CN104124307A - 一种晶硅太阳能电池的反应离子刻蚀工艺及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种晶硅太阳能电池的反应离子刻蚀工艺，包括：将制绒的硅片放入反应离子刻蚀设备中，反应离子刻蚀设备包括气体系统和电极平板，气体系统用于产生反应气体、刻蚀气体和保护气体；将硅片置于电极平板中，通入反应气体和刻蚀气体对硅片的正面绒面进行刻蚀处理；通入保护气体，保护气体与硅片的侧壁反应形成保护层，硅片于正面绒面的垂直方向的刻蚀速率大于侧璧的刻蚀速率；所述硅片的正面绒面形成微结构；其中，反应气体为O2，刻蚀气体为SF6，保护气体为C4F8。相应的，本发明还提供一种应用上述刻蚀工艺的反应离子刻蚀设备。采用本发明，大幅提高了电池短路电流，增加了电池发电效率。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种晶硅太阳能电池的反应离子刻蚀工艺以及一种晶硅太阳能电池的反应离子刻蚀设备。
背景技术
太阳能电池是一种有效地吸收太阳辐射能，利用光生伏打效应把光能转换成电能的器件，当太阳光照在半导体P-N结(P-N Junction)上，形成新的空穴-电子对(V-E pair)，在P-N结电场的作用下，空穴由N区流向P区，电子由P区流向N区，接通电路后就形成电流。由于是利用各种势垒的光生伏特效应将太阳光能转换成电能的固体半导体器件，故又称太阳能电池或光伏电池，是太阳能电池阵电源系统的重要组件。太阳能电池主要有晶硅(Si)电池，三五族半导体电池(GaAs，Cds/Cu2S，Cds/CdTe，Cds/InP，CdTe/Cu2Te)，无机电池，有机电池等，其中晶硅太阳能电池居市场主流主导地位。晶硅太阳能电池的基本材料为纯度达0.999999、电阻率在10欧·厘米以上的P型单晶硅，包括正面绒面、正面p-n结、正面减反射膜、正背面电极等部分。在组件封装为正面受光照面加透光盖片（如高透玻璃及EVA）保护，防止电池受外层空间范爱伦带内高能电子和质子的辐射损伤。由于电池发电效率损失在正面绒面上主要为光子反射以及漫射损失，因此如何减少光子反射，利用漫射增大有效侵透深度，进而提高电池效率将是一重要课题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种可以有效提高晶硅太阳能电池的发电效率的反应离子刻蚀工艺。
本发明所要解决的技术问题还在于，提供一种可以有效提高晶硅太阳能电池的发电效率的反应离子刻蚀设备。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种晶硅太阳能电池的反应离子刻蚀工艺，包括：
将制绒的硅片放入反应离子刻蚀设备中，所述反应离子刻蚀设备包括气体系统和电极平板，所述气体系统用于产生反应气体、刻蚀气体和保护气体；
将硅片置于电极平板中，通入反应气体和刻蚀气体对硅片的正面绒面进行刻蚀处理；
通入保护气体，所述保护气体与硅片的侧壁反应形成保护层，所述硅片于正面绒面的垂直方向的刻蚀速率大于侧璧的刻蚀速率；
所述硅片的正面绒面形成微结构；
其中，所述反应气体为O2，所述刻蚀气体为SF6，所述保护气体为C4F8。
作为上述方案的改进，所述刻蚀气体SF6的流量设置为8~18 cm3/min，所述反应气体O2的流量设置为2~13cm3/min，所述保护气体C4F8的流量设置为8~18 cm3/min。
作为上述方案的改进，通入刻蚀气体SF6的时间设置为2~8 秒，通入反应气体O2的时间设置为2~8 秒，通入保护气体C4F8的时间设置为1~7 秒。
