磁场方向对碱腐蚀构建多晶硅绒面结构的影响

doi:10.11901/1005.3093.2020.532

磁场方向对碱腐蚀构建多晶硅绒面结构的影响

宋建宇, 李想, 王启安, 沈龙海, 齐东丽, 冯瑜^,, 陈建金

沈阳理工大学理学院沈阳 110159

Effect of Magnetic Field Direction on Suede Structure of Alkaline Solution Corroded Polysilicon

SONG Jianyu, LI Xiang, WANG Qian, SHEN Longhai, QI Dongli, FENG Yu^,, CHEN Jianjin

School of Science, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China

通讯作者: 冯瑜，副教授，fyudxxmsn@hotmail.com，研究方向为量子通信与量子计量

收稿日期: 2020-12-17 修回日期: 2021-04-15 网络出版日期: 2021-10-12

基金资助:

辽宁省自然基金指导计划. 2019-ZD-0254

Corresponding authors: FENG Yu, Tel: 15141001057, E-mail:fyudxxmsn@hotmail.com

Received: 2020-12-17 Revised: 2021-04-15 Online: 2021-10-12

作者简介 About authors

宋建宇，男，1969年生，副教授

摘要

在零磁场和2T、4T磁场中用NaOH溶液腐蚀制备多晶硅绒面结构，样品板平面分别平行和垂直于磁场放置。用电子天平称重表征硅片的腐蚀程度、用奥林巴斯LEXT OLS4100共聚焦显微镜观察多晶硅片形貌、用Ocean Optics USB4000光谱仪测量多晶硅片的反射率、用WT-1200硅片测试仪测量样品的少子寿命，研究了磁场方向对碱腐蚀构建多晶硅绒面结构的影响。结果表明：随着磁感应强度的提高多晶硅片的腐蚀程度严重，绒面结构变得均匀和细腻，反射率降低；在磁感应强度相同的条件下碱液中沿着磁场方向运动的OH^-离子不受磁场力作用，而运动方向与磁场方向不完全一致的OH^-离子受磁场产生的Lorenz力作用。Lorenz力使板平面垂直于磁场方向的硅片样品腐蚀程度更加严重、绒面和断层状结构细腻程度更加显著、少子的寿命更长、反射率更低。磁感应强度为4T时反射率降低到14.5%，在用碱液腐蚀制备多晶硅绒面结构过程中施加强磁场，板平面垂直磁场方向放置硅片减反射效果更加显著。

关键词： 无机非金属材料 ; 磁场方向 ; 碱液腐蚀 ; 多晶硅 ; Lorenz力 ; 绒面结构

Abstract

The surface suede texture of polysilicon wafer was prepared via NaOH solution etching process. The effect of direction (to which the wafer parallel or perpendicular) and intensity (0, 2 or 4T) of the applied magnetic field on the surface texture of polysilicon wafer was investigated by means of weight loss measurement, Olympus LEXT OLS4100 confocal microscope, ocean Optics USB4000 spectrometer and WT-1200 silicon wafer tester. The results show that with the increase of magnetics intensity the corrosion degree of polysilicon wafer increases, and that the suede texture becomes uniform and finer, whereas the reflectivity decreases. With the same applied magnetics intensity, the motion direction of OH^- ions along the magnetic field direction in the alkali solution were not affected by the magnetic field force, however, the Lorenz force generated by the magnetic field acts on OH- ions, when who's motion direction is not exactly in line with the direction of the magnetic field, which then resulted in stronger corrosion for the silicon wafer placed perpendicular to the magnetic field direction, in consequence, the wafer presents much finer in suede texture and stratified structure with longer subatomic lifetime and lower reflectivity, peculiarly the applied magnetics intensity of 4T could make the reflectivity of the wafer lower to 14.5%. In fact, the surface reflectivity of the polysilicon wafer can be significantly reduced when the polysilicon wafer placed perpendicular to the direction of applied magnetic field during the preparation of surface suede texture with the NaOH solution etching process.

