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引言

      碱性溶液中的湿化学各向异性蚀刻是工业太阳能电池纹理化最常见的工艺。使用湿化学各向异性蚀刻技术在单晶硅晶片(100)的表面上形成微锥体结构。主要目的是根据硅表面反射率评估蚀刻剂的性能。选择不同的异丙醇体积浓度(2、4、6、8和10%)和不同的蚀刻时间(10、20、30、40和50分钟)来研究硅片的总反射率。其他参数如氢氧化钠浓度(12%重量）。

      溶液温度(81.5℃)和搅拌器速度范围(400 rpm)在所有过程中都保持恒定。用光学显微镜和原子力显微镜分析了晶片的表面形貌。AFM图像证实了均匀的金字塔结构。

实验

      在这项工作中使用了厚度为500μm、电阻率约为0.1 Ω⋅cm的p型单晶Si100晶片。首先将硅片切割成约1 cm2的样品。清洗过程分两步进行:第一步是从硅样品中去除污染物。在这一步中，样品在去离子水(DI-W)中清洗5min，然后在室温超声处理下用无水乙醇清洗5min。第二步是去除任何天然氧化物。该步骤在∼10%HF中进行1min。在流动的DI-W中彻底清洗后，样品在溶液中蚀刻。实验在浸在油浴中的玻璃通量中进行，以实现溶液的间接加热，如图3。

图3 本工作中使用的纹理过程设置的示意图

      此外，在焊剂上安装了一个水回流冷凝器，以重新冷凝化学蒸汽(主要是异丙醇的蒸汽)，从而保持化合物的浓度恒定。通过冷凝器插入一个0.1∘C精度的温度计来监控溶液温度。在纹理化过程之后，样品用去离子水洗涤，然后用10% HCl(1分钟)和10% HCl洗涤氟化氢(30秒)去除任何金属杂质或氧化硅。最后，用去离子水再次清洗晶片(1分钟)，并用空气喷射干燥。使用微量天平根据纹理化工艺后硅样品的重量差计算蚀刻速率。纹理化过程中，改变IPA浓度和蚀刻时间,以评估它们对金字塔结构和总反射率的影响。首先用光学显微镜分析了硅样品的表面形貌，利用原子力显微镜(AFM)对表面进行了详细分析。

结果和讨论

      蚀刻速率：在12%重量的溶液中对硅样品进行纹理化处理。氢氧化钠与不同浓度的异丙醇(2、4、6、8和10体积%)混合，并进行多次蚀刻:10、20、30、40和50分钟。为了研究纹理化工艺的稳定性，分析了平均蚀刻速率随蚀刻时间和异丙醇浓度的变化。

      光学研究：使用总反射率作为第一次检查，以确定适当的工艺参数。值得注意的是，镜面反射率并不是检验蚀刻工艺有效性的可靠参数。一个低效率的蚀刻过程可以强烈地减少镜面反射，但增加漫反射，使总反射率几乎保持不变。使用积分球在200–800nm的波长范围内记录总反射R%。一般来说，我们注意到肩峰是在275和365nm处获得的，这是硅片的峰。平均反射率值也总结在表1中。

表1 不同异丙醇浓度的平均总反射率

      形态学研究：金字塔的密度、均匀性和尺寸是制造太阳能电池用硅的重要参数。使用光学显微镜分析晶片表面的形态。我们获得了低覆盖率、高平均尺寸、高平均金字塔高度和高表面粗糙度，而通过增加IPA浓度，覆盖率增加，平均金字塔尺寸、平均高度和表面粗糙度降低。根据图12和13，测量了低浓度和高浓度下金字塔大小和高度的分布。在2%的较低浓度下观察到金字塔尺寸和高度的窄分布，而在10%的较高浓度下观察到金字塔尺寸和高度的宽分布。根据形态学和反射率的结果，我们可以有把握地得出结论，在4%的IPA浓度下，获得了晶片表面的最佳金字塔覆盖、最佳金字塔尺寸(~1.3μm)和总反射率(11.22%)。

总结

      异丙醇浓度和蚀刻时间对在碱性溶液中蚀刻的mcSi样品上实现了金字塔表面结构CIPA和Tetch都基于反射率测量进行了优化。过程变量的优化产生了CIPA = 4-6%体积和Tetch= 40分钟的条件。获得的表面均匀地覆盖有~1.3μm尺寸的金字塔结构，并且在可见光范围内具有小于11.22%的平均总反射率。与其他蚀刻条件相比，这些条件具有最佳的光捕获效果，并且适合于保存太阳能电池的最高效率。