專利名稱：玻璃的研磨-蝕刻紋理化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種紋理化基材的方法，所述基材用于諸如薄膜硅太陽能電池和組件 之類的應(yīng)用中，其中所述電池形成在異質(zhì)基材上。
背景技術(shù)：
在早期有關(guān)在異質(zhì)基材比如玻璃上形成薄膜結(jié)晶硅太陽能電池的研發(fā)中，曾經(jīng) 推測(cè)玻璃基材(如硼硅和鈉鈣玻璃)的紋理化會(huì)提高捕光并藉此增加器件電流。然而 各種直接紋理化方法已經(jīng)被提出并進(jìn)行了試驗(yàn)，但都沒有產(chǎn)生預(yù)期的改進(jìn)并且有一些方 法還會(huì)導(dǎo)致器件特性的損失。當(dāng)1998年披露了一種"溶膠-凝膠紋理化"(珠粒涂布 (bead-coating))工藝并發(fā)現(xiàn)可以減少分流問題后，人們對(duì)直接紋理化玻璃失去了興趣，轉(zhuǎn) 而關(guān)注使用溶膠_凝膠紋理化層。然而珠粒涂布工藝產(chǎn)生了由平坦表面區(qū)域分隔的表面形 貌(surface feature)，反而是更隨機(jī)且完整的表面紋理化可以產(chǎn)生好的效果。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)第一方面，用于紋理化基材的表面的方法包括如下步驟i)在基材的待紋理化的表面內(nèi)形成微-裂痕(micro-fracture)；ii)蝕刻基材的待紋理化的表面。所述蝕刻步驟優(yōu)選使微_裂痕裂開并除去微弱附著的物質(zhì)。這樣制備的基材尤其可用于制造硅-玻璃薄膜太陽電池(silicon-on-glass thin film solar cell)，為此阻擋層和硅可以沉積到紋理化的玻璃片材上，隨后進(jìn)行紋理化步 驟并形成PV組件。優(yōu)選地，用于薄膜晶體硅-玻璃(crystalline silicon on glass，縮寫為CSG)光 電組件的基材是玻璃片材，諸如硼硅玻璃(BSG)片材。在基材表面內(nèi)形成微_裂痕的方法優(yōu)選包括使用砂粒撞擊或研磨用于紋理化的 基材的表面。這可以包括干噴砂處理、用漿料研磨(lapping with aslurry)、砂紙研磨或濕 噴砂處理。蝕刻可以使用氫氟酸(HF)溶液對(duì)具有微-裂痕的表面進(jìn)行酸蝕刻，以除去零散的 或破碎的玻璃夾雜物。蝕刻優(yōu)選進(jìn)行至微-裂痕裂開，并且形成"U"形凹部，同時(shí)基本上 除去夾雜物。若干種方法可用于研磨玻璃基材，例如i)砂紙研磨(此處的通用術(shù)語"砂紙"用來表示任何用紙或織物支撐的研磨板， 不考慮支撐物或其上攜帶的研磨砂粒的種類)；ii)使用研磨用漿料在金屬研磨板上手工研磨；iii)使用轉(zhuǎn)盤研磨；iv)使用軌道式磨砂機(jī)研磨；V)使用研磨用砂粒干噴處理；或
vi)使用研磨用砂粒濕噴處理。優(yōu)選的研磨方法包括使用干噴砂機(jī)和研磨用砂粒撞擊所供給玻璃的一面。(這里 使用通用術(shù)語"噴砂"，但是使用的研磨物可以不是砂。)研磨用砂粒優(yōu)選碳化硅粉末，不過其它材料也可以使用，諸如氧化鋁(礬土)、剛 玉、立方氮化硼(CBN)、碳化硼、氧化鋯/氧化鋁合金、碎玻璃、玻璃珠、橄欖石砂、珍珠巖級(jí) 砂(perlite graded sand)、切削金屬絲、鋼丸或鋼砂?？梢允褂?00-1200目的研磨用砂，優(yōu)選使用800目的碳化硅粉末。優(yōu)選地，酸蝕刻使用在1-20% [w/w]范圍內(nèi)的氫氟酸水溶液進(jìn)行，優(yōu)選使用5% [w/w]的氫氟酸溶液進(jìn)行?？梢允褂煤线m的緩沖溶液諸如NH/水溶液對(duì)HF進(jìn)行緩沖。將 50% [w/w]的 HF 禾口 40% [w/w]NH4F 以 1 6-1 7HF NH4F[v/v]的比率混合而制備得 到緩沖的HF。蝕刻時(shí)間優(yōu)選最好是能除去破碎玻璃夾雜物同時(shí)保持足夠細(xì)密的紋理化，以 用于良好捕光，并且蝕刻時(shí)間的改變?nèi)Q于其它因素，諸如玻璃的種類、酸濃度、溫度和在 微破裂步驟(miro-fracturing step)中使用的砂粒尺寸。對(duì)于使用粒度為800目的砂粒 來研磨硼硅玻璃的情況，使用5% [w/w]HF在24°C下蝕刻12分鐘被認(rèn)為是有效的。清洗步驟優(yōu)選在微破裂步驟之后，以避免對(duì)HF蝕刻槽的過度污染。清洗步驟可以 包括在水中清洗和擦拭以除去零散的玻璃和磨屑。清洗步驟可以優(yōu)選使用玻璃沖洗機(jī)進(jìn) 行。附圖簡述下面參考附圖和照片對(duì)紋理化方法的實(shí)施方案加以描述，其中

