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介绍

能源被认为是未来五十年人类面临的头号问题。据估计,太阳能在一小时内显示出供给的潜力,其能量足以满足世界一年的能源需求总量[2]。光伏产业面临的一个主要挑战是以与化石燃料相比具有竞争力的成本产生足够量的能量。这个因素取决于对高效光伏设备和降低制造成本的需求[3]。据报道,较高效率的太阳能电池比使用晶体硅材料的市售太阳能电池的效率高出20%以上。这些类型的PV电池之一是交叉背接触太阳能电池。

IBC太阳能电池允许进一步减小电池厚度。晶体硅电池中的光捕获方案,如抗反射涂层、随机纹理等,有助于增加吸收载流子的全内反射以及光吸收的百分比,从而在需要更少材料的情况下保持高效率。因此,非常薄的硅层比非常厚的高质量材料薄膜表现得更好。我们相信,通过这些方案,钝化良好的IBC太阳能电池即使厚度小于20μm,也可以实现高达20%的效率。为了实现这一点并通过实验证明这一想法,我们尝试开发可靠的程序,将硅片深度蚀刻至厚度小于20μm。技术趋势已广泛用于蚀刻硅片。由于各向异性湿法腐蚀的兼容性和实施成本较低,它已经成为在硅晶片上制造微结构的广泛使用的技术。四甲基氢氧化铵(TMAH)被用作这项工作的各向异性蚀刻剂。最近的发展引入了干法蚀刻,尤其是被称为反应离子蚀刻的基于等离子体的技术。RIE包括物理机制(离子轰击)和化学机制(蚀刻气体的化学反应)的结合,以产生更各向异性的蚀刻轮廓。

本文介绍了使用RIE技术将硅片减薄到小于20微米的最终厚度。这是通过使用SU-8光致抗蚀剂实现的,SU-8光致抗蚀剂是一种高对比度的负环氧基光致抗蚀剂,作为掩模层。对这种类型的光致抗蚀剂在40微米和120微米的膜沉积厚度下的行为进行了研究。使用SU-8光致抗蚀剂开发了基线光刻工艺。使用SU-8和RIE方法的结果与流行的各向异性湿法化学蚀刻在蚀刻轮廓和最特别的蚀刻速率方面进行了比较。对这一概念的理解有助于未来超薄IBC太阳能电池制造中的应用。

结果和讨论

SPR光刻胶和TMAH蚀刻

在用SPR 220-7.0光致抗蚀剂进行光刻之后,完美的各向异性轮廓如图4所示。

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蚀刻速率在1.3至1.8微米/分钟的范围内,平均蚀刻时间为1.5微米/分钟。这意味着每小时大约蚀刻90微米,这是TMAH湿法蚀刻的蚀刻速率的3至5倍。蚀刻速度更快的原因是反应离子蚀刻过程中发生的物理和化学机制之间的协同作用。这种效果如图16所示。电离产生的高能碰撞有助于将蚀刻气体分解成更具反应性的物质,从而加快蚀刻过程。反应离子蚀刻还有其他优点,如更高的纵横比,这意味着更粗糙表面的蚀刻轮廓更明显。当使用这种技术时,很少或没有底切,并且在深蚀刻后,没有观察到针孔。

结论

本文开发了可靠的工艺,将硅片深度腐蚀到厚度小于20μm,用于制作IBC太阳能电池。开发了使用SU-8光致抗蚀剂的基线光刻工艺。对这种类型的光致抗蚀剂的行为以及掩模光刻和蚀刻的影响进行了研究。SU-8光致抗蚀剂被证明通过紫外线照射变得更硬。它具有更高的纵横比成像特性。在这种类型的光致抗蚀剂上进行不同厚度的研究,40μm和120μm沉积。

研究了用于硅片超薄化的腐蚀技术,TMAH湿法各向异性腐蚀和反应离子腐蚀。RIE技术的蚀刻速率被证明比TMAH的蚀刻速率快3至5倍,具有较少的缺点,例如沿晶面的针孔和裂纹。这表明更少的破损和更好的潜在电池产量。反应离子蚀刻证明能够获得更小的特征尺寸的微结构,并且有利于未来的应用,例如超薄交叉背接触太阳能电池。

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