《炬丰科技-半导体工艺》黑硅：制造方法、特性和太阳能应用

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本文首先回顾了现有的BSi制备工艺，并基于高效可再生太阳能组件的设计理念，在批判性地评估其作为反光涂层的应用效果的同时

通过光刻技术所使用的模板能够合成具有三维微纳米结构的材料，在特定区域内实施电化学抛光处理。为聚焦于BSi的目标需求，在后续研究中我们仅限于探讨低电流区域的行为特征：在此区域内发生的蚀刻反应主要通过调节当前密度、引入高频信号、设置蚀刻时长以及调控光照强度来实现效果控制。在常规实验室合成方法中（例如施加恒定电流），硅片材料中的孔隙率在其孔隙进入基底材料时保持不变（如图2a所示）。然而，在电化学蚀刻过程中若不断调整当前密度及其对应的时间参数，则可实现孔隙率和折射率逐渐变化或者步长逐步演变的空间分布特征：例如将当前强度从100mA线性降至0mA的过程中可获得孔隙率从99%衰减至33%的变化序列（如图4所示）。这种多孔层结构较均匀多孔硅片展现出更好的光学性能特性，在特定厚度下其加权折射率值显著降低至约3.7%（如图4所示）。

利用类似的策略, Ma及其同事通过电化学蚀刻技术制造了具有多层多孔结构的硅材料. 随着从空气到硅体的过渡, 孔隙率和折射率逐渐变化, 最终形成总厚度为4.1毫米的复合结构. 该结构成功地将可见光与红外光吸收比例降至小于5%. 通过理论分析, 其光学透射率达到95.7%, 显示出优异的光学性能. 在设计过程中，默认以最大透光率为优化目标, 并考虑了不同层之间的相互影响. 多层多孔硅是由不同折射率层构成, 通过抗体分子结合及布拉格效应的应用, 在每一层内部实现了对光线的选择性反射或传输特性. 因此, 经过蚀刻处理后的硅晶片在白光照耀下呈现丰富色彩（图5）.

黑色硅（BSi）具有整体硅中尚未识别的独特特性，在太阳能电池组件领域具有重要地位：光捕获与抗 Reflective Coating（ARC）技术可用于制备抗 Reflective Coating（ARC）层；通过掺杂杂质控制带隙宽度的技术，则可用于多结太阳能电池设计；相比整体硅而言，在机械强度上更为薄弱的黑色硅则适合从硅锭上便捷地提取出超薄晶片；通过刻蚀效应实现的大活性表面结果，则有助于降低晶片中的杂质含量。

在太阳能电池应用中优化BSi材料的性能面临多方面的挑战。作为一种对光学和电气性能有综合需求的材料，在优化过程中必须在更厚的纳米结构层上实现最小表面反射率的同时解决掺杂与金属接触等难题。为了最大化太阳能电池的性能表现必须严格控制纳米结构层厚度这一关键参数为此研究提出了基于BSi表征特征及制造工艺的最佳厚度值建议方案研究结果表明最佳RIE纳米结构深度应在200至400纳米范围内采用金属辅助化学蚀刻工艺可获得高效率太阳能电池具体而言经过清洗或蚀刻彻底消除表面缺陷对于化学蚀刻而言深度及刻蚀彻底程度显得尤为重要这种工艺会生成一个具有明显表面缺陷的亚氧化表面同时其微观结构表面也呈现高度粗糙化现象在较大的100纳米尺度上还存在大小为2至5纳米的小突起这些微小突起虽然对BSi折射率影响有限却显著增加了其表面积通过模拟发现BSi制造过程中可能出现少量金属离子向硅本体扩散现象尤其在掺杂高温形成过程中问题会更加突出

    通过仔细地改变它们的过程参数，可以通过高度的控制来创建广泛的表面形态，虽然BSi具有优越的光学性能，但其较差的电气特性阻碍了BSi太阳能电池的整体功率转换效率，BSi中粗糙的表面导致表面重组增加，导致高且有时不均匀的掺杂浓度，并对形成良好的硅/金属接触提出了明显的挑战，因此需要提高制造工艺来平衡BSi的光学增益和电损失，以获得较高的太阳能电池效率。所以提出了一些策略，包括控制纳米结构层的厚度和使用低长宽比纳米结构，应用彻底的表面缺陷清洗过程和提供良好的表面钝化，将BSi纳入先进的太阳能电池设计和薄硅片生产；这些技术可能潜在地提高太阳能电池效率或降低光伏生产过程中的材料成本。

相关研究发现，在正负偏置发射体上实施层状沉积氧化铝处理后可赋予硅表面显著的表面共形性与优异的抗反射特性；特别地，在硅基光伏组件中通过采用ALD氧化铝钝化技术实现了18.7%高效率BSi型光伏电池的成功制备