本发明专利技术公开了一种硅光电池纳米织构化P-N结结构及其制作方法，该方法包括：在硅片表面生长一层氯化铯薄膜；将表面具有氯化铯薄膜的硅片放入一定湿度的通气腔体内显影，在硅片表面形成氯化铯纳米圆岛结构；对表面具有氯化铯纳米圆岛结构的硅片进行等离子体刻蚀，将获得的氯化铯纳米圆岛结构转移成硅纳米柱状结构；采用热扩散的方法对硅纳米柱状结构进行三氯氧磷扩散，并控制扩散深度，形成体向或径向P-N结结构。利用本发明专利技术，具有低成本和较强的工艺适应性能，能够在不同硅表面上生长和完成。该纳米织构化P-N结结构可以有效地减小来自各个角度的入射光的反射，增加对入射光的吸收，提高太阳电池的光电转换效率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微米/纳米半导体微加工技术，尤其是一种硅光电池纳米织构化P-N结结构及其制作方法。
技术介绍
硅是一种用途最为广泛的半导体材料，在太阳电池等许多领域有巨大的工业应用。硅电池以其材料充足、价格低廉以及制作工艺成熟等特点作为现有商业电池的主体。常规的单晶硅电池表面采用金字塔结构作为织构化，并以三氯氧磷热扩散的方式制作P-N结结构。图1示出了金字塔结构与金字塔织构化P-N结的示意图，其中(a)是金字塔结构，(b)是金字塔织构化P-N结。金字塔结构的制备采用的是碱性溶液对硅片的各向异性腐蚀即腐蚀速度随单晶不同的结晶方向而改变。实际应用中，大多采用浓度约为1%的氢氧化钠稀溶液来制备金字塔结构，腐蚀温度为70 85°C，单晶硅的(100)面可比(111)面的腐蚀速度大数十倍以上，因此(100)硅片的各向异性腐蚀最终导致在表面上生长表面为(111)面的四面方锥体即金字塔结构，其大小不等，一般在2 4微米。金字塔织构化通过液态三氯氧磷扩散，在金字塔表面形成P-N结结构。这种织构化P-N结结构，工艺成熟且操作方便，其不足之处在于对可见光的反射率只能将降低到10%，特别是应用于多晶硅时，由于晶粒取向的随机性，不能有效地降低光损失，减反效果不明显，需要在表面覆盖指定厚度的氮化硅或二氧化硅层来达到光电池所需要的减反效果。纳米织构化结构能对入射光产生多次散射，有较好的减反效果，常用的有化学气相沉积法、金属催化化学腐蚀、光刻技术等制作方法。化学气相沉积是将预先沉积了金属纳米粒子催化剂的衬底放置在石英反应器中，在一定温度和真空度下利用载气(如氢气、氮气)通入气态硅源物质生长硅纳米线。金属催化化学腐蚀是用化学镀的方式在硅片上制备一定厚度的银，然后采用氢氟酸-硝酸银腐蚀液腐蚀得到硅纳米线阵列。以上方法成本较低，但都会引入金属单质，如果不能很好的去除，将成为太阳电池的复合中心，降低光电转换效率。这些方法制作的纳米线直径大约在几个到几十个纳米之间，能很好的降低反射，但是通过三氯氧磷热扩散后，只能形成体向P-N结结构。对于直径在几百纳米到几个微米范围内的纳米阵列才可以通过三氯氧磷扩散后形成径向的P-N结结构，光刻技术能制得直径较大的纳米阵列，光刻技术是在硅片表面制作具有纳米图形的光刻胶掩模，通过物理刻蚀得到纳米阵列，这种方法可以得到较大径向P-N结结构，但由于光刻技术的限制，大面积、直径小于几百纳米的阵列是难于制造的，所以不能形成体向的P-N结结构，并且这种方法成本较高，不适合批量生产。常用的制作P-N结的方法除了热扩散的方法还包括离子注入法和外延生长法。离子注入法是把杂质元素经过离子化后成为掺杂离子，通过电场对离子进行加速，利用磁场使其运动方向改变，这样就可以控制离子以一定的能量进入半导体内部，达到掺杂的目的，经过退火就形成了 P-N结。这种方法可以精确控制掺杂的浓度，但是成本较高，不适合批量生产，并且高能量离子的轰击会破坏表面的形貌，更不适合制作纳米织构化的P-N结结构。