圖1示意性示出了在使用軌道式磨砂機(jī)研磨過程中的基材；圖2顯示了研磨板的底視圖；圖3示意性示出了正在特別設(shè)計(jì)的研磨裝置中研磨的基材；圖4示意性示出了正在使用手持噴砂槍進(jìn)行噴砂處理的基材；圖5示意性示出了正在自動(dòng)噴砂裝置進(jìn)行噴砂處理的基材；圖6顯示了在酸蝕槽中進(jìn)行蝕刻的數(shù)個(gè)基材；圖7示意性示出了在蝕刻布置中的備選噴射；圖8(a)-(o)分別是經(jīng)噴砂處理的基材在5 % [w/w]HF內(nèi)酸蝕刻0，1，2，4，7，10，12 和15分鐘后的掃描電子顯微鏡(SEM)照片，其中(a)-(h)的放大率為10000倍，(i)-(p)的 放大率為3000倍；圖9 (a)和(b)分別是噴砂處理過的基材在5 % [w/w] HF中酸蝕刻10分鐘之前(a) 和之后(b)的光學(xué)顯微鏡照片；圖10用圖示說明了不同的蝕刻時(shí)間對(duì)于效率(Eff)，電壓(Vai)和電流(JJ的影 響結(jié)果；圖11用曲線說明了小型組件效率與磨料尺寸的對(duì)應(yīng)關(guān)系(較高的數(shù)值意味著較 細(xì)砂粒)；圖12示意性示出了陡峭紋理所需的原子H和少數(shù)載流子擴(kuò)散長度(minority carrier diffusion lengths)減少；以及圖13說明對(duì)于微_裂痕及蝕刻紋理化的基材，提高了光向硅的偶合。紋理化方法的詳細(xì)說明
將描述一種簡單的用于紋理化硼硅玻璃(BSG)基材的方法，該基材可用于薄膜晶 體硅-玻璃(CSG)光電組件。該方法包括通過撞擊或研磨所供給玻璃的一面(例如使用具 有800目碳化硅粉末的噴砂機(jī)或使用在水中的800目碳化硅粉末漿料來研磨)，以在玻璃基 材的表面上形成微_裂痕，隨后進(jìn)行清洗步驟和酸蝕刻(優(yōu)選在5% [w/w]HF酸中)(這里 使用通用術(shù)語"噴砂"，即使所使用的研磨物不是砂)。最佳的酸蝕刻時(shí)間是使微-裂痕 裂開并除去破碎玻璃夾雜物，同時(shí)保持足夠細(xì)密紋理以用于良好捕光(最佳地，在使用800 目的研磨劑研磨之后進(jìn)行的情況下，為12分鐘)。隨后，阻擋層和硅被沉積到紋理化玻璃上 并形成PV組件。研磨-蝕刻紋理化的玻璃基材在用于CSG組件時(shí)，產(chǎn)生的結(jié)果是記錄短路 電流密度(Js。)和能量轉(zhuǎn)換效率(Eff)，與珠粒涂布紋理化相比，其能顯著降低硅中短裂紋 (crack)的數(shù)目并改善整體外觀，因而可以得到更美觀的最終產(chǎn)品。很多技術(shù)可以用來在用 作薄膜硅-玻璃太陽能電池基材的玻璃片表面中形成微-裂痕。這些技術(shù)包括若干種撞擊 和研磨方法，這些方法可以使玻璃表面裂痕基本上均勻，從而產(chǎn)生均勻分布的微-裂痕。除了使用軌道式磨砂機(jī)和干噴砂處理來研磨外，也試驗(yàn)了其它的研磨方法，包括 使用砂紙研磨、使用碳化硅漿料在鑄鐵研磨板上手工研磨、使用轉(zhuǎn)盤研磨和濕噴砂處理。這 些方法中的大多數(shù)能夠得到可以接受的結(jié)果，但效率較低，成本較高或更不易應(yīng)用于實(shí)際 生產(chǎn)。砂紙研磨慢(每15 X 15厘米樣品要耗時(shí)30分鐘)，要使用大量砂紙(實(shí)際中使用 防水SiC紙)，還易于產(chǎn)生深劃痕，這隨后導(dǎo)致硅膜中產(chǎn)生可見的不合格裂紋。在研磨板上使用碳化硅漿料的手工研磨較快(每15 X 15厘米樣品耗時(shí)5分鐘)。 它與砂紙相比更均勻，但仍然在硅膜上產(chǎn)生不符合要求的劃痕和裂紋。使用軌道式磨砂機(jī)研磨均勻并得到明顯無擦傷的表面。處理樣品的時(shí)間(對(duì)于一 個(gè)39X30厘米的片材，約60分鐘)在很大程度上取決于玻璃片最初的平坦程度。使用小轉(zhuǎn)盤的研磨可以避免與使用輕微翹曲玻璃開始的情況相關(guān)的問題，因?yàn)樾?的盤可以跟隨片材的薄的、長程輪廓(shallow，long-rangecontours)。這種工藝可能產(chǎn)生 劃痕且難以擴(kuò)大規(guī)模。