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介紹
能源被認(rèn)為是未來五十年人類面臨的頭號問題。據(jù)估計，太陽能在一小時內(nèi)顯示出供給的潛力，其能量足以滿足世界一年的能源需求總量。光伏產(chǎn)業(yè)面臨的一個主要挑戰(zhàn)是以與化石燃料相比具有競爭力的成本產(chǎn)生足夠量的能量。這個因素取決于對高效光伏設(shè)備和降低制造成本的需求。據(jù)報道，較高效率的太陽能電池比使用晶體硅材料的市售太陽能電池的效率高出20%以上。這些類型的PV電池之一是交叉背接觸太陽能電池。
IBC太陽能電池是在電池背面既有p+觸點又有n+發(fā)射極的電池，這樣可以防止遮光損失。金屬化遵循交叉指型圖案。通過對用于p+接觸的氧化鋁/無定形碳化硅(Al2O3/a-SiCx)、用于n+接觸的磷摻雜碳化硅疊層/氫化無定形碳化硅(SiCX/a-Si:H)和作為背反射器的a-SiCx進(jìn)行表面鈍化來處理UPC的IBC電池。通過激光加工和最終鋁金屬化來完成制造過程，從而形成觸點。這種電池的優(yōu)點是:(a)正面沒有金屬陰影損耗(b)由于指狀物和母線造成的電阻損耗非常低，以及(c)電池更容易互連。引入IBC以將晶體硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率提高20%以上。憑借這種高效率，傳統(tǒng)電池6.5平方米的電池板尺寸可以減少到4.8平方米或更小，以滿足家庭平均每年的總能源需求。主要目標(biāo)是開發(fā)便于大規(guī)模生產(chǎn)的程序。
IBC太陽能電池允許進(jìn)一步減小電池厚度。晶體硅電池中的光捕獲方案，如抗反射涂層、隨機紋理等，有助于增加吸收流子的全內(nèi)反射以及光吸收的百分比，從而在需要更少材料的情況下保持高效率。因此，非常薄的硅層比非常厚的高質(zhì)量材料薄膜表現(xiàn)得更好。我們相信，通過這些方案，鈍化良好的IBC太陽能電池即使厚度小于20μm，也可以實現(xiàn)高達(dá)20%的效率。為了實現(xiàn)這一點并通過實驗證明這一想法，我們嘗試開發(fā)可靠的程序，將硅片深度蝕刻至厚度小于20μm。技術(shù)趨勢已廣泛用于蝕刻硅片。由于各向異性濕法腐蝕的兼容性和實施成本較低，它已經(jīng)成為在硅晶片上制造微結(jié)構(gòu)的廣泛使用的技術(shù)。四甲基氫氧化銨(TMAH)被用作這項工作的各向異性蝕刻劑。最近的發(fā)展引入了干法蝕刻，尤其是被稱為反應(yīng)離子蝕刻的基于等離子體的技術(shù)。RIE包括物理機制(離子轟擊)和化學(xué)機制(蝕刻氣體的化學(xué)反應(yīng))的結(jié)合，以產(chǎn)生更各向異性的蝕刻輪廓。
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SPR光刻膠和TMAH蝕刻
在用SPR 220-7.0光致抗蝕劑進(jìn)行光刻之后，完美的各向異性輪廓如圖4所示。
在樣品一側(cè)的光致抗蝕劑的情況下，在TMAH蝕刻2小時后，獲得46.6μm的蝕刻深度，如圖5 (a)所示。額外蝕刻2小時后，獲得的蝕刻深度為如圖5 (b)所示，4小時后，額外的48.1μm使蝕刻總量達(dá)到95μm。在另外4小時的TMAH蝕刻后，總共8小時的蝕刻。如圖5 (c)所示，最終蝕刻深度為193.2微米。硅晶片的TMAH蝕刻輪廓具有錐形各向異性蝕刻輪廓，通過取向的側(cè)壁形成V形，如圖6所示。
圖5 蝕刻晶片的表面輪廓(a) 2小時(b) 4小時(c) 8小時TMAH蝕刻
圖7 TMAH蝕刻的蝕刻速率
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SU-8光刻膠與反應(yīng)離子刻蝕
對于120μm的情況，在1小時的RIE和從晶片表面去除SU-8之后，蝕刻深度為39微米。這產(chǎn)生0.65 μm/分鐘的蝕刻速率(即39微米/60分鐘)，甚至小于1微米/分鐘。這如圖11所示。
圖11 RIE小時后蝕刻的120μm沉積晶片的表面輪廓
?蝕刻速率在1.3至1.8微米/分鐘的范圍內(nèi)，平均蝕刻時間為1.5微米/分鐘。這意味著每小時大約蝕刻90微米，這是TMAH濕法蝕刻的蝕刻速率的3至5倍。蝕刻速度更快的原因是反應(yīng)離子蝕刻過程中發(fā)生的物理和化學(xué)機制之間的協(xié)同作用。這種效果如圖16所示。電離產(chǎn)生的高能碰撞有助于將蝕刻氣體分解成更具反應(yīng)性的物質(zhì)，從而加快蝕刻過程。反應(yīng)離子蝕刻還有其他優(yōu)點，如更高的縱橫比，這意味著更粗糙表面的蝕刻輪廓更明顯。當(dāng)使用這種技術(shù)時，很少或沒有底切，并且在深蝕刻后，沒有觀察到針孔。
結(jié)論
將硅片深度腐蝕到厚度小于20μm，用于制作IBC太陽能電池。開發(fā)了使用SU-8光致抗蝕劑的基線光刻工藝。對這種類型的光致抗蝕劑的行為以及掩模光刻和蝕刻的影響進(jìn)行了研究。SU-8光致抗蝕劑被證明通過紫外線照射變得更硬。它具有更高的縱橫比成像特性。在這種類型的光致抗蝕劑上進(jìn)行不同厚度的研究，40μm和120μm沉積。
研究了用于硅片超薄化的腐蝕技術(shù)，TMAH濕法各向異性腐蝕和反應(yīng)離子腐蝕。RIE技術(shù)的蝕刻速率被證明比TMAH的蝕刻速率快3至5倍，具有較少的缺點，例如沿晶面的針孔和裂紋。這表明更少的破損和更好的潛在電池產(chǎn)量。反應(yīng)離子蝕刻證明能夠獲得更小的特征尺寸的微結(jié)構(gòu)，并且有利于未來的應(yīng)用，例如超薄交叉背接觸太陽能電池。