引言

本文介紹了表面紋理對(duì)硅晶圓光學(xué)和光捕獲特性影響。表面紋理由氫氧化鉀(KOH)和異丙醇(IPA)溶液的各向異性蝕刻來(lái)控制。（001）晶硅晶片的各向異性蝕刻導(dǎo)致晶片表面形成金字塔面。利用輪廓測(cè)量法、光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡相結(jié)合，研究了KOH/IPA蝕刻對(duì)紋理表面形態(tài)和粗糙度的影響。結(jié)果表明，在80℃以下的溫度下，IPA濃度對(duì)（001）-單晶晶體表面粗糙度的影響最強(qiáng)。高于該值時(shí)，在硅襯底上顯示出溫度引起裂紋。氫氧化鉀：IPA的最佳體積濃度比也為2：4。討論了這項(xiàng)研究對(duì)硅太陽(yáng)能電池中光捕獲設(shè)計(jì)的意義。

實(shí)驗(yàn)

1、襯底準(zhǔn)備。本研究中使用的是（001）型p型硅晶圓，在紋理過(guò)程之前，晶片在0.5%HF中浸泡100秒，然后用蒸餾去離子(DI)水沖洗，在氮?dú)庵懈稍铩１狙芯刻接懥艘韵乱蛩氐挠绊懀何g刻劑濃度、工藝溫度和過(guò)程持續(xù)時(shí)間。對(duì)于每組實(shí)驗(yàn)，一個(gè)參數(shù)是變化的，而保持其他兩個(gè)變量不變。工藝參數(shù)總結(jié)在圖1中。這表明蝕刻時(shí)間在30至60分鐘之間變化，以10分鐘為步長(zhǎng)，同時(shí)保持溫度和濃度恒定。同樣，蝕刻溫度在50C和90℃之間變化。這是在10C的步驟中完成的，同時(shí)保持蝕刻時(shí)間和濃度不變。最后，在保持蝕刻時(shí)間和蝕刻溫度不變的情況下，分別在不同濃度(克/毫升)和體積比的氫氧化鉀和異丙醇下進(jìn)行紋理化工藝。在每個(gè)紋理化過(guò)程之后，紋理化樣品然后在蒸餾去離子水中漂洗，并在干燥氮?dú)庵懈稍铩?/p>

2、光學(xué)表征和表面形態(tài)。使用光譜儀測(cè)量紋理樣品的光學(xué)反射率，利用氘鹵素光源將光以垂直于晶圓表面的角度指向晶片樣品。在每個(gè)樣品表面的8個(gè)點(diǎn)上獲得了反射光譜。這被用來(lái)表征紋理表面的均勻性。使用表面分析儀測(cè)量了紋理樣品的平均表面粗糙度，Ra是根據(jù)整個(gè)測(cè)量的長(zhǎng)度或面積計(jì)算出的主要高度。它被用于描述紋理表面的粗糙度，并檢測(cè)總體剖面高度特征的一般變化。這被用來(lái)確定晶片上六個(gè)不同區(qū)域的粗糙度輪廓，然后對(duì)6個(gè)區(qū)域的結(jié)果取平均值，得到每個(gè)樣品的平均表面粗糙度。

使用在10千伏下操作的電子顯微鏡對(duì)蝕刻晶片進(jìn)行掃描電鏡觀察。紋理表面的原子力顯微鏡分析使用了在攻絲過(guò)程中操作的原子力顯微鏡模式。原子力顯微鏡尖端的長(zhǎng)度為125毫米，尖端半徑為8納米。它們也有353千赫的共振頻率。掃描以慢掃描速率(1–3Hz)進(jìn)行，以獲得原子力顯微鏡圖像。

結(jié)果和討論

表面粗糙度和形態(tài)。平均表面粗糙度(Ra)與蝕刻時(shí)間(T)和溫度(T)的關(guān)系分別如圖2(a)和2(b)所示。結(jié)果表明，隨著腐蝕時(shí)間的增加，Ra開(kāi)始時(shí)迅速增加。然而，在50分鐘的蝕刻時(shí)間以上，它變得幾乎穩(wěn)定。同樣，表面粗糙度隨著溫度的升高而增加。對(duì)于本文研究的持續(xù)時(shí)間和溫度范圍，在90℃的蝕刻溫度下，蝕刻時(shí)間為60分鐘，獲得了676納米的最高平均表面粗糙度值。Ra隨T和T的變化歸因于蝕刻速率隨T或T的增加而增加。

織構(gòu)化晶片的吸收光譜

異丙醇的體積濃度越高，表面越粗糙，金字塔分布越均勻。它們也增加了硅表面金字塔的密度。然而，金字塔結(jié)構(gòu)從粗糙面到光滑面的變化，也可歸因于異丙醇體積濃度增加的影響，這導(dǎo)致反射減少。上述結(jié)果表明，可以調(diào)節(jié)異丙醇濃度與氫氧化鉀濃度的比率來(lái)控制(001)硅表面的蝕刻和最終的表面形態(tài)。最終，這種洞察力可用于控制硅晶片的晶片表面反射率。還可以通過(guò)提高蝕刻溫度和蝕刻持續(xù)時(shí)間來(lái)加快蝕刻速度.然而，應(yīng)該避免80℃以上的蝕刻溫度，因?yàn)檫@高于異丙醇的沸點(diǎn)(82.4℃)。

原子力顯微鏡圖像還顯示，在用更高濃度的氫氧化鉀蝕刻后，{111}面出現(xiàn)了一些局部粗糙化或損傷，這種局部粗糙化可能導(dǎo)致?lián)p壞和光散射。因此，需要將氫氧化鉀的濃度限制在能夠最小化這種局部粗糙化的水平。相反，通過(guò)在中等濃度的氫氧化鉀中增加異丙醇的濃度來(lái)增強(qiáng)(001)取向硅表面的蝕刻。

總結(jié)

本研究探討了氫氧化鉀:異丙醇對(duì)(001)取向硅單晶的刻蝕作用。結(jié)果表明，在高達(dá)80℃的溫度下，異丙醇濃度對(duì)(001)硅單晶的表面粗糙度影響較大。蝕刻速率也隨著蝕刻溫度持續(xù)時(shí)間的增加和氫氧化鉀濃度的增加而增加。然而，氫氧化鉀:異丙醇的體積濃度高于2:4會(huì)導(dǎo)致暴露1小時(shí)后的表面損傷。增加異丙醇的體積濃度也會(huì)在(001)取向的硅表面上產(chǎn)生更光滑的金字塔面。

用氫氧化鉀:異丙醇混合物控制蝕刻(100)取向硅晶片相關(guān)的表面反射率的降低表明，通過(guò)形成促進(jìn)多次反射的紋理化硅表面，可以使用控制蝕刻來(lái)捕獲光，增加與入射光線的相互作用可以增加(001)硅單晶吸收的光量。因此，硅片的受控紋理化可用于通過(guò)降低反射率來(lái)提高(100)硅太陽(yáng)能電池的吸收率和光轉(zhuǎn)換效率。

審核編輯：符乾江