技术领域
[0001] 本
发明属于微米纳米
半导体微加工技术领域，特别是一种选择性纳米织构化硅光电池的制作方法。
背景技术
[0002] 纳米阵列是一种新型的表面结构，在太阳电池、LED等许多领域有巨大的工业应用，纳米织构化具有优良的降低可见光反射及提高
光谱响应的特性。现在纳米织构化太阳电池正在逐步商业化，常规的纳米织构化太阳电池，都是将前表面整体织构化，
栅线电极覆盖在已经织构化的硅的表面上，这种电极形式不能形成良好的欧姆
接触，对提高电池的光电转化效率是不利的。
[0003] 为了克服纳米织构化不能形成良好的
欧姆接触的问题，研究人员们发明了选择性纳米织构化硅光电池，即只在除栅线电极以外的区域进行纳米织构化，而金属栅线电极覆盖下的
硅片保持完好硅结构，没有
刻蚀纳米柱阵列[D.Kumar,S.K.Srivastava,P.K.Singh,M.Husain,V.Kumar,Sol.Energy Mater.Sol.Cells 98,215(2011) 和 J.Liu,X.Zhang,M.Ashmkhan,G.Q.Dong,Y.Liao,B.Wang,T.C.Zhang,F.T.Yi,Sol.Energy105,274(2014)]。该电极结构在充分利用纳米织构化的减小反射的特性的同时，还避免了前表面全部纳米织构化带来的欧姆接触不良的弊端，减小
串联电阻，增加欧姆接触，提高太阳电池的光电转换效率。
[0004] 对于这种选择性纳米织构化硅光电池的常规做法是：先在硅片表面制作出
光刻胶栅极图形及对准标记图形，在纳米织构化过程中起保护作用；然后进行纳米织构化，包括用氯化铯纳米岛自组装技术或电化学湿法
腐蚀等等；接着，采用热扩散或其他方法制备P-N结结构；最后，将镂空金属掩模板栅极图形与硅片上的硅栅极图形通过对准标记对准，用
真空镀膜的方法蒸镀
钛和
银，制成选择性栅极。这种常规方法用到紫外光刻及套刻技术，一方面，工艺繁琐，在紫外光刻的过程中也会引入光刻胶等杂质，影响电极效率；另一方面，对于又细又长的栅极线条结构，准确套刻也有很大难度。
发明内容
[0005] (一)要解决的技术问题
[0006] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种选择性纳米织构化硅光电池的制作方法，以减少常规方法中紫外光刻及套刻等步骤，简化制备工艺，降低制作成本。
[0007] (二)技术方案
[0008] 为达到上述目的，本发明提供了一种制作选择性纳米织构化硅光电池的方法，该选择性纳米织构化硅光电池是仅在除金属栅线电极以外区域的硅片被纳米织构化，在金属栅线电极覆盖下的硅片保持完好硅结构，没有刻蚀纳米柱阵列；该方法包括：
[0009] 步骤1：对硅片进行三氯
氧磷扩散，在硅片
正面、背面及侧面形成P-N结结构；
[0010] 步骤2：去除硅片背面及侧面的P-N结结构，并去除硅片正面的
二氧化硅层；
[0011] 步骤3：在硅片正面蒸镀钛银层形成金属栅线电极，并在硅片背面形成
铝背电极层；
[0012] 步骤4：在形成有金属栅线电极的硅片表面生长氯化铯
薄膜，显影后在金属栅线电极之上及未被金属栅线电极覆盖的硅片表面形成氯化铯纳米圆岛结构，然后以氯化铯纳米圆岛结构为掩膜刻蚀硅片，将氯化铯纳米圆岛结构转移到硅表面上，去除氯化铯纳米圆岛结构，在未被金属栅线电极覆盖的硅片表面获得硅纳米柱状结构；
[0013] 步骤5：高温