干噴砂處理不會(huì)產(chǎn)生劃痕，不受翹曲基材的影響并且易于擴(kuò)大規(guī)模以用于工業(yè)規(guī) 模組件。濕噴砂處理系統(tǒng)慢并且昂貴，迄今為止其結(jié)果也沒有像干噴砂處理那樣良好。下面詳細(xì)描述兩種最優(yōu)選的研磨工藝。軌道式研磨(orbitallapping)對(duì)于軌道式研磨，將待紋理化的玻璃片材(例如，肖特耐熱玻璃 (SchottBorofloat))水平安置在一個(gè)平坦的支承面上，使其待紋理化的一面向上。在用于 典型試驗(yàn)的方法中，如圖1所示，利用真空卡盤12或應(yīng)用于樣品拐角的粘合帶將片材11固 定?；蛘?，可以使用一層介于玻璃和支承面之間的水膜將玻璃固定在適當(dāng)位置。大約20毫 升碳化硅漿料17(800目-砂以100克每升的比率置于水中)涂敷到待紋理化的玻璃表面。 通過真空泵16為卡盤12提供真空，真空泵16經(jīng)由真空軟管15與卡盤的真空室13連接。 卡盤表面的孔14連通真空至基材11底部，使其保持至卡盤12上。配備有凹槽型鋁研磨板18的軌道式磨砂機(jī)19，位于待紋理化的表面上，使得漿料 膜鋪展在磨砂機(jī)的研磨板18和基材11之間。參考圖2，所提供的研磨板18的底視圖顯示凹槽21，凹槽21在垂直交叉陰影線形成的圖案中約1mm寬并且相隔大約25mm的間距，從而 容許空氣從板底部進(jìn)入以便于研磨板在玻璃表面上的移動(dòng)。當(dāng)磨砂機(jī)啟動(dòng)以開始研磨玻璃表面時(shí)，操作員引導(dǎo)磨砂機(jī)慢慢經(jīng)過被紋理化表面 的每一部分。磨砂機(jī)需要少量的或不需要附加的向下的力，該磨砂機(jī)通過其自身重量可得 到足夠的向下的力。操作員可能必需定期添加新鮮漿料，并繼續(xù)研磨表面直至表面均勻無 光澤。對(duì)于39X30厘米的玻璃片，這種情況將持續(xù)約60分鐘。加工時(shí)間在很大程度上取 決于樣品最初的平坦程度。在樣品被完全地研磨之后(具有一個(gè)完全無光澤面)，將其徹底 清洗以除去研磨用砂粒。清洗并使用布擦拭就足夠了。如果需要，玻璃還可以在玻璃沖洗 機(jī)中沖洗。在生產(chǎn)環(huán)境中，更大的研磨裝置可以被證明是有利的，其可以容許玻璃板的整 個(gè)表面同時(shí)被研磨，如圖3所示。研磨板28可以通過機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置31經(jīng)過彈性襯套 (flexible bush) 29連接至遠(yuǎn)距離驅(qū)動(dòng)裝置(未顯示)。(還可以經(jīng)過液壓聯(lián)動(dòng)裝置連接以 最小化安全問題。)研磨板28的尺寸可以是足以覆蓋待紋理化片材。這可能需要一種連接 (articulated)的研磨板或多個(gè)分離的研磨板以適應(yīng)不完全平坦的表面?；蛘哐心タ梢酝?過使研磨帶經(jīng)過片材進(jìn)行，其從研磨位置(abrasion station)的下方或上方通過。在這種 設(shè)備中，漿料材料可以在壓力下通過研磨板的噴口供給至表面以代替從邊緣漏出的漿料材 料。流出的漿料材料可以被收集并回收。噴砂處理使用噴砂處理法在玻璃基材的表面形成微_裂痕需要適于與精細(xì)研磨用砂粒同 時(shí)使用的噴砂機(jī)。在噴砂機(jī)中，壓縮空氣流經(jīng)多孔石進(jìn)入研磨用砂粒的儲(chǔ)存器，使顆粒飄浮 并運(yùn)載它們至常規(guī)的噴砂槍。壓縮空氣的高壓鼓風(fēng)機(jī)將顆粒從槍中以高速射出。關(guān)于圖4，優(yōu)選的方法包括以下步驟 放置真空卡盤12，真空卡盤12能夠保持噴砂機(jī)機(jī)柜51內(nèi)部的工件處于適于噴 砂的有利位置及角度。安置卡盤，使玻璃11的一面暴露于噴砂機(jī)并且另一面被防護(hù)。真空 泵16通過過濾器52來阻止研磨用砂粒進(jìn)入； 將玻璃樣品放置在真空卡盤上并且啟動(dòng)真空泵的電機(jī)以保持樣品在這個(gè)位置； 關(guān)閉噴砂機(jī)機(jī)柜門56 ； 接通噴砂機(jī)以開啟吸塵系統(tǒng)93和空氣壓縮機(jī)92 ； 打開壓縮空氣閥53并調(diào)節(jié)清潔管路57上的壓力以給予足夠的壓縮空氣流動(dòng)， 使其通過多孔石91和研磨用砂粒工作臺(tái)94，使大量研磨用砂粒云飄浮并將其運(yùn)載至噴槍 58 ； 按下腳踏開關(guān)55以打開壓縮空氣鼓風(fēng)管59并調(diào)節(jié)鼓風(fēng)壓力； 一旦清潔壓力和鼓風(fēng)壓力被設(shè)定，對(duì)樣品的噴砂處理便可以開始； 使噴槍58的噴砂61在基材11上前后掃描，稍稍重疊掃描區(qū)。