外延生长法是利用晶体界面上的二维结构相似性成核的原理，在一块单晶片上，沿着其原来的结晶轴方向再生长一层晶格完整、且可以具有不同的杂质浓度和厚度的单晶层的工艺。这种工艺只能形成轴向的P-N结结构，且要求硅片与外延层的晶面能很好地匹配，否则界面接触不够良好，在温度变化过程中容易脱落。本专利技术制作的纳米织构化P-N结结构能有效的降低反射，可以独立地作为减反膜使用；氯化铯自组装与等离子体刻蚀技术可以制作直径50-1500纳米的纳米阵列，通过三氯氧磷热扩散后可以根据需要制作体向或者径向P-N结结构；在制作纳米织构化的过程不需要引入金属单质、不需要高温及酸性溶液的腐蚀，且纳米织构化及热扩散的方法制作P-N结的过程工艺简单、成本较低、适合大面积生产。
技术实现思路
(一 )要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种硅光电池纳米织构化P-N结结构及其制作方法，以解决金字塔结构反射率较高、体向或径向纳米柱P-N结结构不能用同种方法制得、制作纳米阵列过程引入金属杂质影响光电转化效率、成本较高等问题，达到有效降低反射率、根据需要制作体向或径向P-N结结构、降低成本、批量生产、提高光电转化效率的目的。(二)技术方案为达到上述目的，本专利技术提供了一种制作硅光电池纳米织构化P-N结结构的方法，包括:在娃片表面生长一层氯化铯薄膜；将表面具有氯化铯薄膜的娃片放入一定湿度的通气腔体内显影，在硅片表面形成氯化铯纳米圆岛结构；对表面具有氯化铯纳米圆岛结构的硅片进行等离子体刻蚀，将获得的氯化铯纳米圆岛结构转移成硅纳米柱状结构；以及采用热扩散的方法对硅纳米柱状结构进行三氯氧磷扩散，并控制扩散深度，形成体向或径向P-N结结构。 上述方案中，所述在硅片表面生长一层氯化铯薄膜，是采用热蒸发方法在硅片表面蒸镀一层氯化铯薄膜，硅片的厚度为0.2-0.5毫米，P型，电阻率为1-3 Q cm，表面为抛光面或毛面或有结构面；氯化铯薄膜的厚度为200-7000埃。上述方案中，所述将表面具有氯化铯薄膜的硅片放入一定湿度的通气腔体内显影，在硅片表面形成氯化铯纳米圆岛结构，包括:将表面具有氯化铯薄膜的硅片放入湿度为10% -70%的通气腔体内，显影氯化铯薄膜，氯化铯在湿度气体作用下发生团聚，在硅片表面形成一个个类似水滴的氯化铯纳米圆岛结构。所述氯化铯纳米圆岛结构的直径为50-1500 纳米。上述方案中，所述对表面具有氯化铯纳米圆岛结构的硅片进行等离子体刻蚀，将获得的氯化铯纳米圆岛结构转移成硅纳米柱状结构，包括:将表面具有氯化铯纳米圆岛结构的硅片放入等离子体刻蚀机的刻蚀腔体内，利用SF6和C4F8为刻蚀气体，He为冷却气体，刻蚀工艺参数为压强4帕，SF6: C4F8: He = 60: 150: lOsccm，激励功率400瓦，偏压功率为30瓦，刻蚀时间1-20分钟；将硅片取出后放入水中，时间1-10分钟，使硅片上的氯化铯纳米圆岛结构溶解，在硅片表面获得直径为50-1500纳米，高度为0.2-10微米的柱状织构化的硅片，从而将氯化铯纳米圆岛结构转移成硅纳米柱状结构，形成与氯化铯纳米圆岛结构相同图案的硅纳米柱状结构。上述方案中，所述采用热扩散的方法对硅纳米柱状结构进行三氯氧磷扩散，并控制扩散深度，形成体向或径向P-N结结构，包括:将硅纳米柱状结构放入850°C扩散炉内，扩散炉内通入携带液态三氯氧磷的氮气lOOsccm，扩散8-13分钟，形成P-N结，方块电阻为30-90 Q/ □，结深约为200-400纳米；这样，半径小于结深的纳米阵列完全转化成N型，P-N结在体硅表面即形成体向P-N结结构；半径大于结深的纳米柱结构表面转化成N型靠近轴心的部分是仍然保持P型，即径向P-N结结构。