烧结，使金属栅线电极与硅片形成欧姆接触。
[0014] 上述方案中，所述硅片采用P型硅片，厚度0.2-0.5毫米，
电阻率为1-3Ω·cm，表面为单面
抛光，抛光面为正面，未抛光面为背面。
[0015] 上述方案中，步骤1中所述对硅片进行三氯氧磷扩散采用热扩散的方法实现，热扩散条件为：在850度扩散炉内，通入携带三氯氧磷的氮气100sccm，扩散13分钟，形成P-N结，
方块电阻为30Ω/□，结深约为400纳米。
[0016] 上述方案中，步骤2中所述去除硅片背面及侧面的P-N结结构采用
等离子体刻蚀的方法实现，所述去除硅片正面的二氧化硅层采用
氢氟酸实现。
[0017] 上述方案中，步骤3中所述在硅片正面蒸镀钛银层采用
真空镀膜的方法实现，所述在硅片背面形成铝背电极层采用真空镀膜的方式实现。
[0018] 上述方案中，所述在硅片正面蒸镀钛银层采用真空镀膜的方法实现，是利用镂空金属掩膜镀膜技术在硅片正面制备金属栅极，首先将带有电极图形结构的镂空金属掩膜覆盖在硅片正面，然后采用热
蒸发的方法在硅片正面蒸发1微米厚的钛银层作为金属栅线电极。
[0019] 上述方案中，所述在硅片背面形成铝背电极层采用真空镀膜的方式实现，是在硅片背面采用热蒸发的方法制备200纳米厚的铝背电极层。
[0020] 上述方案中，所述步骤4包括：将形成有金属栅线电极的硅片放入真空镀膜腔体内，热蒸发氯化铯薄膜，膜厚100纳米；氯化铯薄膜镀完后，向腔体内通入一定湿度的气体，保持腔体内
相对湿度为35％，30分钟，氯化铯在湿度气体作用下发生团聚，在金属栅线电极之上及未被金属栅线电极覆盖的硅片表面形成一个个类似
水滴的纳米氯化铯半岛结构，平均直径为150纳米；以氯化铯岛结构为掩膜，利用等离子体刻蚀技术刻蚀硅，将氯化铯结构转移到硅表面上，刻蚀条件为：SF6:C4F8:He＝60:150:10sccm，工作压强4Pa，激励功率400瓦，
偏压功率为30瓦，刻蚀时间30秒；硅表面刻蚀完成后，将样品放入去离子水中浸泡
2分钟，将残余的氯化铯溶解掉，在未被金属栅线电极覆盖的硅片表面获得硅纳米柱状结构，硅纳米柱结构平均直径为100纳米，高度为300纳米。
[0021] 上述方案中，步骤5中所述高温烧结，是在700摄氏度保持5分钟，使金属栅线电极与硅片形成欧姆接触。
[0022] (三)有益效果
[0023] 本发明提供了一种选择性纳米织构化硅光电池的制作方法，该方法首先制备P-N结构，然后制备金属电极，最后用氯化铯纳米岛自组装技术制备纳米阵列，完成选择性纳米织构化硅光电池的制作。其制造方法是利用氯化铯自组装和等离子体刻蚀技术、真空镀膜技术完成。这种选择性纳米织构化硅光电池的制作方法相对于常规方法，即先紫外光刻预留栅极图形，然后纳米织构化，接着制备P-N结，最后套刻蒸镀栅线电极的方法，减少了紫外光刻及套刻等步骤，工艺程序简单很多，成本随之降低，工艺难度也有所降低，更加适合工业生产。
附图说明
[0024] 图1是本发明提供的制作选择性纳米织构化硅光电池的方法
流程图；
[0025] 图2至图6是依照本发明
实施例的制作选择性纳米织构化硅光电池的工艺流程图；
[0026] 图7是依照本发明实施例制作的平均直径约为100纳米，高度约为300纳米的纳米柱阵列的SEM图。
具体实施方式