在典型系統(tǒng)中，噴 槍58是手持式的。重要的參數(shù)是噴槍58和基材11之間的距離、在樣品之上的掃描速度、 在掃描和噴槍的噴砂入射角之間的重疊。這些取決于所使用的設(shè)備； 持續(xù)噴砂至原始表面的鏡面反射消失。對(duì)于一個(gè)15X15厘米的樣品，這可能需 要數(shù)幾分鐘。加工時(shí)間在很大程度上取決于所使用的噴砂參數(shù)。如果樣品的某些部分其它 的部分處理得更多，這并不重要，但每部分至少應(yīng)該處理一次。
在樣品被微-裂痕完全覆蓋之后(具有一個(gè)完全無光澤面)，將其徹底清潔以除去 研磨用砂粒。清洗并使用布擦拭便足夠了。備選地，玻璃還可以在玻璃沖洗機(jī)中沖洗。此外，還需要一些規(guī)?；妥詣?dòng)化的特性，以使這種研磨方法適用于生產(chǎn)環(huán)境。一 種可能的自動(dòng)化解決方案示于圖5，其中水平承載玻璃片材11的真空卡盤12反過來安置在 一維平移裝置74的滑片上，該平移裝置可以在"X"方向使玻璃在噴砂槍71下面來回移 動(dòng)。噴槍71安裝在托架75上，托架在另一個(gè)一維平移裝置76的滑片上移動(dòng)，該平移裝置 在“Y”方向上相對(duì)于玻璃來回移動(dòng)噴砂槍71。碳化硅和空氣通過孔72，73傳遞給噴槍71。 滑片部件的運(yùn)動(dòng)將由程序控制的X和Y軸發(fā)動(dòng)機(jī)77，78來驅(qū)動(dòng)。這些發(fā)動(dòng)機(jī)將安裝在噴砂 處理機(jī)柜的外部(未顯示)以保護(hù)它們不被研磨用砂粒所損傷。將噴槍71連接到Y(jié)軸滑 片上的支架79能夠在第三正交方向‘Z’上調(diào)整噴槍和基材之間的距離。該支架還能夠調(diào) 節(jié)砂粒撞擊基材的角度e。該裝置控制掃描速率、重疊、工作距離和砂粒對(duì)玻璃片的撞擊角 度。氫氟酸飩刻樣品在被蝕刻以前應(yīng)該是清潔的、干燥的并處于室溫。參考圖6，對(duì)于酸蝕刻步驟，基材11浸于由貯槽41容納的5% [w/w]的氫氟酸浴 42 (氫氟酸浴應(yīng)位于通風(fēng)櫥中)中至所需要的蝕刻時(shí)間。根據(jù)玻璃的種類、研磨工藝條件和 蝕刻溫度確定最佳蝕刻時(shí)間。通常，使用800SiC砂粒研磨后的肖特耐熱玻璃可以在19°C時(shí) 蝕刻15分鐘，24°C時(shí)蝕刻12分鐘或26°C時(shí)蝕刻10分鐘。多個(gè)基材11可以懸吊在臺(tái)架43 上并同時(shí)蝕刻。基材可以被搖動(dòng)或攪拌蝕刻劑以實(shí)現(xiàn)在相同溫度下更快地蝕刻。無需保護(hù) 未研磨表面受到酸蝕刻劑的損害。還可以使用緩沖的HF (包括諸如氟化銨NH4F之類的緩沖劑和氟化氫)，而不使用 無緩沖的HF溶液。另一種備選蝕刻設(shè)備如圖7所示，圖7顯示了通過運(yùn)載皮帶84或輥(未圖示)被 轉(zhuǎn)移至加工區(qū)域的玻璃片材83。供給歧管79提供了在水中的5% [w/w]HF至噴頭81，其噴 射HF82到玻璃片83上，過剩的HF86收集在貯槽85中并通過排放口 87再循環(huán)。合適的緩 沖溶液可以是6. 5% HF和于水中的35% NH4F[w/W]。通風(fēng)櫥88中的風(fēng)扇81將從加工區(qū)域 中逸出的煙霧排出。在蝕刻之后，玻璃片材被輸送至相鄰區(qū)域進(jìn)行干燥。基材可以通過例 如使用干氮吹風(fēng)或空氣烘焙等方式干燥?？諝飧稍锟梢栽?50-500°C的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，并 優(yōu)選在430°C (士20°C )時(shí)進(jìn)行15分鐘(士 1分鐘)。在徹底干燥之后，基材準(zhǔn)備進(jìn)行后續(xù)處理，包括沉積阻擋層和硅，其通常包括二氧 化硅層、氮化硅層和2. 0-2. 4微米的硅。硅層通常是無定形層，隨后結(jié)晶形成多晶的層。工藝優(yōu)化和結(jié)果當(dāng)基材被紋理化后由于實(shí)現(xiàn)了光捕集的提高，在如硼硅或鈉鈣玻璃之類的異質(zhì)基 材上形成的薄膜結(jié)晶硅太陽能電池在太陽能電池性能方面得到顯著提升。