晶体硅太阳电池设计-制绒.doc

单晶制绒(各向异性腐蚀) 硅的各向异性腐蚀是指对硅的不同晶面具用不同的腐蚀速率.各向异性腐蚀剂一般分为两类:一类是有机腐蚀剂,包括EPW和联胺等,另一类无机腐蚀剂,包括无机碱性腐蚀剂,如KOH NaOH LiOH等,我们单晶制绒腐蚀剂用的是无机碱性腐蚀剂. 在腐蚀液浓度一致的前提下, 改变腐蚀液的温度, 各晶面的腐蚀速率随温度的变化示于图5 单晶制绒溶液通常用低浓度（0.5.—1.5wt%）的氢氧化钠混合（5---10vol%）的异丙醇（或乙醇）配制成，在75---80℃温度范围内对（100）晶向的硅片表面进行各向异性腐蚀，便可以得到由（111）面包围形成的角锥体分布在表面上构成的绒面。 我们将100晶向上腐蚀速率与111晶向上腐蚀速率比值定义为各向异性因子AF.当AF=1时,腐蚀硅片可以得到平坦的表面.当制绒液在100方向上具有相对高的腐蚀速率(0.6um/min)和AF=10的各向异性系数时在硅片表面上得到最高的角锥体密度,能够腐蚀出高质量绒面.腐蚀碱溶液的浓度,温度对AF有显著影响.一般来说,低浓度的碱溶液和较低的温度具有较高的AF值;反之,高浓度的碱溶液和较高溶液温度则对应低的AF数值.因此,前者用于制绒工艺,后者用于抛光工艺,在实验和生产实践中发现,制绒溶液配制好后,初次使用时AF不高,并且锥体的覆盖率也不高.使用若干次以后,AF值和绒面覆盖率逐渐提高并趋进最大值.再继续使用若干次后,AF值和绒面覆盖率逐渐降低,直到溶液失效不能使用,这时候就要重新配制溶液了. 硅在碱溶液中的腐蚀现象，可以用电化学腐蚀的微电池理论进行解释. 阳极处 Si+6OHˉ SiO3-2+3H2O +4e 阴极处 2H+ +2e H2↑ 总的反应式 Si +2NaOH +H2O Na2SiO3 + 2H2↑ NaOH的作用 Si在NaOH腐蚀液中反应过程，首先由水分子分解出氢氧根离子, 氢氧根离子与表面原子未配对的电子结合形成Si—O键, 然后打断表面原子与其它硅原子连接的共价键,最后生成Si(OH )4. 我们以(100) 面的原子为例, 其反应过程可表示为: 在第二步反应中, 由于硅表面存在成键的OH 基团,使硅表面原子的背键强度降低, Si(OH )2 团中的Si—Si 背键被打开, 形成了带正电荷的氢氧化硅复合物: 氢氧化硅复合物进一步与两个OH- 反应产生原硅酸: 从以上反应过程可以看出, 在硅表面的原子被“移去”的过程中. 除去硅原子未受腐蚀的起始态和被腐蚀反应为原硅酸的最终态之外, 还有若干个中间状态, 从微观角度来说, 各中间状态反映出腐蚀的微观过程, 可用来说明腐蚀的机制. 我们认为, 处在不同晶面的硅原子的腐蚀速率之所以不同, 一方面是与被反应原子所处的初始状态有关, 另一方面也与反应过程中存在的各个中间状态有关. 硅(100) 晶面原子在NaOH 腐蚀过程中出现的状态示意图(图1) 首先, 我们根据反应的过程看图1 中八种微观状态之间的转换.相应于图1 中八种不同的状态, 就反应中各个状态之间可能的转换示于图2 中. 其中, 有的状态在反应条件不确定的情况下, 受各种因素的影响, 有可能有多种形式状态的转化. 硅(100) 晶面原子在腐蚀过程中各微观状态之间转化关系(图2) IPA的作用 IPA 1)增加硅片表面的可湿润性 2)碱溶液对硅片的腐蚀速率随着IPA浓度的增加而降低 3)适当浓度发IPA在溶液中起到消泡的作用 我可以从碱腐蚀硅的化学原理可知,伴随腐蚀的进行,硅表面有气泡产生,气泡的尺寸与溶液的粘度,溶液的表面张力有关,气泡的大小和在硅片表面的附着时间,的表面反应的进行乃至腐蚀形成的表面形貌有直接音响. 谈到气泡的大小我们就必须谈到接触角(润湿角) 接触角定义为液—固—气界面相交点,液—气界面的切线与液—固界面切线的夹角. Cos? =(δg-s –δl-s)/δg-l 图.液体与固体表面的接触角 定温定压平衡时液体在固体表面的接触角决定于固—气相、固—液相和液—气相三个界面张力的大小关系。θ＜90°时，液体润湿固体表面良好，θ＞90°时，液体润湿固体表面不好，θ=180°时，完全不润湿。纯净的硅表面是不能与水润湿的（疏水的）。实验中观察到，对于氢氧化钠水溶液，它和硅表面的润湿角θ＞90°并与溶液浓度有关。溶液中加入异丙醇（或乙醇）可以改善润湿程度，在这里，起到表面活性剂的作用。 ?液体在固体表面上铺展的趋势大小决定于三个相的界面张力值。铺展系数定义为： Φl/s=δg-s –δg-l –δl-s??? 定温定压下，液体在固体表面铺展（润湿）