[0027] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0028] 本发明提供了一种选择性纳米织构化硅光电池的制作方法，该方法首先制备P-N结构，然后制备金属电极，最后用氯化铯纳米岛自组装技术制备纳米阵列，完成选择性纳米织构化硅光电池的制作。其制造方法是利用氯化铯自组装和等离子体刻蚀技术、真空镀膜技术完成。这种选择性纳米织构化硅光电池的制作方法相对于常规方法(即先紫外光刻预留栅极图形，然后纳米织构化，接着制备P-N结，最后套刻蒸镀栅线电极的方法)，减少了紫外光刻及套刻等步骤，工艺程序简单很多，成本随之降低，工艺难度也有所降低，更加适合工业生产。
[0029] 如图1所示，图1是本发明提供的制作选择性纳米织构化硅光电池的方法流程图，该选择性纳米织构化硅光电池是指仅在除金属栅线电极(钛银层)以外区域的硅片被纳米织构化，在金属栅线电极覆盖下的硅片保持完好硅结构，没有刻蚀纳米柱阵列；方法包括以下步骤：
[0030] 第一步，采用热扩散的方法对硅片进行三氯氧磷扩散，在硅片正面、背面及侧面形成P-N结结构；
[0031] 第二步，采用等离子体刻蚀的方法去除硅片背面及侧面的P-N结结构，用氢氟酸去除硅片正面的二氧化硅层；
[0032] 第三步，利用镂空金属掩膜镀膜技术在硅片正面蒸镀钛银层形成金属栅线电极，以及在硅片背面采用真空镀膜方式蒸发铝背电极层；
[0033] 第四步，在形成有金属栅线电极的硅片表面生长一层氯化铯薄膜，显影后在金属栅线电极之上及未被金属栅线电极覆盖的硅片表面形成氯化铯纳米圆岛结构，然后以氯化铯纳米圆岛结构为掩膜，利用等离子体刻蚀技术刻蚀硅片，将氯化铯结构转移到硅表面上，然后去除在金属栅线电极之上及未被金属栅线电极覆盖的硅片表面的氯化铯纳米圆岛结构，在未被金属栅线电极覆盖的硅片表面获得硅纳米柱状结构；
[0034] 最后，高温烧结，使金属栅线电极与硅片形成良好的欧姆接触。
[0035] 在本发明中，对于制备好P-N结结构的硅片，先用热蒸发法制备电极层，然后用自组装氯化铯纳米岛技术与微加工的等离子体刻蚀技术来完成硅表面选择性纳米织构化，这与常规方法(先紫外光刻预留栅极图形，然后纳米织构化，接着制备P-N结，最后套刻蒸镀栅线电极的方法)是截然不同的。该方法得以实现的关键在于，氯化铯纳米岛自组装技术与等离子体刻蚀技术制备硅纳米柱阵列的方法不会影响已经制备好的钛银电极层。本方法中减少了常规方法中的紫外光刻及套刻等步骤，工艺程序简单很多，成本随之降低，工艺难度也有所降低，更加适合工业生产。
[0036] 整个工艺流程如图2至图6所示。硅材料选用半导体工业所使用的硅片，厚度0.2-0.5毫米，P型，电阻率为1-3Ω·cm，表面为单面抛光(抛光面为正面，未抛光面为背面)。这种选择性纳米织构化硅光电池的制作方法包括以下步骤：
[0037] 第一，以热扩散的方法制作P-N结结构，液态三氯氧磷被氮气携带进入扩散炉炉腔内，磷
原子在高温时由于热扩散运动进入硅片，在硅片正面、背面及侧面形成P-N结，如图2所示。扩散条件为：在850度扩散炉内，通入携带三氯氧磷的氮气100sccm，扩散13分钟，形成P-N结，方块电阻为30Ω/□，结深约为400纳米。
[0038] 第二，采用等离子体刻蚀的方法去除硅片背面及侧面的P-N结结构，用氢氟酸去除硅片硅片正面的二氧化硅层，如图3所示。
[0039] 第三，利用镂空金属掩膜镀膜技术制备金属栅极。将带有电极图形结构的镂空金属掩膜覆盖在硅片正表面，用热蒸发的方法在硅片正表面蒸发1微米厚的钛银层作为金属栅线电极，硅片背面全部用热蒸发的方法制备200纳米厚的铝背电极层，如图4所示。
