[发明专利]一种在单晶硅衬底上制备金字塔阵列的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在单晶硅衬底上制备金字塔阵列的方法，属于光伏和半导体器件制造技术领域。

背景技术

大小均一、排布周期有序的金字塔阵列，不仅具有特殊的尺寸和形貌效应，还具有良好的光、电、磁学性质。光伏产业常采用碱性织构方法制备随机分布的正金字塔陷光表面来增加光吸收，进而提高电池转化效率。但常规碱性织构方法制备的通常都是正金字塔,而且金字塔完全不具备周期性和均一性。目前单晶硅电池中，保持最高效率(25%)的PERL电池，采用的就是光刻技术制备的规则倒金字塔阵列来作为电池的表面减反结构，该电池的短路电流密度（Jsc）达到了42.7mA/cm²。美国麻省理工学院报道的最新结果（Anastassios Mavrokefalos，Sang Eon Han,Selcuk Yerci,Matthew S.Branham,and Gang Chen,Nano Lett.2012,12,2792-2796）表明：用光刻技术在衬底上制备的周期性排布的倒金字塔阵列具有良好的陷光效果；厚度为10微米，带有倒金字塔阵列陷光结构的单晶硅片的光吸收效率几乎接近Yablonovitch limit(Yablonovitch,E.J.Opt.Soc.Am.1987,72,899-907),足可以和300微米厚的普通硅片相媲美。因此，发展一种具有高减反射作用，同时还能够适合产业化的金字塔阵列的制备技术，一方面可以大大提高单晶硅电池的效率，另一方面也可以降低材料成本。

非晶硅/晶体硅异质结（HIT）太阳电池，是一种高效晶硅太阳电池，目前松下（原三洋）公司已经获得了23.9%的最高电池效率。和晶硅电池的制备工艺类似，为增加光吸收，常采用常规碱性织构方法在单晶硅衬底表面制备金字塔陷光表面，但是，常规碱性织构方法制备的金字塔的顶部比较尖锐，而且尺寸通常在几微米到十几微米之间；在随后制备异质结的工艺中，要在晶硅衬底上覆盖一层10-20nm厚度的非晶硅薄膜，在金字塔的尖端，非晶硅薄层难以充分覆盖，严重影响了电池的性能。另一方面，常规碱性织构方法制备金字塔结构的陷光效果也不够好，表面反射率在10%左右，该电池的电流还有大的提升空间。因此制备一种尺寸较小，顶端光滑，并且陷光效果良好的金字塔阵列，将会对HIT电池效率的进一步提高带来很大帮助。

另外还有很多研究结果表明,周期排布的金字塔阵列在磁存储器件、纳米光电器件、纳米传感器、以及表面拉曼增强和表面等离子效应等众多领域有着重要的应用价值。

目前，制备金字塔阵列大都采用的是光刻技术。这种方法不仅工艺复杂，成本相对较高，而且制备纳米尺度的光刻掩膜版仍然比较困难，所以限制了其在大规模产业化方面及在制备纳米量级小尺度金字塔阵列等方面的应用。

胶体微球模版技术已在纳米材料领域被广泛使用，该技术操作简单，制备周期短，且重复性较高，制备的微球掩膜排布整齐有序，能够很好的调控纳米材料的结构和形貌。目前，尺寸从几十纳米到几十微米的掩膜微球已经商业化出售，而且还有聚苯乙烯、二氧化硅等多种材料的微球可供选择；另外，微球的大面积周期排列技术也已经在产业化中实现。物理气相沉积（热蒸发、磁控溅射等）和感应耦合等离子体刻蚀是常见的薄膜生长和刻蚀技术，设备简单，易于操作，工艺成熟，在诸多领域被广泛使用。晶硅的碱性织构技术在半导体、微电子行业被广泛利用，该工艺所需原料成本低，而且几乎不需要大型昂贵的设备，也是十分成熟的工艺。

发明内容

本发明的目的是提出一种在单晶硅衬底上制备金字塔阵列的方法，结合胶体微球模版技术、物理气相沉积、感应耦合等离子体刻蚀和单晶硅碱性织构等工艺制备具有不同结构的金字塔阵列，以扩展单晶硅的用途。

本发明提出的在单晶硅衬底上制备金字塔阵列的方法，制备的金字塔阵列共有三种不同的结构，其中：

第一种是在单晶硅衬底上制备正金字塔阵列的方法，包括以下步骤：

（1）采用垂直提拉法在单晶硅片衬底上排布一层六角密排分布的聚苯乙烯胶体微球，提拉速度为0.5-3微米/秒，将带有微球的单晶硅片放在空气中自然干燥1小时，然后进行快热退火，退火温度为110-130℃，退火时长为1-3分钟；

（2）采用感应耦合等离子体刻蚀方法，在通入氧气的氛围下，对微球进行刻蚀，使单晶硅片表面密排的微球彼此分离，刻蚀的功率为100-250瓦，刻蚀时间为1-3分钟；