使用珠粒涂布工 藝的現(xiàn)存方法就所實(shí)現(xiàn)的效果和使用的工藝而言具有某些缺點(diǎn)。說明書中描述的微-裂痕 和蝕刻工藝證明了能導(dǎo)致測(cè)量裝置性能的提高。它還從最終的裝置結(jié)構(gòu)中清除沉積層(珠 粒+溶膠_凝膠)，并消除了制造工藝中的若干步驟。當(dāng)在形成表面微_裂痕的工序(諸如通過表面研磨)之后進(jìn)行酸蝕刻時(shí)，所觀察 到的簡單HF蝕刻對(duì)微_裂痕的玻璃表面的影響是十分意外的。蝕刻并不僅僅使粗糙的玻璃表面平滑，還代之以留下精細(xì)-紋理化的具有幾個(gè)微米的特征尺寸的表面，該特征尺寸 在可用于光捕集應(yīng)用的特征尺寸范圍之內(nèi)。粗糙表面的光散射，這是紋理化表面為實(shí)現(xiàn)光 捕集所應(yīng)具備的功能，在蝕刻的初始階段期間實(shí)際上會(huì)增加。但在沒有進(jìn)一步蝕刻的情況 下，電池輸出將因紋理化的粗糙性質(zhì)所帶來的其它影響而降低。觀察圖8(a)_(p)，其展示了 基材表面在5% [w/w]的HF中蝕刻0，1，2，4，7，10，12，15分鐘后在放大率為10，000倍時(shí) 的掃描電鏡(SEM)照片(分別是圖8(a)-(h))，以及這些樣品在放大率為3，000倍時(shí)的掃 描電鏡照片(分別是圖8(i)-(p))，由此可見，通過撞擊或研磨步驟所制備的損傷表面具有 微-裂痕和夾雜物，而且這些應(yīng)變區(qū)(strained region)與較少損傷的材料相比會(huì)被更快 地蝕刻?？梢杂^察到，隨著蝕刻時(shí)間的延長，微-裂痕裂開并且形成"U"形凹部，同時(shí)基本 上除去夾雜物。圖9的圖像是反射圖像。在圖9(a)中所看到的未蝕刻研磨表面具有大量的破碎 玻璃夾雜物，其表現(xiàn)為白色區(qū)域。這些是完全反射的(從任一邊)，因此不利于器件電流。 在這樣的表面上制備的器件還顯示出極低的電壓。如圖9(b)所示，在蝕刻10分鐘之后，反 射夾雜物被移除并且表面被1-5微米尺寸的小圓形特征所覆蓋。特征尺寸能夠利用不同尺 寸的研磨用砂粒以及不同的工藝條件如噴砂壓力來控制至一定程度。為了最佳的裝置性能，紋理化工藝需要同時(shí)在玻璃表面上形成微_裂痕(諸如通 過研磨)以及化學(xué)蝕刻。對(duì)玻璃進(jìn)行蝕刻(僅僅使用HF酸)而不首先形成表面微-裂痕 不能產(chǎn)生紋理化。在玻璃上形成微-裂痕的表面，但在硅沉積之前并不蝕刻的情況下，所生 產(chǎn)的裝置具有非常低的電壓。對(duì)蝕刻時(shí)間優(yōu)化之后，在微-裂痕以及蝕刻紋理化的玻璃上 制造的裝置具有優(yōu)良的電流和電壓，其結(jié)果是微-裂痕及蝕刻紋理化組件通常達(dá)到與類似 地制造太陽能電池結(jié)構(gòu)的珠粒涂布的組件所實(shí)現(xiàn)的最好結(jié)果相等或超越該最好結(jié)果的效 率。微-裂痕及蝕刻紋理化的組件還通常地實(shí)現(xiàn)了比珠粒涂布組件所實(shí)現(xiàn)得到的短路電流 密度(Js。)更高的短路電流密度。HF蝕刻時(shí)間的影響參考圖10，對(duì)效率具有最大影響的參數(shù)是在HF酸中的蝕刻時(shí)間。隨后所形成器件 的電流和電壓兩者均基本上受基材蝕刻時(shí)間的影響。對(duì)于將破碎玻璃夾雜物蝕刻掉的過程 中達(dá)到10分鐘的蝕刻時(shí)間，最終器件的電壓隨著基材蝕刻時(shí)間的增加而顯著增加。在10 分鐘的蝕刻之后，對(duì)基材的進(jìn)一步蝕刻對(duì)器件電壓具有較小影響。對(duì)于在將破碎玻璃的反射界面除去的過程中的最多幾分鐘的蝕刻時(shí)間，最終器件 的電流隨著蝕刻時(shí)間而增加。器件電流在具有微_裂痕表面的玻璃基板在隨后經(jīng)過約8分 鐘的蝕刻后到達(dá)最大值，然后因?qū)奈g刻的延長而降低，這是紋理化表面在過度蝕刻后 逐漸地變平滑所得到的結(jié)果。因?yàn)榫哂形?裂痕的表面的大多數(shù)硼硅玻璃樣品，通過在5% [w/w]HF酸中對(duì)微-裂痕蝕刻約12分鐘得到最高效率。使用比800目更粗糙的砂粒對(duì)玻璃 表面撞擊或研磨需要多幾分鐘才能達(dá)到最佳效率，但它們的性能仍然不能達(dá)到與經(jīng)過800 目研磨劑研磨以及12分鐘酸蝕刻的基材的性能相同。需要注意這些優(yōu)化適用于具有特定 層厚度范圍的器件，并且其對(duì)于其它器件厚度可能改變。磨料粒度的影響使用于砂噴砂機(jī)，其相對(duì)易于在不同尺寸和種類的研磨用砂粒間變換，并相對(duì)易 于在不同的操作條件下處理玻璃樣品。粗糙砂粒(即那些具有較低目數(shù)的砂粒)需要較低
