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HF濃度對電化學(xué)法制備多孔硅結(jié)構(gòu)的影響

2016-01-09 02:34:33許亮
棗莊學(xué)院學(xué)報 2015年5期
關(guān)鍵詞:棗莊硅片微孔

HF濃度對電化學(xué)法制備多孔硅結(jié)構(gòu)的影響

許亮

(棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院,山東棗莊277160)

[摘要]本文介紹了采用電化學(xué)制備多孔硅技術(shù),在固定光強(qiáng)、溫度、電流等實(shí)驗(yàn)條件下,通過改變電解液中HF酸濃度,測量對比了相應(yīng)多孔硅的特性,找出HF濃度對電化學(xué)法制備多孔硅結(jié)構(gòu)的影響.

[關(guān)鍵詞]電化學(xué);多孔硅;HF濃度[收稿日期]2015-08-05

[基金項(xiàng)目]國家自然科學(xué)

[作者簡介]許亮(1982-),男,山東棗莊人,棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院助教、理學(xué)碩士,主要從事半導(dǎo)體器件及工藝的研究.

[中圖分類號]TN303 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

0引言

隨著半導(dǎo)體精細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展,微型多孔硅結(jié)構(gòu)的制作和使用近年來成為研究的熱點(diǎn),其中電化學(xué)制備多孔硅微結(jié)構(gòu)的方法由于成本低廉尤其受到關(guān)注.本文通過實(shí)驗(yàn),找出電化學(xué)制備微型多孔硅過程中,HF濃度對于多孔硅結(jié)構(gòu)形貌特征的影響.

1多孔硅結(jié)構(gòu)

隨著當(dāng)今社會對于綠色新型能源的需求不斷增加,太陽能光伏技術(shù)正在得到日益廣泛的研究和應(yīng)用.在太陽能電池組件的制作過程中,為了減小光線的反射提高電池組件轉(zhuǎn)換效率,通常需要引入制絨工序,即將硅基光伏電池板表面制作成絨面,以減小光線的反射,由于微型的多孔硅結(jié)構(gòu)具有極低的光反射率,因此將絨面制作成微型多孔結(jié)構(gòu)成為光伏業(yè)界一種極佳的選擇.本文所述微型多孔硅為孔徑通常在500-5000nm,排列規(guī)則的硅基多孔陣列,如圖1所示.

圖1 多孔硅結(jié)構(gòu)           圖2 實(shí)驗(yàn)硬件平臺

通常而言,多孔硅陣列的微孔其深徑比越大,孔隙率越高,則抗反射效果越好.盡管在保證微孔具有一定深徑比的情況下,微孔內(nèi)壁的光滑度對抗反射效果影響并不明顯,但若孔壁過于粗糙導(dǎo)致微孔側(cè)向分叉現(xiàn)象嚴(yán)重,容易造成多孔硅結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定甚至發(fā)生“塌方”.因此理想的多孔硅結(jié)構(gòu)要求高孔隙率和微孔深徑比,同時內(nèi)壁光滑.納米級的多孔硅結(jié)構(gòu)除可應(yīng)用與太陽能電池組件的絨面以外,在微型機(jī)電系統(tǒng),量子器件等也有廣泛的應(yīng)用.

2電化學(xué)方法制備多孔硅

2.1實(shí)驗(yàn)硬件平臺

本實(shí)驗(yàn)采用的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺如圖2所示,電解液腐蝕槽采用Teflon材料制作,將待實(shí)驗(yàn)硅片置于鋁電極上,將電解槽、硅片、鋁電極、電解槽底座密封壓制,為防止硅片破碎,在硅片上加置一O型密封圈,鋁電極的中心開8mm×8mm的方孔以便接收光照以有效激發(fā)光生載流子,提高空穴濃度,以盡量優(yōu)化實(shí)驗(yàn)效果[1-3],光源為電壓范圍是0~12V,額定功率是100W的鹵素?zé)?,其距離硅片底部16cm.采用網(wǎng)狀Pt絲作為陰極置于電解液內(nèi).電化學(xué)方法進(jìn)行時,腐蝕液內(nèi)產(chǎn)生的氣泡可通過網(wǎng)狀陰極逸出,防止在電極下方積累氣泡影響腐蝕電流的均勻性.

2.2實(shí)驗(yàn)軟件平臺

軟件控制平臺為基于Labview開發(fā)的電化學(xué)軟件平臺,該軟件平臺由電腦、接口卡、帶計算機(jī)控制的低壓大功率直流穩(wěn)壓電源(0~25V,200W)和低壓直流穩(wěn)壓源(0~25V,50W)、電流及電壓采樣電路構(gòu)成;基于其內(nèi)部編寫好的電流電壓測量程序,其可以實(shí)時監(jiān)控腐蝕回路中的電流,在與設(shè)定的電流值比較之后調(diào)整腐蝕電壓,從而保持腐蝕電流的穩(wěn)定.其實(shí)物圖和操作界面分別如圖3(a)、(b)所示.

圖3 實(shí)驗(yàn)軟件平臺

2.3實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)所用硅片為N型<100>晶向的硅片[4],電阻率為2~5Ω.cm,直徑為100±0.4mm,厚為525±15μm,硅片正面已提前進(jìn)行KOH倒金字塔結(jié)構(gòu)陣列的腐蝕制作,背面已進(jìn)行砷離子重?fù)诫s,以便形成良好的電性接觸.

3實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果分析

3.1實(shí)驗(yàn)條件

本實(shí)驗(yàn)電解液的成分為HF:去離子水:乙醇為1:7:8.,其中加入乙醇可以使溶液的表面張力降低,使電化學(xué)反應(yīng)時電解液內(nèi)產(chǎn)生的氫氣更容易逸出,防止其附在硅片表面[5].實(shí)驗(yàn)分別對比了當(dāng)HF酸濃度在2.5%、5%和12%時,多孔硅的微結(jié)構(gòu)形貌.電化學(xué)腐蝕回路的電壓為4V,電流密度12mA/cm2,腐蝕時間均為1小時.

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在3.1所述實(shí)驗(yàn)條件下,當(dāng)HF酸濃度分別為2.5%、5%和12%時,所得多孔硅的電鏡照片如圖3-1(a)、(b)、(c)所示.

圖4 HF酸濃度分別為2.5%、5%和12%時多孔硅結(jié)構(gòu)

如圖4所示,當(dāng)氫腐酸濃度濃度的不斷增大,多孔硅結(jié)構(gòu)中腐蝕的微孔深度逐漸增加,2.5%濃度是微孔深度約為10μm,5%濃度時約為30μm,至12%時孔深增大到100μm,且孔深增加與濃度增加的比例近似為線性關(guān)系;同時孔徑則從3μm減小到1μm.因此,為得到較高的微孔深徑比,并獲得較快的腐蝕速度,可采用HF濃度較高的電解液.但從電鏡照片反映出,2.5%氫腐酸的腐蝕樣品空內(nèi)壁最為光滑,較少出現(xiàn)側(cè)向腐蝕分叉的現(xiàn)象,12%樣品的孔的側(cè)壁上出現(xiàn)明顯分叉的情況,孔內(nèi)壁非常粗糙,因此在實(shí)際使用中HF酸濃度不宜過高.

參考文獻(xiàn)

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[5]張楠生.電化學(xué)腐蝕法制備多孔硅與太陽能電池減反射層及其性質(zhì)的研究[D].上海:上海大學(xué),2009.

[責(zé)任編輯:周峰巖]

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