温度对KOH溶液中多晶硅电化学纹理化的影响

引言

湿化学蚀刻是制造硅太阳能电池的关键工艺步骤。为了蚀刻单晶硅，氢氧化钾溶液被广泛使用，因为它们可以形成具有随机金字塔的表面纹理，从而增强单晶硅晶片的光吸收。对于多晶硅晶片，表面纹理化通常通过在含HF/HNO 3的溶液中进行酸性蚀刻来实现。酸性溶液各向同性地蚀刻多晶硅晶片，即在所有晶体取向上产生圆形纹理。然而，酸性蚀刻工艺难以控制，并且化学废物的处理昂贵。

为了克服这种对环境有害的酸性蚀刻工艺，同时保持mc-Si晶片的低反射率，最近提出了在KOH溶液中进行电化学纹理化。据报道，在较高的外加电位下，通过阳极极化可以在氢氧化钾溶液中获得mc-Si的各向同性织构表面。本文研究了腐蚀温度对氢氧化钾溶液中电化学腐蚀mc-Si晶片表面形貌和反射特性的影响。

实验

本研究采用切割掺杂硼的镁硅晶片，厚度为200µm，电阻率为1-1.5Ωcm。蚀刻前，直径为2.5厘米的硅样品用乙醇清洗，并用去离子水冲洗。所有样品在70°C的4M氢氧化钾溶液中预蚀刻7min，以去除锯子损伤层。随后，这些样品被安装在一个用O形环密封的特氟隆样品支架中，这样只有一个表面可以暴露在蚀刻溶液中，而后表面被压在一根铜带上，以进行良好的欧姆接触。电化学实验在不同温度下的4M氢氧化钾溶液中进行。采用传统的双电极装置：阴极为薄铂片，阳极为在+30伏下极化的硅样品。该系统连接到一个直流电源，并由Labview软件控制。

结果和讨论

与温度相关的蚀刻行为：图1显示了电化学过程中mc-Si样品与温度的电流密度-时间瞬变。

在（1）阶段，由于一个薄薄的表面氧化物层的形成，电流密度在几秒钟内迅速下降到最小值。在正极化条件下，孔被泵送到p型硅的表面，增强氧化反应。同时将水分解为氧气和质子。该反应导致硅表面pH局部减少，并保留了形成的氧化膜，因为二氧化硅在pH低于10时，热力学稳定。蚀刻温度越高，（1）级发生的时间就越短。

随着氧化膜的生长，反应（2）终止，导致表面高pH恢复。

氧化硅在高酸碱度的溶液中不稳定，以硅酸盐形式溶解。一旦氧化硅开始溶解，反应(2)上升，电流密度增加，如图1中阶段(2)所示。氧化膜的击穿被施加的电势增强，并且不均匀地发生在硅表面上，而是首先发生在电场更强的步骤(见图2b)。电流持续增加，因为氧化硅的溶解在表面上呈平面状扩散(图2c)。当形成的氧化硅膜完全溶解时，电流达到最大值。随后，包括氧化、水水解和氧化硅溶解在内的所有反应在阶段(3)期间继续使表面纹理化。与碱性溶液中的各向异性蚀刻相反，电化学纹理化中描述的反应与晶体的取向无关，因此形成各向同性纹理，如图2d所示。

 

在60°C下的蚀刻形成了一个具有串联体的表面纹理，这与各向同性酸性蚀刻中的纹理相似。当蚀刻时间足够时，蚀刻凹处会出现微米大小的孔隙(图3a)。在较低的温度下，没有形成凹面，并保留了表面进行化学蚀刻后形成的宏观纹理(图3b)。但在表面形成了均匀的纳米孔隙结构(图3c)。这些孔隙的大小大约为100纳米。

结论

我们在氢氧化钾溶液中进行电化学蚀刻，使多晶硅片纹理化。本文报道了不同腐蚀阶段表面形貌的演变。由于在硅表面形成了均匀的纳米多孔结构，室温下电化学腐蚀获得了最低的mc-Si晶片反射率。随着刻蚀温度的升高，织构趋于形成带有微孔的凹陷，导致反射率增加。

审核编辑：符乾江