Keywords： inorganic non-metallic materials ; magnetic field direction ; alkali corrosion ; polysilicon ; lorentz force ; suede structure

PDF (3798KB) 元数据多维度评价相关文章导出 EndNote| Ris| Bibtex 收藏本文

本文引用格式

宋建宇, 李想, 王启安, 沈龙海, 齐东丽, 冯瑜, 陈建金. 磁场方向对碱腐蚀构建多晶硅绒面结构的影响. 材料研究学报[J], 2021, 35(9): 682-688 DOI:10.11901/1005.3093.2020.532

SONG Jianyu, LI Xiang, WANG Qian, SHEN Longhai, QI Dongli, FENG Yu, CHEN Jianjin. Effect of Magnetic Field Direction on Suede Structure of Alkaline Solution Corroded Polysilicon. Chinese Journal of Materials Research[J], 2021, 35(9): 682-688 DOI:10.11901/1005.3093.2020.532

目前，多晶硅太阳能电池占据太阳能电池市场的大部分份额，随着绿色发展战略的推进其在各领域的应用越来越多。为了降低光反射率提高多晶硅太阳能电池的光电转换效率，制备多晶硅电池板表面绒面结构极为重要。现在酸性刻蚀技术是制备多晶硅太阳能电池绒面的主要技术，其光反射率普遍高于20%。虽然酸性刻蚀工艺简单且成本不高，但是效果不尽如人意且污染环境。因此，人们越来越重视对晶硅绒面结构技术的研究^[1]。多晶硅片绒面结构技术，分为干式织构技术和湿式织构技术。干式织构技术包括机械刻槽^[2,3]、激光刻蚀^[4-7]和反应离子刻蚀^[8]，湿式织构技术包括酸性蚀刻技术^[9-12]和碱性蚀刻技术^[13~16]。Zechner等^[2]用机械刻槽方法制备的多晶硅绒面结构，硅片的反射率为 18.4％。机械刻槽虽然工艺简单且环境友好，但是要求硅片厚于200 μm且表面损伤严重。王学孟等^[6]应用激光刻蚀技术制备的多晶硅绒面结构最低反射率约为10%，但是引入硅片表面的缺陷使处理成本提高。Yoo等^[8]用反应离子腐蚀技术制备的多晶硅绒面结构反射率为13.3%，但是使硅片表面缺陷增多并使处理成本提高。钱勇等^[9]用酸性蚀刻技术制备的多晶硅绒面结构，反射率约为20%。碱性蚀刻技术用氢氧化钠溶液腐蚀多晶硅片制备绒面结构，可将反射率降低到20%左右。但是碱性蚀刻技术是各向异性腐蚀，易在硅片表面形成不利于后续工艺的断层状结构^[13]。碱性蚀刻技术的优点是工艺简单、成本不高，特别是不污染环境，其工业应用价值很高。Gangopadhyay等^[13]、王坤霞等^[14] 改进了碱性蚀刻技术，分别在碱溶液中增加添加剂抑制断层状结构，得到的绒面结构较为均匀其硅片反射率达到20.5%。常雪岩等^[15]研究了碱液浓度和腐蚀时间对多晶硅表面反射率的影响，制备的多晶硅片反射率为19.5%。

强磁场对材料处理有显著的影响，在其应用过程中无接触、无污染、无损伤、有方向、可直接作用于离子等微观粒子^[17]。蔡爽巍等^[18]研究了磁场对铁在不同电位高氯酸钠溶液中阳极溶解的影响，发现在磁场中高速溶解后铁电极表面出现月牙形局部腐蚀形貌；赵静等^[19]研究了在磁场作用下十二烷基苯磺酸钠对阳极铝箔的缓蚀性能及比电容的影响，发现与无磁致涡流(MHD, Magnetohydrodynamics)作用制备的腐蚀箔相比，在MHD作用下制备的腐蚀箔缓释效率和比电容分别提高了15.10%和10.03%；宋建宇等^[20]研究了磁场对碱液腐蚀制备多晶硅绒面结构的影响，发现随着磁感应强度的提高硅片的绒面结构增强，减反射效果显著；已有的研究表明，磁场对不同的腐蚀过程都有显著的影响。本文研究强磁场方向对碱液腐蚀制备多晶硅绒面结构的影响。

