Способ текстурирования поверхности кремниевых пластин для солнечных элементов - RU2056672C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых фотопреобразователей, в частности к технологии изготовления солнечных элементов.

В настоящее время считается, что для обеспечения воспроизводимого получения текстурированной поверхности с заданными свойствами предпочтительно использование методов ионного, плазмохимического травления, лазерной обработки в сочетании с литографией по сравнению с методами жидкостного химического травления, однако последние отличаются технологической простотой, низкой себестоимостью и высокой производительностью.

Известен способ текстурирования поверхности кремниевой пластины [1] включающий нанесение на поверхность кремниевой пластины ориентированной в плоскости (111) маски из материала, устойчивого к травлению, например резистивного материала, травление в изотропном травителе, содержащем 10 ч. фтористоводородной кислоты, 1 ч. азотной кислоты и 3 ч. уксусной кислоты, до тех пор, пока травитель за счет подтрава практически полностью отделит маску от поверхности пластины. На поверхности кремния образуется система пирамидальных острий, наклон ребер которых обеспечивает получение довольно низкого коэффициента отражения.

Недостатками известного способа являются сложная технология, включающая процесс литографии, и низкая воспроизводимость результатов, обусловленная тем, что во время окончания травления в изотропном травителе не поддается строгому контролю, возникает необходимость дополнительной обработки поверхности с целью удаления остатков материала маски. Кроме того, следует отметить высокую токсичность изотропного травителя.

Известен способ текстурированной поверхности кремниевой пластины для солнечных элементов [2] включающий обработку пластины, ориентированной под углом α= 2-33^о к плоскости (100), методом фотолитографии или лазерным методом с последующим травлением для формирования на поверхности множества полос, гребней или пирамид, угол наклона которых обеспечивает получение низкого коэффициента отражения. Селективное травление поверхности проводят в 2%-ном водном растворе едкого калия или едкого натрия, или гидразина при 90^оС.

Недостатком такого способа является сложность технологии получения текстурированной поверхности, включающей проведение литографии или лазерной обработки, что существенно повышает себестоимость пластин с текстурированной поверхностью.

Прототипом изобретения является способ текстурирования поверхности кремниевой пластины для солнечных элементов [3] включающий обработку поверхности кремниевых пластин, ориентированных в плоскости (100), при нагревании в анизотропном травителе, содержащем 1-3 мас. едкого натрия, 20-30 мас. поверхностно-активного вещества (спирта) и воду. Затем поверхность пластин нейтрализуют водным раствором HCl, промывают деионизованной водой и сушат. Пластины после обработки имеют бархатную поверхность, представляющую собой случайные микроскопические пирамиды с гранями, ориентированными в плоскости (111).

По сравнению со способами, предусматривающими использование методов ионного, плазмохимического травления, литографии, способ [3] технологически прост, получаемые текстурированные пластины имеют низкую себестоимость.

Недостатком способа-прототипа является высокий коэффициент отражения (8-10% ), что обусловлено большой неоднородностью распределения и размеров фигур травления по поверхности пластины. Кроме того, указанный способ характеризуется низкой воспроизводимостью коэффициента отражения поверхности текстурированных пластин ( ± 30%).

Техническим результатом изобретения является повышение коэффициента отражения текстурированных пластин и его воспроизводимости.

Результат достигается тем, что в способе текстурирования поверхности кремниевых пластин для солнечных элементов, включающем обработку поверхности кремниевых пластин, ориентированных в плоскости (100), при нагревании в травителе, содержащем едкую щелочь, поверхностно-активное вещество и воду, используют травитель, в котором концентрация поверхностно-активного вещества С_пав и едкой щелочи С_щ связаны соотношением
C_пав

где G поверхностная активность поверхностно-активного вещества, эрг · см/моль;
S суммарная площадь поверхности обрабатываемых пластин, см²; К 10-60 эрг/см · моль эмпирический коэффициент, причем С_щ 0,5-2,5 моль/л, при обработке травителем пластины устанавливают вертикально на расстоянии друг от друга d К₁ · С_щ + К₂, где К₁ и К₂ эмпирические коэффициенты, равные 0,07-0,11 см · л/моль и 0,02-0,05 см соответственно.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Установлены технологические условия текстурирования и их взаимосвязь, обеспечивающие высокую воспроизводимость процесса получения пластин с требуемой величиной коэффициента отражения. При этом не предусматривается усложнение технологии способа текстурирования.

При погружении кремниевой пластины в раствор поверхностно-активного вещества (ПАВ) его молекулы адсорбируются на поверхности пластины, образуя мономолекулярные пленки с различной степенью заполнения поверхности. При указанном соотношении концентраций ПАВ и едкой щелочи на поверхности пластин образуются конденсированные пленки, имеющие менее плотные участки, соответствующие по своему строению модели "двухмерного газа" и не препятствующие взаимодействию с травящим компонентом, причем пленка ПАВ играет в данном случае роль маски, определяющей характер травления. При вертикальном расположении пластин на указанном расстоянии друг от друга d выделяющийся в результате реакции травления водород, поднимаясь, увлекает за собой травитель, находящийся в зазоре между пластинами, что приводит к интенсивному перемешиванию травителя во время процесса и получению наиболее однородной по высоте и форме текстуры.