9的噴砂壓力以控制它們產(chǎn)生的較大損傷，且需要更長的蝕刻時(shí)間來修復(fù)被它們撞擊后更加 嚴(yán)重?fù)p傷的玻璃表面。實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)現(xiàn)電流、電壓、填充因數(shù)和效率的最優(yōu)組合所需的磨料 粒度是約800目(參考圖11)。制造業(yè)應(yīng)用的最佳砂粒尺寸還需要考慮壓縮空氣消耗量和 研磨劑能夠被重復(fù)利用的效率，上述兩項(xiàng)均有利于粗糙砂粒。效率最好的微_裂痕及蝕刻紋理化組件均優(yōu)于最好的珠粒_紋理化的組件，主要是由 于其更高的電流。微_裂痕及蝕刻紋理化組件的性能也更加可靠。電壓微-裂痕及蝕刻紋理化組件與珠粒紋理化的組件相比，即使當(dāng)硅膜達(dá)到2. 2-2. 4 微米厚，也保持更高的0.1日光(suns)v(0. 1)的開路電壓。過去，珠粒紋理化的組件在厚 度達(dá)到2. 0微米時(shí)達(dá)到V (0. 1)的最高值，但隨著硅厚度超過2. 0微米，電壓下降，即使使用 新混合的珠粒_涂層溶液進(jìn)行珠粒涂布。令人意外的是研磨和蝕刻紋理化的基材不存在這 種情況。參考圖12，硅膜的‘沉積’厚度與紋理無關(guān)，但當(dāng)相同量的硅沉積在具有更大面積 的深紋理化的玻璃基材上時(shí)，垂直于局部玻璃|硅界面的‘?dāng)U散’厚度降低。擴(kuò)散厚度影響 原子氫對(duì)P_n結(jié)的滲入及p-n結(jié)對(duì)少數(shù)載流子的收集。氫氣鈍化的效果顯著地影響器件電 壓。所記錄的微_裂痕及蝕刻紋理化組件的最高Jsc值超過所記錄的珠粒_紋理化 組件的最佳Js。值，甚至超過為促進(jìn)它們的電流而特意經(jīng)過玻璃防反射處理的組件所記下 (set)的最佳Js。值。微-裂痕及蝕刻紋理化組件在厚硅情況下的性能最好，因?yàn)樗鼈冊(cè)谶@些 情況下更能夠保持高壓。厚的硅膜應(yīng)當(dāng)促進(jìn)長波長‘紅’電流，但已經(jīng)發(fā)現(xiàn)被提高電流的大 部分來自短波長的‘藍(lán)’光。對(duì)藍(lán)光吸收的提高似乎歸因于光向硅膜中的更好偶合(參考圖 13)。如果入射光從或多或少的朗伯玻璃|硅表面反射，則它直接地或在全內(nèi)反射后，在玻 璃I空氣界面上得到第二次被偶合到硅中的機(jī)會(huì)。在微-裂痕及蝕刻紋理化的晶體硅-玻 璃(CSG)膜的玻璃側(cè)面反射率通常比共沉積的珠粒紋理化的CSG膜的反射率低。微-裂痕 及蝕刻紋理化的CSG膜的透射率稍高，盡管硅膜通常地更厚，這與微_裂痕及蝕刻紋理化的 CSG膜較差的光捕集相一致。硅厚度在硅膜中的光捕集取決于在硅層表面的全內(nèi)反射(TIR)。存在全內(nèi)反射'臨界 角'，在此處入射角的微小變動(dòng)便極大影響光子的命運(yùn)。為了符合光捕集和TIR的要求，硅 層表面的相反面必需是不平行的。通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)沉積的硅膜在 紋理化基材上共形地生長，以致硅膜的最終表面比初始基材形貌更平滑，并因此不平行于 最初的基材形貌。平滑程度取決于表面結(jié)構(gòu)的曲率半徑和沉積的厚度。因此，有一個(gè)'臨 界的曲率半徑'，在此處，小的，可能貌似無意義的特征尺寸改變就能夠?qū)IR和光捕集產(chǎn) 生大的影響。在微-裂痕及蝕刻紋理化基材上的特征是在幾個(gè)微米尺寸，其中珠粒更小，通 常直徑為0. 5微米。因此，微-裂痕及蝕刻紋理化基材在具有厚的硅膜時(shí)更好地工作。鈍化工具在微-裂痕及蝕刻紋理化基材上沉積的結(jié)晶硅膜更容易被原子氫鈍化。已經(jīng)注意到，當(dāng)相對(duì)薄的硅膜在珠粒_紋理化基材和微_裂痕及蝕刻紋理化基材上沉積之后，使用高 性能實(shí)驗(yàn)室鈍化工具來鈍化時(shí)，所有的樣品被同樣鈍化(也就是說，達(dá)到相似的電壓)，只 留下在組件效率上的差異，這是由微-裂痕及蝕刻紋理樣品在紅電流上的細(xì)微不足所造成 的。