1 实验方法

实验用样品为硼掺杂P型多晶硅片，尺寸为20.00 mm×20.00 mm×0.18 mm。将硅片用超声波清洗，然后用电子天平称其质量。

分别将样品A板和B板置于零场和2T、4T磁场的中心，样品A板平面平行于磁场方向，样品B板平面垂直于磁场方向。将样品置于温度为80℃、浓度为10%的氢氧化钠溶液中腐蚀10 min，将其干燥后称其质量。

用奥林巴斯LEXT OLS4100共聚焦显微镜观察多晶硅片的表面形貌；用Ocean Optics USB4000 光谱仪测量多晶硅片的反射率；用WT-1200硅片测试仪测量样品表面的少子寿命，取25个样点取其结果的平均值。

多晶硅片在氢氧化钠溶液中不同条件下的腐蚀程度为

D = \frac{m_{f} - m_{b}}{m_{f}} \times 100 %

(1)

其中m_f为碱液腐蚀前多晶硅片的质量，m_b为腐蚀后多晶硅片质量。

2 实验结果

在零磁场和2T、4T磁场中，在温度为80℃、浓度为10%的碱溶液中保温10 min后多晶硅片的形貌和表面三维高度，如图1、2和图3所示。可以看出，与在零场中(图1)相比，在2T、4T磁场中处理(图2、3)的多晶硅片变化显著。在相同的参数条件下，零场处理的硅片颜色较淡(呈灰色)；而磁场处理的硅片，随着磁感应强度的提高其颜色由灰色逐渐变为黑色；在零场下在浓度为10%的碱溶液中保温10 min的多晶硅片呈尖角状的绒面结构分布于多晶硅片表面(图1a)，绒面结构的的尺寸大小(尖角一边)分布不均匀，较大绒面结构的尺寸数量级达到10 μm，而且碱性刻蚀技术所特有的断层状结构在硅片表面分布显著，硅片表面高度落差较大(图1b)。与零场处理的多晶硅片相比，在磁场中相同热处理的多晶硅片其表面的绒面结构尺寸大小均匀分布，且断层状结构趋于细腻(图2a、图2c、图3a、图3c)，表面高度虽然凹凸起伏(图2b、图2d、图3b、图3d)，但是高度落差显著小于零场处理的硅片。

图1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1 在零磁场条件下处理的多晶硅片其形貌和表面三维高度

Fig.1 Morphology (a) and three-dimensional surface height (b) of Polysilicon treated in zero magnetic field

图2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2 在2T磁场中处理的多晶硅片其形貌和表面三维高度

Fig.2 Morphology (a and c) and three-dimensional surface height (b and d) of Polysilicon treated in 2T magnetic field

图3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3 在4T磁场中处理的多晶硅片其形貌和表面三维高度

Fig.3 Morphology (a and c) and three-dimensional surface height (b and d) of Polysilicon treated in 4T magnetic field

同时，在腐蚀过程中磁感应强度相同的条件下，板平面垂直于磁场方向的样品B与板平面平行于磁场方向的样品A(图2a和图2c, 图3a和图3c)相比，整体颜色稍深，呈尖角状的绒面结构更加均匀细腻，在强度为2T的磁场中绒面结构的尺寸大小为5 μm数量级，磁场强度为4T时小于3 μm，尤其是样品B的断层状结构显著弱于样品A，显著优化，与样品A(图2b与图2d、图3b与图3d)相比，样品B更加细腻，样品A的高度落差更大，表面凸凹程度更显著。