При более высоких концентрациях ПАВ, чем рассчитанная по указанной формуле, образуются плотные конденсированные пленки, препятствующие взаимодействию травителя с поверхностью пластин. При меньших концентрациях ПАВ, чем расчетная, образуются пленки, соответствующие по своему строению модели "двумерного газа", которые не препятствуют взаимодействию травителя с поверхностью и не выполняют функцию маски. В обоих случаях получаемые пластины имеют высокий коэффициент отражения.

В качестве ПАВ используют, например, спирты, карбоновые кислоты и их водорастворимые соли, сульфокислоты и их водорастворимые соли (ионогенные ПАВ), искусственные моющие вещества типа синтанола ДТ-7, ДС-10, ОП-7 (неионогенные ПАВ).

При расстоянии между пластинами большем или меньшем, чем рассчитанное по предложенной формуле, ухудшается однородность по высоте и форме текстуры, что приводит к повышению коэффициента отражения и ухудшению его воспроизводимости. При концентрации едкой щелочи менее 0,5 моль/л в указанных условиях на поверхности пластин остаются непротравленные участки. Увеличение длительности травления в этом случае приводит к увеличению коэффициента отражения и резкому снижению воспроизводимости. При концентрации едкой щелочи более 2,5 моль/л происходит сильное растравливание поверхности, что также приводит к неприемлемым величинам коэффициента отражения и воспроизводимости. Обработку пластин в травителе проводят, как и в других известных способах, при температуре 80-100^оС. При более низких температурах скорость реакции резко падает. Это приводит к необходимости увеличивать продолжительность травления, что нецелесообразно. При температуре выше 100^оС происходит интенсивное кипение раствора, при котором состав травителя изменяется из-за отгонки с паром и щелочи, и ПАВ.

Процесс проводят в течение 20-30 мин. Уменьшение времени травления приводит к тому, что на поверхности пластины остаются участки с ориентацией (100), т. е. не подвергнутые воздействию травителя, что вызывает увеличение коэффициента отражения.

При увеличении времени травления выше 30 мин существенного изменения характера поверхности не происходит (несколько увеличивается высота пирамид без изменения коэффициента отражения), но снижается производительность процесса травления.

Перед проведением текстурирования пластины после резки подвергают стандартному процессу обработки поверхности с целью удаления нарушенного слоя: травление на глубину 100-150 мкм в концентрированном растворе едкой щелочи с добавлением глицерина при нагревании до 120^оС.

П р и м е р 1. Проводят текстурирование поверхности 22 пластин кремния, ориентированных в плоскости (100), толщиной 350-400 мкм, диаметром 100 мм с базовым срезом. Площадь поверхности обеих сторон одной пластины 152 см², суммарная площадь поверхности всех обрабатываемых пластин S 3344 см². Обработку пластин производят в травителе, содержащем гидрат окиси калия, в качестве ПАВ синтанол ДТ-7 и деионизованную воду в следующих количествах:
C_щ=1,5 моль/л, C_пав

, /
Пластины устанавливают вертикально в кассету на расстоянии друг от друга dK₁ · С_щ + К₂ 0,09 · 1,5 + 0,04 0,175 см, погружают в травитель и выдерживают в нем при температуре 85^оС в течение 25 мин. После обработки пластины промывают в протоке деионизованной воды и сушат.

Поверхность пластин после обработки покрыта фигурами травления в виде четырехгранных пирамид высотой 5-8 мкм, которые равномерно распределены по всей поверхности. Коэффициент отражения составляет 4% Воспроизводимость коэффициента отражения в партии пластин и от процесса к процессу составляет ± 10%
Другие примеры выполнения приведены в таблице. Из приведенных примеров видно, что использование изобретения (см. примеры 1-6) позволяет по сравнению с прототипом снизить коэффициент отражения на 25% и повысить в три раза воспроизводимость результатов.

При выходе за предельные значения указанных в изобретении параметров (см. примеры 7-14) цель изобретения не достигается.

Предложенный способ текстурирования технически прост, производителен, для его реализации применяются доступные дешевые реактивы.

Реферат

Использование: в технологии изготовления полупроводниковых фотопреобразователей, в частности солнечных элементов. Сущность изобретения: способ текстурирования поверхности кремниевых пластин для солнечных элементов включает обработку поверхности кремниевых пластин, ориентированных в плоскости (100), при нагревании в травителе, содержащем едкую щелочь, поверхностно-активное вещество и воду, причем концентрацию поверхностно-активного вещества C_пав и едкой щелочи C_щ определяют из соотношения

где G - поверхностная активность поверхностно-активного вещества, эрг • см/моль; S - суммарная площадь поверхности обрабатываемых пластин, см²; K = 10 - 60 эрг/см • моль - эмпирический коэффициент; C_щ =0,5 - 2,5 моль/л, а пластины при обработке устанавливают вертикально на расстоянии друг от друга d-k₁ • С_щ + K₂, где K₁ и K₂ - эмпирические коэффициенты, равные 0,07 - 0,11 см • л/моль и 0,02 + 0,05 см соответственно. Способ позволяет повысить коэффициент отражения текстурированных пластин и воспроизводимость процесса. 1 табл.

Формула