作为上述方案的改进，所述微结构的深宽比≧20:1。
作为上述方案的改进，所述电极平板的功率设置为80~130 W；
所述电极平板包括阴极和阳极，所述阴极与射频电源相连接，所述射频电源的功率设置为350~400 W。
作为上述方案的改进，所述反应离子刻蚀设备包括真空系统，所述真空系统将反应离子刻蚀设备的压强控制为5~8 Pa。
相应的，本发明还提供了一种晶硅太阳能电池的反应离子刻蚀设备，包括电极平板、气体系统和射频电源，所述电极平板包括阴极和阳极，所述阴极与射频电源相连接，所述气体系统用于产生反应气体、刻蚀气体和保护气体，所述反应气体为O2，所述刻蚀气体为SF6，所述保护气体为C4F8。
作为上述方案的改进，所述气体系统在通入刻蚀气体SF6的时间设置为2~8 秒，所述刻蚀气体SF6的流量设置为8~18cm3/min；
通入反应气体O2的时间设置为2~8 秒，所述反应气体O2的流量设置为2~13cm3/min；
通入保护气体C4F8的时间设置为1~7 秒，所述保护气体C4F8的流量设置为8~18 cm3/min。
作为上述方案的改进，所述电极平板的功率设置为80~130 W；所述射频电源的功率设置为350~400 W。
作为上述方案的改进，所述反应离子刻蚀设备包括真空系统，所述真空系统将反应离子刻蚀设备的压强控制为5~8 Pa。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明提供了一种晶硅太阳能电池的反应离子刻蚀工艺，它是在制绒的硅片表面上，启动O2反应离子，搭配SF6刻蚀气体进行刻蚀，然后C4F8保护气体生成聚合物形成侧璧保护，使得正面绒面的垂直方向的蚀刻速率远大于对侧璧的蚀刻速率，从而获得良好微结构的深宽比≧20:1，可以有效减少光子反射，利用漫射增大有效侵透深度。
所述刻蚀工艺兼有离子溅射刻蚀和等离子化学刻蚀，分辨率高，同时具有各项异性，高选择性。因此，所述刻蚀工艺应用在晶硅太阳能电池的正面绒面，大幅提高了电池短路电流，增加了电池发电效率。
而且，与传统的化学表面刻蚀制绒设备相比，其设备投资少，方法简单，生产率高，适用于工业化大规模的量产。
附图说明
图1是本发明反应离子刻蚀工艺的流程图；
图2是本发明反应离子刻蚀工艺的硅片的示意图；
图3是图2所示硅片A部的微结构的示意图；
图4是本发明反应离子刻蚀设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
参见图1，图1提供了一种晶硅太阳能电池的反应离子刻蚀工艺，包括：
S101，将制绒的硅片放入反应离子刻蚀设备中。
所述反应离子刻蚀设备包括气体系统和电极平板，所述气体系统用于产生反应气体、刻蚀气体和保护气体。所述反应气体为O2，所述刻蚀气体为SF6，所述保护气体为C4F8。
所述电极平板的功率设置为80~130 W；所述电极平板包括阴极和阳极，所述阴极与射频电源相连接，所述射频电源的功率设置为350~400 W。
电极平板的功率设置为80~130 W，可以保证放电时的电位大部分降落在阴极附近，大量带电粒子受垂直于硅片表面的电场加速，垂直入射到硅片表面上，以较大的动量进行物理刻蚀，同时它们还与薄膜表面发生强烈的化学反应，产生化学刻蚀作用。
所述射频电源的功率设置为350~400 W，用来产生高浓度等离子体，以加快蚀刻速率。
所述反应离子刻蚀设备还包括真空系统，所述真空系统将反应离子刻蚀设备的压强控制为5~8 Pa，可以避免多余离子附着，稳定反应气场。
S102，将硅片置于电极平板中，通入反应气体和刻蚀气体对硅片的正面绒面进行刻蚀处理。
具体的，所述电极平板包括阴极和阳极，硅片置于阴极之上，硅片的正面绒面朝向阳极。