另一方面，當(dāng)使用較弱的鈍化工具對(duì)相同的相對(duì)薄的硅膜鈍化時(shí)，對(duì)形成在珠粒-紋理 化基材上的材料的鈍化幾乎不如對(duì)形成在微_裂痕及蝕刻紋理化基材上的材料的鈍化那 樣有效。所得高電壓值對(duì)于微_裂痕及蝕刻紋理化材料克服相對(duì)小的電流不足是有益的。微-裂痕及蝕刻紋理化使得硅膜容易鈍化的一個(gè)原因是簡單的幾何效應(yīng)，如圖12 所，其中減小的硅厚度降低了所需要的原子H和少數(shù)載流子擴(kuò)散長度。硅膜的‘沉積’厚度 與紋理化無關(guān)，但當(dāng)相同量的硅沉積在具有大表面積的深紋理化的玻璃基材上的時(shí)，垂直 于局部玻璃I硅界面的‘?dāng)U散’厚度降低。擴(kuò)散厚度影響原子氫對(duì)P_n結(jié)的滲入及p-n結(jié) 對(duì)少數(shù)載流子的收集。組件外觀微-裂痕及蝕刻紋理化生產(chǎn)出更加美觀的產(chǎn)物，這是因?yàn)橛刹痪鶆虻牡枳钃?層所引起的顏色變化不易見到。這在顏色匹配重要或難以精確控制氮化物厚度的情況下是 有益的。微-裂痕及蝕刻紋理化組件與珠粒紋理化組件相比，具有更少的短裂紋。硅膜可 以具有更少的應(yīng)力，這歸因于沒有平坦形貌的紋理的手風(fēng)琴型的"拉伸性"。微-裂痕及 蝕刻紋理化組件在其玻璃側(cè)通常沒有可見的短裂紋，而珠粒_紋理化組件通常具有一些可 見的短裂紋。研磨-磨損和蝕刻組件能夠產(chǎn)生一些裂紋(由劃痕或工具的震動(dòng)所引起)，但 通常玻璃側(cè)的裂紋不明顯，這大概是在硅I玻璃界面缺乏鏡面反射的結(jié)果。干噴砂處理不 產(chǎn)生劃痕，因?yàn)楣に噷傩院透蓢娚疤幚硌心ソM件很少地具有任何裂紋的提示。微_裂痕及 蝕刻紋理化基材的玻璃|空氣表面沒有霧狀(hazy)的珠粒涂層。沒有珠粒的玻璃表面看 上去更美觀并且可能成為隨后應(yīng)用于抗反射(AR)層時(shí)的一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。其它的玻璃微-裂痕及蝕刻紋理化在Corning Eagle玻璃上有效地使用，但需要較短的蝕刻 時(shí)間(3-5分鐘)并且需機(jī)械除去(通過濕布來擦拭)少量溶解的反應(yīng)產(chǎn)物。對(duì)這里描述 的技術(shù)進(jìn)行類似的調(diào)整，也可以適合于包括鈉鈣玻璃在內(nèi)的其它玻璃。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在不偏離廣泛描述的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可 以對(duì)如特定的實(shí)施方案所示的本發(fā)明進(jìn)行許多變化和/或更改。因此，本發(fā)明實(shí)施方案在 各方面均應(yīng)認(rèn)為是說明性的而非限制性的。
權(quán)利要求
一種使基材的表面紋理化的方法，所述方法包括i)在所述基材的待紋理化的表面內(nèi)形成微-裂痕；ii)蝕刻所述基材的待紋理化的表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述基材是玻璃基材。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中通過撞擊或研磨所述基材的表面，在所述基材 的表面內(nèi)形成微-裂痕。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中使用研磨用砂粒撞擊或研磨所述基材的待紋理化 的表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中使用研磨用砂粒，通過干噴砂處理，在所述基 材的表面內(nèi)形成微-裂痕。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述基材是所供給的玻璃面板，使用干噴砂機(jī)和 研磨用砂粒撞擊所述基材的一個(gè)表面，在所述基材的這個(gè)表面內(nèi)形成微_裂痕。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中使用研磨用砂粒，通過濕噴砂處理，在所述基 材的表面內(nèi)形成微-裂痕。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中使用包含研磨用砂粒的漿料研磨，在所述基材 的表面內(nèi)形成微-裂痕。