CN108615776B - 减反射表面结构以及相应的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种减反射表面结构，包括多个平行的倒金字塔链，其中，每个倒金字塔链中彼此相邻的两个倒金字塔结构单元相互重叠。该减反射表面结构的四次反射光线路径占的比例较高，大大降低表面结构的反射率。
Description
技术领域
本发明属于半导体光伏领域，具体涉及一种减反射表面结构以及相应的制备方法。
背景技术
光滑的硅表面会使约30％的太阳光能量反射回大气中，这严重地制约了太阳光的利用程度，以至于限制太阳能电池效率的提高。为了提高太阳光的利用程度，表面制备微结构和镀减反射膜这两种方法被广泛地应用于硅基太阳能电池上。
目前，利用碱的各向异性刻蚀原理，在硅表面上制备出随机的正金字塔结构在工业中被广泛地应用。另外，利用光刻等技术制备出的规则倒金字塔结构常在实验室中被用于高效太阳能电池的制备。但是，这两种结构对光的反射率仍然不理想，降低了太阳光的吸收，同时，不管是正金字塔还是倒金字塔结构，结构表面的起伏较大，不利于正面金属栅线的制备，从而降低了电流的收集，不利于太阳能电池性能的进一步提高。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种减反射表面结构，包括多个平行的倒金字塔链，其中，每个倒金字塔链中彼此相邻的两个倒金字塔结构单元相互重叠。
根据本发明的减反射表面结构，优选地，所述倒金字塔链之间的间距为零。
根据本发明的减反射表面结构，优选地，彼此相邻的两个倒金字塔结构单元沿着所述倒金字塔结构单元的顶面的对角线方向重叠。
根据本发明的减反射表面结构，优选地，重叠区域的面积与单个倒金字塔结构单元顶面面积的比为0.04到0.36。
根据本发明的减反射表面结构，优选地，重叠区域的面积与单个倒金字塔结构单元顶面面积的比为0.16。
根据本发明的减反射表面结构，优选地，彼此相邻的两个倒金字塔结构单元的顶面的对角线重叠或者相互平行。
另一方面，本发明还提供了一种减反射表面结构的制备方法，其包括如下步骤：
步骤一：利用金刚线切割技术获得硅片；
步骤二：清洗所述硅片；以及
步骤三：在所述硅片上制备绒面结构。
根据本发明的减反射表面结构的制备方法，优选地，还包括对步骤三所得到的样品进行清洗的步骤。
根据本发明的减反射表面结构的制备方法，优选地，在所述步骤三中，将所述硅片放入酸性制绒液中制备绒面结构。
又一方面，本发明还提供了一种减反射表面结构，其采用根据本发明的制备方法制备。
再一方面，本发明还提供了一种硅片，其具有根据本发明的减反射表面结构。
与现有技术相比，本发明的减反射表面结构的四次反射光线路径占的比例较高，这样就能大大降低表面结构的反射率并提高具有该结构的硅片制备而成电池的电学性能，从而提高太阳能电池的效率。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1示出四种常见的光线路径；
图2示出图1中的四种光线路径的反射率随着波长的变化情况；
图3示意性地示出两个未重叠的倒金字塔结构单元的顶面视图和根据本发明实施例的两个彼此重叠的倒金字塔结构单元的顶面视图；
图4示意性地示出根据本发明实施例的倒金字塔链的顶面视图；
图5示意性地示出根据本发明实施例的规则倒金字塔结构的顶面视图；
图6示出两个倒金字塔拼接的立体示意图；
图7示出不同表面结构的反射率与波长的关系图；以及
图8是根据本发明的第一实施例制备的水晶状倒金字塔结构的扫描电镜SEM图。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
太阳光在不同的表面结构上会具有不同的反射特性。根据光的反射定律，太阳光垂直照射到规则的正金字塔、规则的倒金字塔、随机的正金字塔等减反射结构表面，会出现如图1所示的A、B、C、D这四种常见的光线路径中的全部或部分。A光线路径在表面反射两次，B和C光线路径在表面反射三次，由于B光线路径的第三次反射的反射角很大，因此在第三次反射的反射率较高，D光线路径在表面反射四次。因为每反射一次会增加一次光线折射进入表面结构的机会，从而减少表面的反射率。