所述刻蚀气体SF6的流量设置为8~18 cm3/min，所述反应气体O2的流量设置为2~13cm3/min；通入刻蚀气体SF6的时间设置为2~8 秒，通入反应气体O2的时间设置为2~8 秒。
优选的，所述刻蚀气体SF6的流量设置为10~15 cm3/min，所述反应气体O2的流量设置为5~10cm3/min；通入刻蚀气体SF6的时间设置为3~6秒，通入反应气体O2的时间设置为3~6 秒。
采用上述流量和通入时间设置的刻蚀气体和反应气体，可以保证刻蚀均匀性佳，反应选择比好，各向异性刻蚀效果佳。
S103，通入保护气体，所述保护气体与硅片的侧壁反应形成保护层，所述硅片于正面绒面的垂直方向的刻蚀速率大于侧璧的刻蚀速率。
所述保护气体C4F8的流量设置为8~18 cm3/min；通入保护气体C4F8的时间设置为1~7 秒。
优选的，所述保护气体C4F8的流量设置为10~15cm3/min；通入保护气体C4F8的时间设置为2~5 秒。
采用上述流量和通入时间设置的保护气体，可以保证刻蚀均匀性佳，反应选择比好，各向异性刻蚀效果佳。
S104，所述硅片的正面绒面形成微结构。
所述微结构的深宽比≧20:1。
参见图2和图3，本发明反应离子刻蚀工艺是在硅片1的正面绒面2上，启动O2反应离子，搭配SF6刻蚀气体进行刻蚀，然后C4F8保护气体生成聚合物形成侧璧保护。其反应机理为: 2 SF6+ O2=2SOF2+4F2 ，与Si反应造成刻蚀效果则形成SiFx以及SiOFx，图2和图3所示的微结构为已被刻蚀过的区域，上述微结构为凹槽。而且，C4F8保护气体阻止侧壁的反应快速发生，使得正面绒面的垂直方向的蚀刻速率远大于对侧璧的蚀刻速率，从而获得良好的微结构3，所述微结构3的深宽比≧20:1，可以有效减少光子反射，利用漫射增大有效侵透深度。
所述刻蚀工艺兼有离子溅射刻蚀和等离子化学刻蚀，分辨率高，同时具有各项异性，高选择性。因此，所述刻蚀工艺应用在晶硅太阳能电池的正面绒面，大幅提高了电池短路电流，增加了电池发电效率。
参见图4，本发明提供了一种晶硅太阳能电池的反应离子刻蚀设备，包括电极平板1、气体系统2和射频电源3，所述电极平板1包括阳极11和阴极12，所述阴极12与射频电源3相连接，所述气体系统2用于产生反应气体、刻蚀气体和保护气体，所述反应气体为O2，所述刻蚀气体为SF6，所述保护气体为C4F8。
其中，所述电极平板1的功率设置为80~130 W；所述射频电源3的功率设置为350~400 W。
在所述气体系统2中，通入刻蚀气体SF6的时间设置为2~8 秒，所述刻蚀气体SF6的流量设置为8~18cm3/min；通入反应气体O2的时间设置为2~8 秒，所述反应气体O2的流量设置为2~13cm3/min；通入保护气体C4F8的时间设置为1~7 秒，所述保护气体C4F8的流量设置为8~18 cm3/min。
优选的，在所述气体系统2中，通入刻蚀气体SF6的时间设置为3~6 秒，所述刻蚀气体SF6的流量设置为10~15cm3/min；通入反应气体O2的时间设置为3~6 秒，所述反应气体O2的流量设置为5~10cm3/min；通入保护气体C4F8的时间设置为2~5 秒，所述保护气体C4F8的流量设置为10~15 cm3/min。
所述反应离子刻蚀设备包括真空系统4，所述真空系统4将反应离子刻蚀设备的压强控制为5~8 Pa。
所述阴极12与射频电源3之间还设有匹配系统5。匹配系统5具体可以选用射频匹配器，但不限于此。射频匹配器可以使负载阻抗与射频电源的阻抗相匹配，从而减少反射功率，使射频电源的传输功率最大化。