[0040] 第四，硅片放入真空镀膜腔体内，热蒸发氯化铯薄膜，膜厚100纳米。氯化铯薄膜镀完后，向腔体内通入一定湿度的气体，保持腔体内相对湿度为35％，30分钟，氯化铯在湿度气体作用下发生团聚，在硅片表面(裸露的硅及钛银电极层表面)形成一个个类似水滴的纳米氯化铯半岛结构，平均直径为150纳米，如图5所示。以氯化铯岛结构为掩膜，利用等离子体刻蚀技术刻蚀硅，将氯化铯结构转移到硅表面上，刻蚀条件为：SF6:C4F8:He＝60:150:10sccm，工作压强4Pa，激励功率400瓦，偏压功率为30瓦，刻蚀时间30秒。硅表面刻蚀完成后，将样品放入去离子水中浸泡2分钟，即可将残余的氯化铯溶解掉。由于刻蚀气体不能与钛银金属发生反应，刻蚀过程对钛银金属层无明显影响，并且钛银层的覆盖对硅起到了保护作用，不能形成纳米柱结构，因此只有在硅片表面没有钛银层的区域制备得到纳米柱状织构化，硅纳米柱结构平均直径约为100纳米，高度约为300纳米，而钛银金属层无明显影响，如图6所示。
[0041] 第五，高温烧结，700度保持5分钟，使金属栅线电极与硅片形成良好的欧姆接触。至此完成选择性纳米织构化硅光电池的制作，即栅线电极(钛银层)覆盖在光滑的硅表面，没有刻蚀纳米柱阵列，增加欧姆接触，减少晶格
缺陷。在除栅线以外的区域制备了纳米柱阵列，起到吸收入射光，减小反射的效果。
[0042] 图7为平均直径约为100纳米，高度约为300纳米的纳米柱阵列的SEM图。
[0043] 实施例
[0044] 步骤1，将清洁的硅片放在850度扩散炉内，通入携带三氯氧磷的氮气100sccm，扩散13分钟，形成P-N结，方块电阻为30Ω/□，结深约为400纳米。
[0045] 步骤2，将步骤1的硅片用等离子体刻蚀的方法去除背面及侧面的P-N结结构。硅片背面朝上，正面被保护，刻蚀条件为SF6:He＝120:10sccm，工作压强4Pa，激励功率500瓦，偏压功率为30瓦，刻蚀时间5分钟。
[0046] 步骤3，将步骤2的硅片用稀释的氢氟酸(
质量分数为5％)浸泡5分钟，去除硅片表面的二氧化硅层。
[0047] 步骤4，将带有电极图形结构的镂空金属掩膜覆盖在步骤3的硅片的正表面，用热蒸发的方法在正表面蒸发1微米厚的钛/银电极层，硅片背面蒸发制备200纳米厚的铝电极层。
[0048] 步骤5，将步骤4的硅片放入真空镀膜腔体内，热蒸发氯化铯薄膜，膜厚100纳米。氯化铯薄膜镀完后，向腔体内通入一定湿度的气体，保持腔体内相对湿度为35％，30分钟，在硅片表面(硅及钛银电极层表面)形成一个个类似水滴的纳米氯化铯半岛结构，平均直径为150纳米。
[0049] 步骤6，将步骤5的表面有钛银电极层及氯化铯岛结构的硅片放入等离子体刻蚀机的刻蚀腔体内，刻蚀工艺参数为压强4Pa，刻蚀气体SF6:C4F8:He＝60:150:10sccm，激励功率400瓦，偏压功率为30瓦，刻蚀时间30秒。
[0050] 步骤7，将步骤6的硅片取出后放入去离子水中，浸泡2分钟，使硅片上剩余的氯化铯溶解。在硅片表面没有钛银层的区域制备得到纳米柱状织构化，硅纳米柱结构平均直径约为100纳米，高度约为300纳米。
[0051] 步骤8，高温烧结，700℃，5分钟，形成良好的欧姆接触。
[0052] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