3 讨论

在不同磁场中处理的多晶硅片的腐蚀程度，如图4所示。零磁场处理的硅片其腐蚀程度为2.1%，磁场强度为2T时样品A的腐蚀程度为3.5%，磁场强度为2T时样品B的腐蚀程度为3.9%，而磁场强度为4T时样品A的腐蚀程度为6.0%，样品B的腐蚀程度为6.3%。由图4可见，随着磁场强度的提高多晶硅片的腐蚀程度随之提高。而在磁感应强度相同的条件下，样品B的腐蚀程度稍高。

图4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4 在不同强度磁场中处理多晶硅片的腐蚀程度

Fig.4 Corrosive degree of Polysilicon treated in different magnetic field

在零场和2T、4T磁场作用下，在温度为80℃、浓度为10%的碱溶液中保温10 min后多晶硅片的反射率，如图5所示。可以看出，随着入射光波长的增大硅片的光反射率先减小，在入射光波长为500 nm~750 nm时硅片的光反射率达到低值，当入射光波长大于750 nm后随着波长的增大硅片反射率提高。硅片反射率处于低值时光的吸收更充分，零场场条件下处理的硅片反射率为23.9%，2T磁场下处理的硅片样品A的反射率为18.2%而样品B的反射率为17.5%，4T磁场下处理的硅片样品A的反射率为15.0%而样品B的反射率为14.5%。由图5可见，在碱液腐蚀制备多晶硅绒面结构过程中强磁场对硅片的减反射效果影响显著，而且在磁感应强度相同的条件下板平面垂直于磁场方向放置硅片时减小光反射率效果更加显著。这个结果，与共聚焦显微镜表征的图片给出的结果一致。

图5

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图5 在不同磁场中处理多晶硅片的光反射率

Fig.5 Optical reflectivity of Polysilicon treated in different magnetic field

在零场和2T、4T磁场作用下，在温度为80℃、浓度为10%的碱溶液中保温10 min后多晶硅片的少子寿命测量结果，如图6所示。

图6

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图6 在不同磁场中处理多晶硅片的少数载流子寿命

Fig.6 Minority carrier lifetime of Polysilicon treated in different magnetic field

由图6可见，在零场下腐蚀处理的硅片其少子寿命为1.6692 μs，在2T磁场下处理的硅片样品A少子寿命为1.3987 μs而样品B少子的寿命为1.4052 μs，在4T磁场下处理的硅片样品A少子寿命为1.2492 μs而样品B少子的寿命为1.2575 μs。随着磁感应强度的提高多晶硅片的少子寿命有减少的趋势，而在磁感应强度相同的条件下与板平面平行于磁场方向放置处理的硅片样品A相比，板平面垂直于磁场方向放置处理的硅片样品B的少子寿命稍有延长。

在零场和2T、4T磁场作用下，用NaOH溶液腐蚀制备多晶硅绒面结构，随着磁感应强度的提高绒面结构和断层状结构的尺寸变得更加细腻，多晶硅片腐蚀程度的提高使硅片的反射率和少子寿命降低；而在磁感应强度相同的条件下与板平面平行于磁场方向放置的硅片样品A相比，板平面垂直磁场方向放置的硅片样品B的绒面结构和断层状结构尺寸更加细腻，硅片腐蚀程度提高，反射率更低，少子寿命更长。这是在多晶硅片的腐蚀过程中腐蚀液与磁场共同作用的结果。

在多晶硅片的腐蚀过程中腐蚀液为NaOH溶液，在80℃条件下NaOH溶液与多晶硅的反应过程为

S i + 6 O H^{-} \to S i {O_{3}}^{2 -} + 3 H_{2} O + 4 e^{-}

(2)

2 H^{+} + 2 e^{-} \to H_{2} ↑

(3)

总反应式为

S i + 2 N a O H + H_{2} O = N a_{2} S i O_{3} + 2 H_{2} ↑

(4)

在反应过程中OH^-破坏硅片表面Si原子的共价键发生硅片的腐蚀，多晶硅片表面晶粒的晶向和Si原子悬挂键数量的不同，使OH^-腐蚀表面晶粒的速度不同，结果是出现了如图1所示的断层状结构。同时，在此过程中在硅片表面产生气泡(如式3和4所示)，使反应速度显著降低。