使用时，将硅片6置于阴极12之上，硅片的正面绒面朝向阳极11，启动气体系统2，通入O2反应离子，搭配SF6刻蚀气体进行刻蚀，然后C4F8保护气体生成聚合物形成侧璧保护，使得正面绒面的垂直方向的蚀刻速率远大于对侧璧的蚀刻速率，从而获得良好的微结构3，所述微结构3的深宽比≧20:1，可以有效减少光子反射，利用漫射增大有效侵透深度。
所述刻蚀工艺兼有离子溅射刻蚀和等离子化学刻蚀，分辨率高，同时具有各项异性，高选择性。因此，所述刻蚀工艺应用在晶硅太阳能电池的正面绒面，大幅提高了电池短路电流，增加了电池发电效率。
与传统的化学表面刻蚀制绒设备相比，本发明反应离子刻蚀设备投资少，结构简单，方法简便，生产率高，适用于工业化大规模的量产。
下面以具体实施例进一步阐述本发明
实施例1
1、将制绒的硅片放入反应离子刻蚀设备中，其中，反应离子刻蚀设备如图4所示，包括电极平板、气体系统、射频电源和真空系统，所述电极平板包括阳极和阴极，电极平板的功率设置为80 W；气体系统用于产生反应气体O2、刻蚀气体SF6和保护气体C4F8；阴极与射频电源相连接，射频电源的功率设置为350 W， 真空系统将反应离子刻蚀设备的压强控制为5 Pa。
2、将硅片置于阴极之上，硅片的正面绒面朝向阳极，通入流量为2cm3/min的O2反应气体2 秒、通入流量为8 cm3/min SF6刻蚀气体2 秒，O2反应气体和SF6刻蚀气体对硅片的正面绒面进行刻蚀处理。
3、通入流量为8 cm3/min的C4F8保护气体1 秒，C4F8保护气体与硅片的侧壁反应形成保护层，使硅片于正面绒面的垂直方向的刻蚀速率大于侧璧的刻蚀速率。
4、所述硅片的正面绒面形成深宽比为20:1的微结构。
结果：与普通的晶硅太阳能电池相比，本发明晶硅太阳能电池的电池短路电流Isc 提高了3.05%，电池发电效率Eff提高了0.63%。
实施例2
1、将制绒的硅片放入反应离子刻蚀设备中，其中，反应离子刻蚀设备如图4所示，包括电极平板、气体系统、射频电源和真空系统，所述电极平板包括阳极和阴极，电极平板的功率设置为100 W；气体系统用于产生反应气体O2、刻蚀气体SF6和保护气体C4F8；阴极与射频电源相连接，射频电源的功率设置为360 W， 真空系统将反应离子刻蚀设备的压强控制为6Pa。
2、将硅片置于阴极之上，硅片的正面绒面朝向阳极，通入流量为5cm3/min的O2反应气体3 秒、通入流量为10cm3/min SF6刻蚀气体3 秒，O2反应气体和SF6刻蚀气体对硅片的正面绒面进行刻蚀处理。
3、通入流量为10cm3/min的C4F8保护气体2 秒，C4F8保护气体与硅片的侧壁反应形成保护层，使硅片于正面绒面的垂直方向的刻蚀速率大于侧璧的刻蚀速率。
4、所述硅片的正面绒面形成深宽比为21:1的微结构。
结果：与普通的晶硅太阳能电池相比，本发明晶硅太阳能电池的电池短路电流Isc 提高了3.12%，电池发电效率Eff提高了0.64%。
实施例3
1、将制绒的硅片放入反应离子刻蚀设备中，其中，反应离子刻蚀设备如图4所示，包括电极平板、气体系统、射频电源和真空系统，所述电极平板包括阳极和阴极，电极平板的功率设置为110W；气体系统用于产生反应气体O2、刻蚀气体SF6和保护气体C4F8；阴极与射频电源相连接，射频电源的功率设置为370 W， 真空系统将反应离子刻蚀设备的压强控制为7Pa。
2、将硅片置于阴极之上，硅片的正面绒面朝向阳极，通入流量为8cm3/min的O2反应气体5 秒、通入流量为12 cm3/min SF6刻蚀气体5秒，O2反应气体和SF6刻蚀气体对硅片的正面绒面进行刻蚀处理。
3、通入流量为12 cm3/min的C4F8保护气体4 秒，C4F8保护气体与硅片的侧壁反应形成保护层，使硅片于正面绒面的垂直方向的刻蚀速率大于侧璧的刻蚀速率。
