一种薄膜太阳能电池AZO薄膜的等离子体织构方法

摘要

本发明涉及半导体工业领域，特别涉及一种薄膜太阳能电池AZO薄膜的等离子体织构方法。运用等离子体刻蚀方法的物理性刻蚀和化学性刻蚀以及其刻蚀程度的高可调控性等优点刻蚀薄膜太阳能电池AZO薄膜。本方法可以达到湿法刻蚀的效果，同时因为不使用腐蚀性溶液，避免反应溶液处理不当对环境造成的污染；通过对本方法中基片架的加热温度、通入气体流量、射频源功率和频率、刻蚀时间的控制，提高刻蚀的可控性。对比溅射沉积绒面AZO薄膜，因粒子能量有限织构化效果不明显，可以达到优良的刻蚀效果。实现了一种陷光结构效果优良、刻蚀过程可控性高、无污染的薄膜太阳能电池AZO薄膜的织构方法，从而用于提高太阳能电池转化效率的技术中。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体工业领域，尤其是太阳能电池方面，特别涉及一种薄膜太阳能电池AZO薄膜的等离子体织构方法。

背景技术

随着能源紧缺、环境污染问题的加剧，各国都在加紧光伏行业的发展步伐。目前，为了解决太阳能电池成本高、效率低的问题，各种新工艺和新技术被应用在电池的制备上。在太阳能电池提高转化效率的技术中，光学优化是一种重要的优化技术，其目的是增加太阳能电池内部的入射光强或光子通量。增加光子通量意味着太阳能电池可以更加有效的利用入射光子，增加光生电流，实现更加高的转化效率，降低光伏发电的成本。实现光学优化的方式主要有减反膜、聚光系统、陷光结构。其中，陷光结构是通过增加光子进入太阳能电池后的光程长即陷光作用(Light Trapping Effect)来提高太阳能电池的转换效率。

表面织构化(Texturing)是在太阳能电池前表面或背表面制备不规则的凹槽或倒金字塔结构，形成陷光结构，使光线在太阳能电池中产生散射和反射，从而使光线传播方向与表面法线的夹角增大，进入太阳能电池的光线可以经过不同的光程传播，增加了电池对光子的吸收。

掺铝氧化锌(AZO)薄膜作为一种透明导电氧化物薄膜(TCO)，不仅具备高可见光透过率和低电阻率的优点，还具有ITO、FTO等其他TCO所不具备的优点：原料丰富易得，铝掺杂容易，环境友好，且在高温氢等离子体环境中化学稳定性高，是薄膜太阳能电池理想的电极材料，并得到广泛应用，对其表面织构化的研究也越来越多。目前，AZO表面织构化的方法主要有两种，一是对沉积的AZO膜进行湿法刻蚀，二是在制备AZO薄膜时，通过控制工艺参数直接在玻璃基板上溅射出绒面的AZO薄膜。湿法刻蚀主要是使用稀释的酸或碱溶液对AZO表面进行化学腐蚀达到织构化效果，酸溶液主要有盐酸、硫酸、氢氟酸等，碱溶液主要有氢氧化钠、氯化铵溶液等。湿法刻蚀具有大面积处理基片、刻蚀速度快等优点，但是，由于刻蚀速度过快，不容易控制刻蚀过程，同时，酸或碱溶液的使用，容易造成环境污染。对于直接制备绒面AZO薄膜的方式，由于溅射沉积时粒子能量有限，其织构化效果不明显。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种薄膜太阳能电池AZO薄膜的等离子体织构方法。其原理是：通过射频源的感应耦合作用将功率加到反应室内，使通入的气体电离产生等离子体，等离子体中含有离子、电子、自由基等活性粒子；这些活性粒子撞击AZO薄膜表面实现物理刻蚀，并且与其表面发生化学反应实现化学刻蚀。

本发明所采用的技术方案是：一种薄膜太阳能电池AZO薄膜的等离子体织构方法，其步骤包括：

步骤一、清洗AZO玻璃基片，通过进样室把清洗干净的AZO玻璃基片送到等离子体刻蚀设备反应室的基片架上；

步骤二、开加热电源，对基片架进行加热；

步骤三、对反应室抽真空，直到反应室的本底真空度为1×10^-4-3×10^-3Pa；

步骤四、同时通入反应气体氮气和氢气，并且调整反应室工作气压为0.3-15Pa；

步骤五、开启射频电源，预热5分钟，设置功率，调节匹配，直至起辉产生等离子体；

步骤六、继续通入氮气和氢气，并保持加热温度，同时开始计时刻蚀；

步骤七、达到刻蚀时间后，关闭射频电源，关闭加热电源，关闭气体，对反应室抽气，两个小时后，取出AZO玻璃基片，即完成AZO玻璃基片的刻蚀。

所述的AZO玻璃基片AZO薄膜厚度为400nm-2μm。

所述的步骤一AZO玻璃基片的清洗步骤包括：先用去污粉加清水冲洗，直至没有气泡，然后用丙酮清洗，再用95％的乙醇冲洗后，用乙醇溶液再超声清洗20分钟，最后用去离子水冲洗后，用去离子水再超声清洗20分钟，然后用高纯氮气吹干。

