[发明专利]用于太阳电池表面抗反射的蛾眼结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电器件技术领域，尤其涉及到用于太阳能电池表面抗反射的蛾眼结构的制备方法。

背景技术

太阳光从空气进入半导体层，空气折射率为1，而半导体材料如GaAs，Si折射率在3以上，因而界面处会形成大折射率阶跃，由此产生的Fresnel反射会损耗30％以上的能量。目前通用的解决方法是采用1/4λ波长的介质膜作为抗反射层，但其带宽有限；多层介质抗反射层具有宽光谱抗反射效果，但受限于各层材料折射率的选择与匹配，膜层边界的热膨胀系数不同，以及膜层界面出现的材料扩散等问题，器件可靠性与稳定性不佳，特别是当工作在极端条件下，如极高温度，此类问题尤为突出。受自然界蛾眼结构宽光谱抗反射功能的启发，我们提出将制备类蛾眼结构，将其作为抗反射层用于太阳能电池，以提高对光的吸收并增大电池光电转换效率。蛾眼结构实际是一种二维亚波长双周期纳米结构，侧壁倾斜，可以等效为具有渐变折射率的抗反射层。其亚波长的性质，使得光入射时仅存在零级反射光，进一步地抑制了反射，且这一性质在变角度入射时尤为明显，使反射谱对入射角度的变化不敏感。蛾眼抗反射结构与多层膜系的抗反射结构相比，具有更高的可靠性，因为其与器件的下层材料同质，不存在材料的热膨胀系数不匹配以及界面扩散问题，尤其适合于在极端条件下，如太空中工作。

因我们面向的对象是太阳光谱，所制备的蛾眼结构的周期须比太阳光谱的下限-350nm要小。制备如此尺度下的周期性结构，可以用电子束曝光，聚焦离子束刻蚀来实现。他们虽然有极高的分辨率和图形制作自由度，但产率很低，并不适合大规模工业化生产。纳米压印技术虽然不存在这个问题，但其所使用的模板，需要通过其他微纳加工技术先制作出来。自组织生长技术效费比高，但其长程周期性较差，且对不同的半导体衬底不具有通用性。干涉曝光技术被认为是制备大面积周期性纳米结构最为有效，最为经济的方法之一，并已广泛用于商用DFB激光器选模光栅的制备当中。

为了制备能够用于太阳能电池上的蛾眼抗反射结构，需要刻蚀深度大于300nm，为了实现这一点，需要制备的图形排列紧密。此外要求其侧壁倾斜以形成渐变折射率分布。这些均对制备方法和工艺技术提出了很高的要求。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用于太阳电池表面抗反射的蛾眼结构的制备方法，其是利用双光束干涉曝光，结合两次曝光的独特的光强分布以及光刻胶的非线性曝光响应效应，制备二维周期光刻胶掩膜。特别的，与传统的干涉曝光制备的光刻胶点阵相比，所制备的赝菱形阵列光刻胶掩膜具有更大的占空比，利用其干法刻蚀得到的菱锥形蛾眼结构，通过理论与实验证明，比由圆形点阵光刻胶掩膜刻蚀出的传统圆锥形蛾眼结构，具有更优异的抗反射效果。

本发明提供一种用于太阳电池表面抗反射的蛾眼结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：取一太阳能电池所用的外延片，对外延片进行清洗；

步骤2：在外延片上旋涂光刻胶；

步骤3：对光刻胶进行前烘，形成样品；

步骤4：采用双光束干涉曝光设备，对样品两次曝光、显影，形成二维周期光刻胶掩膜图形；

步骤5：对显影后的样品进行后烘；

步骤6：对样品进行干法刻蚀；

步骤7：去除光刻胶掩膜图形，完成蛾眼结构的制备。

本发明的有益效果，具体如下：

双光束干涉曝光制备亚波长尺度光刻胶掩模图样，与其他微纳加工技术相比，具有低成本，大面积，高产率的明显优势，更适合工业化生产。此外利用本专利提出的“赝菱形”光刻胶掩膜技术和“光刻胶扩展”技术，能够克服传统干涉曝光只能制备低占空比图形的缺点，得到大占空比的密集排列图形，有利于进一步地抑制界面反射。因为蛾眼增透抗反射结构需要有足够的深度，而周期也是亚太阳能光谱尺度，湿法腐蚀无法达到所需要的结构深度，所以采用感应耦合等离子体干法刻蚀，并最终得到了高深宽比的蛾眼结构。经实际测试表明，在近垂直入射情况下均能实现很好的抗反射效果，尤其是在AM1.5光谱平均反射率仅为1.1％。

附图说明

为进一步说明本发明的技术特征，结合以下附图，对本发明作一详细的描述，其中：

图1是用于太阳能电池表面抗反射的蛾眼结构的工艺流程图；

图2(a)是菱锥形蛾眼抗反射结构图；

图2(b)是圆锥形蛾眼抗反射结构图；

图3是两次双光束干涉曝光在光刻胶表面形成的曝光剂量等高图；

图4是8度角入射条件下的圆锥形蛾眼结构的反射谱图；

图5是8度角入射条件下的菱锥形蛾眼结构的反射谱图；

图6是8度角入射条件下的大占空比菱锥形蛾眼结构的反射谱图。