大面积图形化超薄单晶硅的制备及光性能研究

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超薄光伏器件的硅吸收层厚度较薄,不足以吸收足够的光子,光电转化效率低。为了提高光电转化效率,可将吸收层进行图形化加工,延长光在吸收层中的传播路径,从而增加光吸收。本文将紫外纳米压印、干法刻蚀、湿法刻蚀用于硅片的图形加工,实现了在大面积超薄单晶硅片上的图形化制备,进一步调控了图形的尺寸,增强了超薄硅片在宽波长范围内的光吸收。首先,研究了超薄单晶硅片的制备方法。采用碱法腐蚀将厚硅片制成柔性更高的超薄硅片,探索出将厚硅片完全浸渍于腐蚀液中的最佳工艺,既保证腐蚀后硅片厚度(20μm)的均匀性,又容易得到较大面积(3×3 cm2)超薄硅片。其次,研究了在超薄硅片上紫外纳米压印的最佳工艺。采用紫外纳米压印的方法制备刻蚀掩膜层,探索了两种压印胶在超薄硅片上的旋涂规律,研究了不同模板制备各种图形化的压印胶的最佳工艺(如:光栅模板,001胶,最佳转速5500 rpm)。第三,首次将紫外纳米压印后硅片分别采用湿法刻蚀、干法刻蚀,在硅片的单面上进行图形化加工。结果表明,经不同模板压印后,采用湿法刻蚀很难得到周期性好的图形结构;采用干法刻蚀可以得到周期性、均匀性更好的图形结构。在相同的模板压印条件下,研究了干法刻蚀的气体种类、刻蚀时间对图形化结构的影响。对同一种压印结构来说,CF4:Ar=50:12 sccm刻蚀气氛下得到垂直的图形;CF4:O2=50:6 sccm刻蚀气氛下得到锥形的图形;SF6:O2=15:5 sccm刻蚀气氛下得到双曲线状的图形。刻蚀时间的增加会使上述三种图形更加明显,而功率的增加主要提高了刻蚀速率。最后,在上述单面图形化硅片的基础上,对比研究了双面图形化硅片的制备方法和吸光性能。结果表明,单面图形化的紫外压印、干法刻蚀工艺适用于双面图形的制备。双面图形化硅片的吸收率比单面图形化的硅片提高约15%。同时,采用了时域有限差分(Finite Difference Time Domain, FDTD)模拟方法,也证明了双面图形化硅片有更好的光吸收作用。
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