所述步骤二基片架加热温度为150-300℃。

所述步骤四通入的氮气流量为5-20sccm，氢气流量为1-10sccm。

所述步骤五的射频电源频率为400KHz-13.56MHz，功率为300-2000W。

所述步骤六的刻蚀时间为1-20分钟。

综上所述本发明具有以下有益效果：

1、本发明包括物理性刻蚀和化学性刻蚀，可以达到湿法刻蚀的效果，同时因为不使用腐蚀性溶液，避免反应溶液处理不当对环境造成的污染。

2、本发明不仅可以对AZO表面产生各向同性刻蚀，同时对AZO织构化表面陷坑深度上有各向异性的刻蚀，提高AZO织构化表面的光陷阱效果。

3、本发明可以通过控制基片架的加热温度、通入气体流量、射频源功率和频率、刻蚀时间提高刻蚀的可控性。

附图说明

图1为本发明一种薄膜太阳能电池AZO薄膜的等离子体织构方法的流程图；

图2为本发明中用于薄膜太阳能电池电极的AZO薄膜的反应等离子体织构方法的平面线圈电感耦合等离子体刻蚀装置示意图；

图3为本发明未经过刻蚀处理的AZO表面SEM形貌图；

图4为本发明实施例一的AZO表面SEM形貌图；

图5为本发明实施例二的AZO表面SEM形貌图；

图6为本发明实施例三的AZO表面SEM形貌图；

图7为本发明实施例一刻蚀前后的AZO薄膜反射率谱。

附图标记说明：

图2：201射频天线，202石英圆盘，203气体入口，204AZO玻璃基片，205反应室，206可加热基片架，207气体出口；

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述：

实施例一

对AZO玻璃基片，先用去污粉加清水冲洗，直至没有气泡；然后用丙酮清洗，再用95％的乙醇冲洗，并用乙醇溶液超声清洗20分钟；最后用去离子水冲洗，并且用去离子水超声清洗20分钟，然后用高纯氮气吹干，备用。

将清洗干净的AZO玻璃基片送到进样室，通过进样室把基片送到等离子体刻蚀装置反应室的基片架上；开启加热电源，对基片架进行加热，并且保持加热温度为200℃；将反应室真空度抽至1.5×10^-4Pa；通入氮气和氢气，其流量分别为8sccm和2.5sccm；调整反应室工作气压，使其保持在3Pa；开启射频电源，预热5分钟，设置频率和功率分别为456KHz和1800W；调节射频匹配，直至起辉产生等离子体；继续通入上述氮气和氢气，并保持对基片架的200℃加热，同时开始计时；2分钟后，关闭射频电源，关闭加热电源，关闭氮气和氢气，对反应室抽气，两个小时后，取出AZO玻璃基片，即完成AZO玻璃基片的刻蚀。

用扫描电子显微镜(JEOL JSM-6700F)对刻蚀前后的AZO玻璃基片进行表面形貌表征，未经过反应离子刻蚀的AZO表面的SEM形貌见图3，其表面有陷坑，陷坑的水平方向的平均尺寸是320nm，经过反应离子刻蚀2分钟的AZO表面的SEM形貌见图4，其表面陷坑密度增加，陷坑水平方向的平均尺寸是290nm。AZO玻璃基片刻蚀前后的反射率谱见图7，刻蚀2分钟的AZO玻璃基片比未刻蚀的反射率平均降低10％。

实施例二

AZO玻璃基片的清洗采用实施例一的方法；将清洗干净的AZO玻璃基片送到进样室，通过进样室把基片送到等离子体刻蚀装置反应室的基片架上；开启加热电源，对基片架进行加热，并且保持加热温度为200℃；将反应室真空度抽至1.5×10^-4Pa；通入氮气和氢气，其流量分别为8sccm和2.5sccm；调整反应室工作气压，使其保持在3Pa；开启射频电源，预热5分钟，设置频率和功率分别为456KHz和1800W；调节射频匹配，直至起辉产生等离子体；继续通入上述氮气和氢气，并保持对基片架的200℃加热，同时开始计时；10分钟后，关闭射频电源，关闭加热电源，关闭氮气和氢气，对反应室抽气，两个小时后，取出AZO玻璃基片，即完成AZO玻璃基片的刻蚀。

用扫描电子显微镜(JEOL JSM-6700F)对刻蚀10分钟后的AZO玻璃基片进行表面表征，其SEM图如图5所示。

实施例三

AZO玻璃基片的清洗采用实施例一的方法；将清洗干净的AZO玻璃基片送到进样室，通过进样室把基片送到等离子体刻蚀装置反应室的基片架上；开启加热电源，对基片架进行加热，并且保持加热温度为200℃；将反应室真空度抽至1.5×10^-4Pa；通入氮气和氢气，其流量分别为7sccm和3sccm；调整反应室工作气压，使其保持在3Pa；开启射频电源，预热5分钟，设置频率和功率分别为456KHz和1200W；调节射频匹配，直至起辉产生等离子体；继续通入上述氮气和氢气，并保持对基片架的200℃加热，同时开始计时；10分钟后，关闭射频电源，关闭加热电源，关闭氮气和氢气，对反应室抽气，两个小时后，取出AZO玻璃基片，即完成AZO玻璃基片的刻蚀。用扫描电子显微镜(JEOL JSM-6700F)对刻蚀十分钟后的AZO玻璃基片进行表面表征，其SEM图如图6所示。

实施例四

AZO玻璃基片的清洗采用实施例一的方法；将清洗干净的AZO玻璃基片送到进样室，通过进样室把基片送到等离子体刻蚀装置反应室的基片架上；开启加热电源，对基片架进行加热，并且保持加热温度为200℃；将反应室真空度抽至1.5×10^-4Pa；通入氮气和氢气，其流量分别为8sccm和2.5sccm；调整反应室工作气压，使其保持在3Pa；开启射频电源，预热5分钟，设置频率和功率分别为13.56MHz和450W；调节射频匹配，直至起辉产生等离子体；继续通入上述氮气和氢气，并保持对基片架的200℃加热，同时开始计时；5分钟后，关闭射频电源，关闭加热电源，关闭氮气和氢气，对反应室抽气，两个小时后，取出AZO玻璃基片，即完成AZO玻璃基片的刻蚀。