射光，6、反射光，7、超声相控阵列，8、聚焦点。
【具体实施方式】
[0026]以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0027]如图2所示，本发明首次提出一种具有分形特征的多晶硅表面陷光微结构。这里需要特别说明的是，所设计的具有分形几何特征的多晶硅表面陷光微结构是一种理想化的结构，根据分形所具有的自相似变换特征，如图3所示，只要在原有制绒得到的陷光形状中增加尺寸更小的陷光微结构，都可以认为这种结构具有分形特征。
[0028]多晶硅表面制绒主要是让光滑的晶体硅表面密集分布有一定深度的陷光微结构，如图4所示，当光照射到晶体硅表面I时，入射光5在这种陷光微结构内可以多次反射和折射，从而使更多的光子进入晶体硅中，假如多晶硅表面具有分形特征，布满了三角形的凹坑，光在凹坑内反射和折射次数将成倍增加，这将极大的降低绒面的反射率，从而使更多的光能被吸收，反射光6的强度减弱。
[0029]为了可以得到如图2所描述的具有分形特征的多晶硅表面陷光微结构，根据如图5所示的超声相控阵列聚焦原理，为此又设计了如图6所示的一个含有多频率超声能量的复合声场去影响腐蚀粒子的运动轨迹，从而形成如图2所描述的具有分形特征的多晶硅表面陷光微结构。
[0030]实施例1:
[0031 ]本实施例的多晶硅表面陷光微结构的加工方法，具体如下:选取尺寸为2cm*2cm的η型多晶硅片，将其置于腐蚀溶液进行化学腐蚀，腐蚀溶液为质量浓度为39%的HF溶液、质量浓度为67 %的HNO3溶液和质量浓度为76 %的出504溶液的混合，而且腐蚀溶液中HF溶液、HNO3溶液和H2SO4溶液的体积比为0.8:2:8.1。在常温下进行化学腐蚀的同时，结合如图5所示的多频超声相控阵列作用于化学腐蚀反应中。由于所要加工的多晶硅陷光微结构的数量级是微米级别，即化学腐蚀中各微粒间的反应为微米级别的反应，微米级别的粒子在多频复合场中受到的声辐射力的大小是不同的，在化学腐蚀反应中，多频超声相控阵列产生的超声波在腐蚀溶液中传播时产生的声辐射力3将腐蚀溶液中的腐蚀粒子2朝聚焦区域集中(如图1)，使得聚集区域4处的反应溶液浓度提高，反应活性增强，腐蚀速度加快，相应的在这些聚焦区域得到的腐蚀凹坑更深。因此，利用超声相控阵列7通过超声波的声辐射力大小的不同将相应的化学粒子聚集至不同的聚焦位置8进行腐蚀反应，能得到大陷光结构中含有小陷光结构的具有分形特征的绒面结构。
[0032]如图6所示，本实施例将超声相控阵列7的阵元分为左、中、右三组，左右两组阵元的频率均为500ΚΗζ，且阵元数目少；中间组阵元的频率为300ΚΗζ，使用中间的阵元来控制大部分的腐蚀粒子腐蚀出多晶硅表面的大陷光微结构，即如图6中的大倒三角结构，然后利用左右两组500ΚΗζ的超声波来改变腐蚀粒子的运动方向，偏移一定的轨迹从而加工出小的三角陷光微结构。三组阵元的具体参数如下:左边阵元数目为20个，阵元间距为0.5mm，阵元大小为2mm，阵元频率为500KHz ；中间阵元数目为32个，阵元间距为0.4mm，阵元大小为2mm，阵元频率为300KHz ；右边阵元数目为20个，阵元间距为0.5mm，阵元大小为2mm，阵元频率为500KHz，三组阵元的聚焦点深度均为15mm。以上各参数对腐蚀粒子的影响如下:阵元间距越大，聚焦效果越好，有利于腐蚀粒子的集中，但阵元间距设置过大，聚焦效果反而降低;阵元大小越大，声辐射力越强，将加快腐蚀粒子向着聚焦区域移动；阵元数目越多，聚焦效果越好，有利于腐蚀粒子的集中；阵元频率越高聚焦效果越好，越有利于腐蚀粒子的集中。按照上述参数在进行多晶硅化学腐蚀时，在声压大的地方腐蚀粒子多，与硅片直接接触腐蚀将形成大的陷光微结构;而在一些声压小的地方腐蚀粒子较少从而在大陷光微结构两侧腐蚀出一些小的陷光微结构。