4、所述硅片的正面绒面形成深宽比为25:1的微结构。
结果：与普通的晶硅太阳能电池相比，本发明晶硅太阳能电池的电池短路电流Isc 提高了3.08%，电池发电效率Eff提高了0.62%。
实施例4
1、将制绒的硅片放入反应离子刻蚀设备中，其中，反应离子刻蚀设备如图4所示，包括电极平板、气体系统、射频电源和真空系统，所述电极平板包括阳极和阴极，电极平板的功率设置为120 W；气体系统用于产生反应气体O2、刻蚀气体SF6和保护气体C4F8；阴极与射频电源相连接，射频电源的功率设置为380 W， 真空系统将反应离子刻蚀设备的压强控制为8Pa。
2、将硅片置于阴极之上，硅片的正面绒面朝向阳极，通入流量为10cm3/min的O2反应气体6秒、通入流量为15cm3/min SF6刻蚀气体6 秒，O2反应气体和SF6刻蚀气体对硅片的正面绒面进行刻蚀处理。
3、通入流量为15 cm3/min的C4F8保护气体5 秒，C4F8保护气体与硅片的侧壁反应形成保护层，使硅片于正面绒面的垂直方向的刻蚀速率大于侧璧的刻蚀速率。
4、所述硅片的正面绒面形成深宽比为22:1的微结构。
结果：与普通的晶硅太阳能电池相比，本发明晶硅太阳能电池的电池短路电流Isc 提高了3.10%，电池发电效率Eff提高了0.71%。
实施例5
1、将制绒的硅片放入反应离子刻蚀设备中，其中，反应离子刻蚀设备如图4所示，包括电极平板、气体系统、射频电源和真空系统，所述电极平板包括阳极和阴极，电极平板的功率设置为105 W；气体系统用于产生反应气体O2、刻蚀气体SF6和保护气体C4F8；阴极与射频电源相连接，射频电源的功率设置为375 W， 真空系统将反应离子刻蚀设备的压强控制为6 Pa。
2、将硅片置于阴极之上，硅片的正面绒面朝向阳极，通入流量为7cm3/min的O2反应气体4秒、通入流量为13cm3/min SF6刻蚀气体4秒，O2反应气体和SF6刻蚀气体对硅片的正面绒面进行刻蚀处理。
3、通入流量为13 cm3/min的C4F8保护气体3秒，C4F8保护气体与硅片的侧壁反应形成保护层，使硅片于正面绒面的垂直方向的刻蚀速率大于侧璧的刻蚀速率。
4、所述硅片的正面绒面形成深宽比为23:1的微结构。
结果：与普通的晶硅太阳能电池相比，本发明晶硅太阳能电池的电池短路电流Isc 提高了3.09%，电池发电效率Eff提高了0.64%。
实施例6
1、将制绒的硅片放入反应离子刻蚀设备中，其中，反应离子刻蚀设备如图4所示，包括电极平板、气体系统、射频电源和真空系统，所述电极平板包括阳极和阴极，电极平板的功率设置为130 W；气体系统用于产生反应气体O2、刻蚀气体SF6和保护气体C4F8；阴极与射频电源相连接，射频电源的功率设置为400 W， 真空系统将反应离子刻蚀设备的压强控制为8 Pa。
2、将硅片置于阴极之上，硅片的正面绒面朝向阳极，通入流量为13cm3/min的O2反应气体8 秒、通入流量为18 cm3/min SF6刻蚀气体8 秒，O2反应气体和SF6刻蚀气体对硅片的正面绒面进行刻蚀处理。
3、通入流量为18 cm3/min的C4F8保护气体7 秒，C4F8保护气体与硅片的侧壁反应形成保护层，使硅片于正面绒面的垂直方向的刻蚀速率大于侧璧的刻蚀速率。
4、所述硅片的正面绒面形成深宽比为20:1的微结构。
结果：与普通的晶硅太阳能电池相比，本发明晶硅太阳能电池的电池短路电流Isc 提高了3.08%，电池发电效率Eff提高了0.65%。