根据光的反射定律，可以得出图2所示的图1中的A、B、C、D四种光线路径的反射率随着波长的变化情况，可以明显地看出，四次反射光线路径D具有非常低的反射率，而二次反射光线路径A具有较高的反射率，另外，三次反射光线路径B的反射率高于另一个三次反射光线路径C的反射率，这是因为光线路径B的第三次反射的反射率高于光线路径C的第三次反射的反射率。基于此，本发明人想到设计一种表面结构，使得太阳光在该表面结构上的光线路径中，C、D两种光线路径，尤其是D光线路径占的比例较高，这样就能大大降低表面结构的反射率，从而提高太阳能电池的效率。
本发明提供一种减反射表面结构，其包括规则的倒金字塔结构，该规则的倒金字塔结构包括多个彼此平行的倒金字塔链，所谓倒金字塔链，就是指多个倒金字塔结构彼此连接形成的结构，每个倒金字塔链中，相邻的倒金字塔结构单元沿着倒金字塔结构单元的方形顶面的对角线方向彼此重叠。参见图3-图5，图3示意性地示出两个未重叠的倒金字塔结构单元的顶面示意图和根据本发明的两个彼此重叠的倒金字塔结构单元的顶面示意图；图4示意性地示出根据本发明实施例的倒金字塔链的顶面示意图；图5示意性地示出根据本发明实施例的规则倒金字塔结构的顶面示意图。具体地，图3左图中单个倒金字塔结构单元的方形顶面的边长为2μm，图3右图中两个倒金字塔结构单元以及图4和5中两个相邻的倒金字塔结构单元的方形顶面彼此重叠的区域为边长0.8μm的正方形，因此，重叠区域的面积与单个倒金字塔结构单元顶面面积的比为0.16。每个倒金字塔结构的深度为1.414μm。当顶面彼此重叠的时候，纵深方向随着重叠区域的增加而逐渐开始重叠，未重叠区域还彼此独立存在，其也可以理解为两个倒金字塔切掉了一个角，然后两个倒金字塔拼接起来的结构，参见图6所示的两个倒金字塔拼接的立体示意图。
为了体现本发明的效果，本发明人根据麦克斯韦方程组，计算出现有技术的几种表面结构与本发明的表面结构的反射情况和反射率并对其进行比较，见下表1，为了简单起见，本发明的减反射表面结构被称为“水晶状倒金字塔结构”。
表1
| A | B | C | D | R | |
| 规则正金字塔结构 | 88.89％ | 11.11％ | 0％ | 0％ | 13.926％ |
| 随机正金字塔结构 | 68.33％ | 3.24％ | 22.34％ | 6.07％ | 11.362％ |
| 规则倒金字塔结构 | 59.26％ | 0.74％ | 40％ | 0％ | 10.727％ |
| 水晶状倒金字塔结构 | 58.23％ | 0.71％ | 30.66％ | 10.4％ | 10.11％ |
表1中A、B、C、D分别表示图1中A、B、C、D四种光线路径的占比，R表示反射率。规则正金字塔结构有88.89％的路径A，因此平均反射率有13.926％。随机正金字塔结构降低了A路径比例，提高了C和D路径比例，将反射率降到了11.362％。规则倒金字塔结构A路径所占比例最低，虽然没有D路径，但是C路径所占比例有40％，反射率也能够达到10.727％。由于倒金字塔结构的形成是由于在刻蚀过程中，(111)和(100)晶面刻蚀速度的差异造成的，因此倒金字塔的四个面为(111)晶面，该结构的每个面之间的夹角已经被固定，因此二次反射率的比例很难再降低。为想进一步降低反射率，主要是通过将三次反射的区域转化为四次反射的区域。本发明实施例的水晶状倒金字塔结构的A路径所占比例降低到58.23％，低于规则倒金字塔的59.26％，同时，D路径所占比例达到10.4％，从而导致平均反射率降低到10.11％。
图7示出不同表面结构的反射率与波长的关系图。可以看出，本发明的水晶状倒金字塔结构的反射率低于现有技术的三种结构的反射率。
本发明人还进行了其他的设计和计算，结果发现，本发明的减反射表面结构的倒金字塔链中相邻两个倒金字塔结构单元的对角线并非严格地重叠在一起，只要相互平行即可，当对角线错开重叠时，重叠区域的长宽比小于1.5也是可以的，优选地，重叠区域的长宽比为1。每个倒金字塔结构的尺寸也不限于上述情况，只要满足一定的重叠比即可，优选地，重叠区域的面积与单个倒金字塔结构单元顶面面积的比为0.04到0.36。另外，彼此平行的倒金字塔链之间的间距越小越好，间距为零是最好的。
为了进一步验证本发明的设计的效果，本发明人通过具体实施例制备了水晶状倒金字塔结构。
第一实施例