[0033]时空控制是通过控制阵列换能器中各个阵元激励脉冲的时间延迟，改变由各阵元发射声波到达物体内某点时的相位关系，实现聚焦点和声束方位的变化，从而实现声束的聚焦及偏转。通过对相控阵列超声波束的时空控制来实现声束的偏转以及动态聚焦，从而影响与硅片反应的腐蚀粒子的运动轨迹，进而制得具有分形特征的陷光微结构。
[0034]实施例2:
[0035]本实施例与实施例1的不同之处在于:腐蚀溶液为质量浓度为41%的HF溶液、质量浓度为68%的HNO3溶液和质量浓度为74%的!12304溶液的混合，而且腐蚀溶液中HF溶液、HNO3溶液和H2SO4溶液的体积比为1.2:1.7:7.9,其他方法参照实施例1。
[0036]实施例3:
[0037]本实施例与实施例1的不同之处在于:腐蚀溶液为质量浓度为40%的HF溶液、质量浓度为69%的HNO3溶液和质量浓度为75%的!12304溶液的混合，而且腐蚀溶液中HF溶液、HNO3溶液和H2SO4溶液的体积比为1:2.3:8,其他方法参照实施例1。
[0038]实施例4:
[0039]本实施例与实施例1的不同之处在于:腐蚀溶液为质量浓度为41%的HF溶液、质量浓度为68%的HNO3溶液和质量浓度为74%的!12304溶液的混合，而且腐蚀溶液中HF溶液、HNO3溶液和H2SO4溶液的体积比为0.9:2:8.1，其他方法参照实施例1。
[0040]本发明不受上述具体阵元大小、阵元间距、阵元数目和阵元频率的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
【主权项】
1.一种多晶硅表面陷光微结构的加工方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤一:采用化学腐蚀加工多晶硅表面:配制腐蚀溶液，然后将多晶硅置于腐蚀溶液中； 步骤二:启动超声相控阵列设备，超声相控阵列产生的超声波在腐蚀溶液中传播并产生声辐射力，所述声辐射力控制腐蚀溶液中的腐蚀粒子朝着聚焦区域集中，所述聚焦区域能偏转，所述聚焦区域的偏转采用相控阵超声波束的时空控制实现，能定向加工多晶硅表面，得到多晶硅表面陷光微结构。2.根据权利要求1所述的多晶硅表面陷光微结构的加工方法，其特征在于，所述多晶硅表面陷光微结构具有分形特征。3.根据权利要求1所述的多晶硅表面陷光微结构的加工方法，其特征在于，所述化学腐蚀的腐蚀溶液是HF、HN0#ra2S04混合溶液。4.根据权利要求3所述的多晶硅表面陷光微结构的加工方法，其特征在于，所述HF溶液的质量浓度为39?41%，所述HNO3溶液的质量浓度为67%?69%，所述H2SO4溶液的质量浓度为74?76%。5.根据权利要求3或4所述的多晶硅表面陷光微结构的加工方法，其特征在于，所述腐蚀溶液中的HF溶液、HNO3溶液和H2SO4溶液的体积比为0.8?1.2:1.7?2.3:7.9?8.1。6.根据权利要求1所述的多晶硅表面陷光微结构的加工方法，其特征在于，所述超声相控阵列采用多频超声相控阵列。7.根据权利要求1或6所述的多晶硅表面陷光微结构的加工方法，其特征在于，所述的超声相控阵列的阵元分为左、中和右三组。
【文档编号】H01L31/18GK105932096SQ201610321459
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】吴立群, 郭亚杰
【申请人】杭州电子科技大学