在腐蚀过程中施加磁场后，沿着磁场方向Brownian运动的OH^-离子不受磁场影响，而Brownian运动方向与磁场方向不完全一致的OH^-离子受Lorenz力作用。在两次碰撞之间的自由时间里由直线运动变成曲线运动。这种变化一方面延长了运动路径，从而提高了OH^-离子与Si原子作用的几率；另一方面在Lorenz力作用下带电粒子的直线运动变为曲线运动，在宏观上运动路径延长成一种搅拌。这种搅拌使腐蚀过程中产生的气泡更快挥发，而且使反应产物尽快扩散，提高了OH^-离子与硅原子共价键作用的几率从而显著提高了腐蚀速度，在反应时间不变的情况下使腐蚀程度提高。这表明，在腐蚀过程中磁场强度的提高使腐蚀速度提高，绒面结构和断层状结构尺寸更加细腻，在表面面积不变的情况下绒面结构数量增加，从而使光照射时反射次数增加而光反射率降低。同时，绒面结构数量的增加使表面复合机构随之增加，使少子的寿命降低。

在磁场强度相同的条件下，硅片样品B板平面垂直于磁场方向放置，使沿着磁场方向运动的OH^-离子不受磁场力作用；而运动方向与磁场方向不完全一致的OH^-离子受磁场的Lorenz力作用，在两次碰撞之间的自由时间里其运动由直线运动变成曲线运动，从而提高了与Si原子作用的几率，尤其是这样的硅原子分布于磁场方向的旁侧(包括腐蚀形成的断层状结构的突出部分)，既提高了与磁场方向不同的硅原子的腐蚀速度从而使绒面结构变得细腻，也在多晶硅碱液腐蚀过程中出现的不利于后续处理的断层状结构受到抑制；硅片样品A板平面平行于磁场方向放置，因此沿着磁场方向运动的OH^-离子不受磁场力作用，这些OH^-离子直接作用于绒面结构和断层状结构。沿着其他方向运动的OH^-离子(包括垂直作用于硅片板平面上的OH^-离子)在Lorenz力作用下其运动轨迹变成曲线，提高了与硅原子作用几率。也就是，受磁场作用最强、垂直于磁场方向运行的OH^-离子作用于样品A上使其腐蚀更严重，而作用于样品B时是作用于断层状结构从而使其断层状结构更细腻。因此与样品A相比样品B的绒面和断层状结构细腻程度更加显著、使硅片腐蚀程度更强、反射率更低。但是对于硅片样品A，垂直作用在硅片板平面上的OH^-离子的作用效率更高，使其高度落差更大和引入的载流子复合中心更多，因此样品A的少子寿命比样品B的短。

4 结论

(1) 在零磁场和2T、4T磁场中用NaOH溶液腐蚀制备多晶硅绒面结构，随着磁感应强度的提高溶液中的带电粒子受磁场的Lorenz力作用增大，使多晶硅片的腐蚀速度提高、腐蚀程度增强、绒面结构和断层状结构尺寸更加细腻、光反射率降低和少子寿命降低。

(2) 在磁感应强度相同的条件下，碱液中沿着磁场方向运动的OH^-离子不受磁场力作用；而运动方向与磁场方向不完全一致的OH^-离子受磁场的Lorenz力作用，使不同方向上硅原子的腐蚀效率不同。因此板平面垂直于磁场方向的硅片样品腐蚀更严重，绒面和断层状结构细腻程度更显著，少子的寿命更长，反射率更低。磁感应强度为4T时制备的多晶硅绒面结构其反射率降低到14.5%。在施加强磁场用碱液腐蚀制备多晶硅绒面结构过程中，板平面垂直于磁场方向放置硅片其减反射效果更显著。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

Zhou

Z Z

, Wu

, Feng

K P

A review on surface texturing technology for multicrysstalline silion

[J]. Materials Reports, 2015,29(5): 55