综上所述，本发明提供了一种晶硅太阳能电池的反应离子刻蚀工艺，它是在制绒的硅片表面上，启动O2反应离子，搭配SF6刻蚀气体进行刻蚀，然后C4F8保护气体生成聚合物形成侧璧保护，使得正面绒面的垂直方向的蚀刻速率远大于对侧璧的蚀刻速率，从而获得良好微结构的深宽比≧20:1，可以有效减少光子反射，利用漫射增大有效侵透深度。
所述刻蚀工艺兼有离子溅射刻蚀和等离子化学刻蚀，分辨率高，同时具有各项异性，高选择性。因此，所述刻蚀工艺应用在晶硅太阳能电池的正面绒面，大幅提高了电池短路电流(Isc +3.05%)，增加了电池发电效率(Eff +0.63%)。
而且，与传统的化学表面刻蚀制绒设备相比，其设备投资少，方法简单，生产率高，适用于工业化大规模的量产。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种晶硅太阳能电池的反应离子刻蚀工艺，其特征在于，包括：
将制绒的硅片放入反应离子刻蚀设备中，所述反应离子刻蚀设备包括气体系统和电极平板，所述气体系统用于产生反应气体、刻蚀气体和保护气体；
将硅片置于电极平板中，通入反应气体和刻蚀气体对硅片的正面绒面进行刻蚀处理；
通入保护气体，所述保护气体与硅片的侧壁反应形成保护层，所述硅片于正面绒面的垂直方向的刻蚀速率大于侧璧的刻蚀速率；
所述硅片的正面绒面形成微结构；
其中，所述反应气体为O2，所述刻蚀气体为SF6，所述保护气体为C4F8。
2.如权利要求1所述的晶硅太阳能电池的反应离子刻蚀工艺，其特征在于，所述刻蚀气体SF6的流量设置为8~18 cm3/min，所述反应气体O2的流量设置为2~13cm3/min，所述保护气体C4F8的流量设置为8~18 cm3/min。
3.如权利要求1所述的晶硅太阳能电池的反应离子刻蚀工艺，其特征在于，通入刻蚀气体SF6的时间设置为2~8 秒，通入反应气体O2的时间设置为2~8 秒，通入保护气体C4F8的时间设置为1~7 秒。
4.如权利要求1所述的晶硅太阳能电池的反应离子刻蚀工艺，其特征在于，所述微结构的深宽比≧20:1。
5.如权利要求1所述的晶硅太阳能电池的反应离子刻蚀工艺，其特征在于，所述电极平板的功率设置为80~130 W；
所述电极平板包括阴极和阳极，所述阴极与射频电源相连接，所述射频电源的功率设置为350~400 W。
6.如权利要求1所述的晶硅太阳能电池的反应离子刻蚀工艺，其特征在于，所述反应离子刻蚀设备包括真空系统，所述真空系统将反应离子刻蚀设备的压强控制为5~8 Pa。
7.一种晶硅太阳能电池的反应离子刻蚀设备，其特征在于，包括电极平板、气体系统和射频电源，所述电极平板包括阴极和阳极，所述阴极与射频电源相连接，所述气体系统用于产生反应气体、刻蚀气体和保护气体，所述反应气体为O2，所述刻蚀气体为SF6，所述保护气体为C4F8。
8.如权利要求7所述的晶硅太阳能电池的反应离子刻蚀设备，其特征在于，所述气体系统在通入刻蚀气体SF6的时间设置为2~8 秒，所述刻蚀气体SF6的流量设置为8~18cm3/min；
通入反应气体O2的时间设置为2~8 秒，所述反应气体O2的流量设置为2~13cm3/min；
通入保护气体C4F8的时间设置为1~7 秒，所述保护气体C4F8的流量设置为8~18 cm3/min。
9.如权利要求7所述的晶硅太阳能电池的反应离子刻蚀设备，其特征在于，所述电极平板的功率设置为80~130 W；所述射频电源的功率设置为350~400 W。
10.如权利要求7所述的晶硅太阳能电池的反应离子刻蚀设备，其特征在于，所述反应离子刻蚀设备包括真空系统，所述真空系统将反应离子刻蚀设备的压强控制为5~8 Pa。
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