该第一实施例提供一种水晶状倒金字塔结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：清洗硅片，具体地，将硅片放入氢氟酸或硝酸的酸性溶液中对原始硅片进行清洗；
步骤二：在清洗后的硅片上制备绒面结构，具体地，将硅片浸入硝酸铜、氢氟酸和双氧水的酸性制绒液中，在10℃的温度下刻蚀15min，得到绒面结构。其中，酸性制绒液中铜离子浓度为0.01mmol/L，氢氟酸的浓度为0.5mol/L，双氧水的浓度为0.1mol/L。
步骤三：将具有绒面结构的硅片在硝酸溶液中进行清洗，以去除金属颗粒。
该实施例制备的水晶状倒金字塔结构的扫描电镜SEM图如图8所示，可以看出，其包括多个倒金字塔链，每个倒金字塔链中的彼此相邻的倒金字塔结构单元相互重叠。发明人还测试了该实施例制备的表面结构的反射率，结果显示，该表面结构的反射率9.56％，这与前述理论计算的结果是基本吻合的。具有图8所示的表面结构的硅片与现有技术的随机倒金字塔减反射硅片相比，反射率降低1％，另外，由于本发明的结构的开口更开阔，结构的台阶高度差更小，因此更有利于后续的电池制备，借此，具有该结构的电池的效率也有所提高。
在本发明的制备方法中，直接在清洗后的金刚线切割的硅片上进行绒面结构的制备。金刚线切割会在硅片表面留下一道道平行的线横，人们一直认为，这种线横是需要去除的，否则会影响后续的制备，因此，现有技术的微结构制备都会有去除线横的步骤，而本发明人发现，这些线横是可利用的，依托于这些线横，能够制备出彼此重叠的倒金字塔结构，这种彼此重叠的倒金字塔结构能够降低表面的反射率，而后续的绒面结构的制备可以采用本领域公知的任何制备方法。
第二实施例
该实施例提供另一种水晶状倒金字塔结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：清洗硅片，具体地，将硅片放入氢氟酸或/和双氧水的酸性溶液中对原始硅片进行清洗；
步骤二：在清洗后的硅片上制备绒面结构，具体地，将硅片浸入硝酸铜、氢氟酸和双氧水的酸性制绒液中，在80℃的温度下刻蚀30s，得到绒面结构。其中，酸性制绒液中铜离子浓度为50mmol/L，氢氟酸的浓度为10mol/L，双氧水的浓度为5mol/L。
步骤三：将具有绒面结构的硅片在氨水和双氧水溶液中进行清洗，以去除金属颗粒。
测试发现，该第二实施例制备的水晶状倒金字塔结构表面反射率为9.83％，这与前述理论计算的结果也是基本吻合的。
根据本发明的其他实施例，前述制备方法中，清洗溶液可以采用本领域公知的任何酸性溶液或碱性溶液。
根据本发明的其他实施例，可以采用本领域公知的任意制备绒面结构的方法。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。
Claims (6)
1.一种减反射表面结构，包括多个平行的倒金字塔链，其中，每个倒金字塔链中彼此相邻的两个倒金字塔结构单元沿着所述倒金字塔结构单元的顶面的对角线方向相互重叠，其中
重叠区域的面积与单个倒金字塔结构单元顶面面积的比为0.16。
2.根据权利要求1所述的减反射表面结构，其中，所述倒金字塔链之间的间距为零。
3.根据权利要求1所述的减反射表面结构，其中，彼此相邻的两个倒金字塔结构单元的顶面的对角线重叠或者相互平行。
4.一种减反射表面结构的制备方法，其包括如下步骤：
步骤一：利用金刚线切割技术获得硅片；
步骤二：清洗所述硅片；以及
步骤三：借助于所述金刚线切割技术在所述硅片表面留下的线横在所述硅片上制备包括有多个平行的倒金字塔链的绒面结构，其中
每个倒金字塔链中彼此相邻的两个倒金字塔结构单元沿着所述倒金字塔结构单元的顶面的对角线方向相互重叠，其中
重叠区域的面积与单个倒金字塔结构单元顶面面积的比为0.16。
5.根据权利要求4所述的减反射表面结构的制备方法，其中，还包括对步骤三所得到的样品进行清洗的步骤。
6.根据权利要求4所述的减反射表面结构的制备方法，其中，在所述步骤三中，将所述硅片放入酸性制绒液中制备绒面结构。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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