通过湿法蚀刻分离III-V多结太阳能电池

摘要

III-V多结太阳能电池的微制造周期包括几个技术步骤，最后以一个晶圆切割步骤来分离单个电池。这一步引入了作为电荷捕获中心的连接的侧面的损伤，可能导致性能和可靠性问题，随着当今细胞大小缩小的趋势，这些问题变得更加重要。在本文中，我们提出了一种湿式微沟蚀刻工艺，允许单个太阳能电池的电隔离而不损害侧壁。用溴-甲醇蚀刻，通常用于III-V化合物的非选择性蚀刻的溶液，会在半导体表面形成不必要的蚀孔。我们研究了空穴形成的起源，并讨论了克服这种效应的方法。我们提出了一个实现隔离步骤的太阳能电池制造过程的流程。这种改进的制造工艺为提高模具强度、产率和可靠性开辟了道路。

介绍

对于CPV制造商来说，有效地分割太阳能电池而不损失性能和产量是一个重要的问题。 标准的切割技术会在边缘产生缺陷，如不受控制的破碎、碎片、应力引起的裂纹、碎片和热引起的损伤。这种对活性层的损伤可能会导致短路或增加周长重组。应力引起的损伤削弱了模具的机械强度，导致结构完整性失效。在切割过程中避免损坏的另一种方法是将湿蚀刻沟槽进入III-V层，以确定MJSC的周长。然而，由于构建多结太阳能电池结构的不同III-V层的不同蚀刻选择性增加了这一过程的复杂性，因此MJSC的一步湿蚀刻尚未见报道。

本文介绍了一种基于溴的湿式蚀刻分离技术。首先，我们发现溴-甲醇溶液会导致介电掩模下的IIIV结构中出现不必要的孔，并延伸到pn连接，从而降低了太阳能电池的性能。在第二步中，我们提出了一个对空穴的起源的研究，并提出了一种方法来克服这个问题。后者是通过优化介电掩模和增加蚀刻剂的粘度来实现的。最后，我们演示了如何将这个隔离过程集成到MJSC制造和模具分离过程中。

MJSC隔离工艺的开发

ⅲ-ⅴ族层溴-甲醇腐蚀过程中小孔的形成：图3中的扫描电子显微镜(SEM)图像显示，溶液蚀刻了MJSC的整个III-V结构平均速率为1um/分钟。观察到具有多个斜率的剖面，表明这种非选择性各向同性蚀刻在不同层上存在一些残留的晶体取向依赖性。通过光学显微镜和横截面扫描电镜的进一步研究，发现III-V层中随机分布的小孔，位于介电掩模下面。

基质对孔隙形成的影响：在实验的进一步一部分中，一系列砷化镓、InP和III-V/Ge三结结构样品被涂上100纳米厚的二氧化硅掩模，然后暴露于溴-羟甲基（1：100），以完成图案III-V/Ge太阳能电池结构上的台面蚀刻。通过光学显微镜确定，在二氧化硅掩模或砷化镓或InP晶片中均未发现孔。用椭圆偏距法测量的二氧化硅层厚度保持不变。然而，在太阳能电池结构的III-V层中可以看到空洞。因此，很可能太阳能电池晶片III-V层上的孔隙是由于蚀刻通过孔隙或二氧化硅层上的微小孔纹在显微镜下看不到的。

二氧化硅掩膜层厚度对孔隙形成的影响。  略

介质掩模中的应力对孔形成的影响。  略

通过利用应力补偿介质掩模使通掩模扩散最小化:根据以上结果，在溴-甲醇蚀刻过程中减少III-V层孔的关键是避免介质掩模中的强压缩应力。这可以通过在正面掩模沉积之前在晶片的背面沉积压缩应力层来实现。即使本质上是压缩应力，晶片弯曲应力也会减少前罩中的残余应力。 然而，由于背面沉积发生在正面蚀刻掩模沉积之前，后者由于与PECVD反应器中的样品架接触，可能会被不必要的颗粒污染。颗粒的存在可能导致不受掩膜保护的区域，导致III-V层的蚀刻剂渗透。

通过增加蚀刻溶液的粘度来抑制通过掩模扩散    略

模具成型成型及包装的隔离工艺

薄而脆的晶片如生长在锗衬底上的ⅲ-ⅴ族太阳能电池的分割仍然是一个挑战。常用的划线和断裂技术包括两个步骤。创建划线以建立应力集中系数，用于在随后的断裂步骤中引发裂纹。典型的划片方法利用金刚石划片、金刚石锯片锯切或激光划片。这些技术可能对太阳能电池的芯片产量和性能有负面影响，

由于热或机械应力集中引入模具。所提出的湿式蚀刻隔离技术具有许多优点。当包括在制造过程中，湿蚀刻最大限度地减少微裂纹和裂缝，留下光滑的侧壁，用硬电介质涂层钝化。这提供了额外的保护由于环境条件，以及在模具连接步骤中与焊料连接的意外短路。与典型的刻痕技术相反，所提出的化学隔离不引入局部应力（既不是机械的，也不是热的），因此增加了模具的机械强度。在此过程中不对表面造成损害，不产生碎片，不排放III-V化合物的V基元素等有害物质，因此不需要特殊的切割后处理。这一过程也显示了“通过衬底细化切割”的潜力，从而消除锯切割的必要性。最后，如果由于补充光刻、PECVD沉积和蚀刻而增加的加工成本被更高的产量和潜在的更高的性能和可靠性来补偿，那么作为非并行处理的隔离可能会对太阳能电池晶片的制造产生积极的经济影响。

结论

本文报道了用溴溶液进行IIIV/Ge晶圆的单步湿蚀刻分离工艺。MJSC将分离步骤纳入其微制备过程。结果表明，用标准品进行蚀刻，由于溴-甲醇溶液通过介电掩模的扩散，溴-甲醇溶液会在III-V层中形成空穴。我们已经证明了这种扩散与IIIV/Ge结构中高压缩应力在等离子体沉积过程中介质掩模引起的缺陷有关。这些缺陷在湿蚀刻过程中作为溴的扩散路径，可以通过应力补偿薄膜作为蚀刻掩模和高粘度溴-异丙醇溶液来抑制。所演示的隔离技术为提高单个太阳能电池的性能和可靠性开辟了道路，因为它能够产生无损伤、光滑的侧壁，以及用介电PECVD薄膜钝化的可能性。工作正在进行中，以量化对太阳能电池性能的提高，用这个过程制造。

审核编辑：符乾江