为达到上述目的，本专利技术还提供了一种硅光电池纳米织构化P-N结结构，该硅光电池纳米织构化P-N结结构是于硅片上形成的圆柱状或圆锥状的纳米P-N结结构。上述方案中，该硅光电池纳米织构化P-N结结构，其原始结构制造选用氯化铯自组装技术完成，完成后的氯化铯以氯化铯纳米圆岛结构形式存在于硅片表面，该氯化铯纳米圆岛结构的直径为50-1500纳米。上述方案中，以该氯化铯纳米圆岛结构作为等离子体刻蚀掩摸，通过等离子体刻蚀技术，将氯化铯纳米圆岛结构本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种制作硅光电池纳米织构化P?N结结构的方法，其特征在于，包括：在硅片表面生长一层氯化铯薄膜；将表面具有氯化铯薄膜的硅片放入一定湿度的通气腔体内显影，在硅片表面形成氯化铯纳米圆岛结构；对表面具有氯化铯纳米圆岛结构的硅片进行等离子体刻蚀，将获得的氯化铯纳米圆岛结构转移成硅纳米柱状结构；以及采用热扩散的方法对硅纳米柱状结构进行三氯氧磷扩散，并控制扩散深度，形成体向或径向P?N结结构。
【技术特征摘要】
1.一种制作硅光电池纳米织构化P-N结结构的方法，其特征在于，包括: 在娃片表面生长一层氯化铯薄膜； 将表面具有氯化铯薄膜的硅片放入一定湿度的通气腔体内显影，在硅片表面形成氯化铯纳米圆岛结构； 对表面具有氯化铯纳米圆岛结构的硅片进行等离子体刻蚀，将获得的氯化铯纳米圆岛结构转移成硅纳米柱状结构；以及 采用热扩散的方法对硅纳米柱状结构进行三氯氧磷扩散，并控制扩散深度，形成体向或径向P-N结结构。2.根据权利要求1所述的制作硅光电池纳米织构化P-N结结构的方法，其特征在于，所述在硅片表面生长一层氯化铯薄膜，是采用热蒸发方法在硅片表面蒸镀一层氯化铯薄膜，硅片的厚度为0.2-0.5毫米，P型，电阻率为1-3 Q cm，表面为抛光面或毛面或有结构面；氯化铯薄膜的厚度为200-7000埃。3.根据权利要求1所述的制作硅光电池纳米织构化P-N结结构的方法，其特征在于，所述将表面具有氯化铯薄膜的硅片放入一定湿度的通气腔体内显影，在硅片表面形成氯化铯纳米圆岛结构，包括: 将表面具有氯化铯薄膜的硅片放入湿度为10% -70%的通气腔体内，显影氯化铯薄膜，氯化铯在湿度气体作用下发生团聚，在硅片表面形成一个个类似水滴的氯化铯纳米圆岛结构。4.根据权利要求3所述的制作硅光电池纳米织构化P-N结结构的方法，其特征在于，所述氯化铯纳米圆岛结构的直径为50-1500纳米。5.根据权利要求1所述的制作硅光电池纳米织构化P-N结结构的方法，其特征在于，所述对表面具有氯化铯纳米圆岛结构的硅片进行等离子体刻蚀，将获得的氯化铯纳米圆岛结构转移成硅纳米柱状结构，包括: 将表面具有氯化铯纳米圆岛结构的硅片放入等离子体刻蚀机的刻蚀腔体内，利用SFjP C4F8为刻蚀气体，He为冷却气体，刻蚀工艺参数为压强4帕，SF6: C4F8: He =60: 150: lOsccm，激励功率400瓦，偏压功率为30瓦，刻蚀时间1-20分钟; 将硅片取出后放入水中，时间1-10分钟，使硅片上的氯化铯纳米圆岛结构溶解，在...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘静，伊福廷，
申请(专利权)人：中国科学院高能物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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