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中通過使用轉(zhuǎn)盤研磨，在所述基材的表面內(nèi)形成 微-裂痕。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中通過使用軌道式磨砂機(jī)研磨，在所述基材的表面 內(nèi)形成微-裂痕。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中通過使用帶有研磨用砂粒的砂紙的研磨，在 所述基材的表面內(nèi)形成微_裂痕。
12.根據(jù)權(quán)利要求4-11中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述研磨用砂粒是碳化硅粉末、氧 化鋁(礬土)、剛玉、立方氮化硼(CBN)、碳化硼、氧化鋯/氧化鋁合金、碎玻璃、玻璃珠、橄欖 石砂、珍珠巖級(jí)砂、切削金屬絲、鋼丸或鋼砂中的一種。
13.根據(jù)權(quán)利要求4-12所述的方法，其中所述砂粒的尺寸在300至1200目的范圍內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述研磨用砂粒是800目的碳化硅粉末。
15.根據(jù)權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述蝕刻是以使用氫氟酸(HF)溶液 對(duì)所述微_裂痕的表面的酸蝕刻形式進(jìn)行的。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述蝕刻進(jìn)行至所述微-裂痕裂開并形 成"U"形凹部。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的方法，其中所述蝕刻進(jìn)行至基本上除去破碎玻璃夾雜物。
18.根據(jù)權(quán)利要求15，16或17所述的方法，其中所述酸蝕刻使用在1至20%[w/w]范 圍的HF酸水溶液進(jìn)行。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述酸蝕刻包括使用5%[w/w]的HF水溶液蝕 刻12分鐘。
20.根據(jù)權(quán)利要求1-19中任一項(xiàng)所述的方法，其中清洗步驟在微-破裂步驟之后進(jìn)行。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述在微-破裂步驟之后的清洗步驟包括在水中清洗和干燥。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述清洗步驟包括在玻璃沖洗機(jī)中洗滌所述基材。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中在所述酸蝕刻步驟之后的干燥步驟包括烘焙或 使用干氮?dú)獾墓娘L(fēng)。
24.根據(jù)權(quán)利要求1-23中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述基材是硼硅玻璃(BSG)片材。
25.根據(jù)權(quán)利要求1-24中任一項(xiàng)所述的方法，其中對(duì)所述基材的紋理化的表面涂敷一 層或多層阻擋層。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中隨后將硅膜沉積到所述基材的紋理化的表面 上，并形成光電器件，借此所述基材和所述硅光電器件形成太陽能電池組件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種使基材的表面紋理化的方法，所述方法包括在基材的待紋理化的表面內(nèi)形成微-裂痕，并蝕刻所述基材的待紋理化的表面以裂開微-裂痕。
文檔編號(hào)C03C15/00GK101855181SQ200880104547
公開日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2008年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月31日
發(fā)明者特雷沃·林迪塞·揚(yáng) 申請(qǐng)人:Csg索拉爾有限公司