In this work, two alternative solutions to the standard potassium hydroxide (KOH)– isopropyl alcohol (IPA)texturization process of as-cut mono-crystalline silicon (mono-Si) wafers used in photovoltaics are presented.



The standard KOH-IPA etch solution suffers from two drawbacks when the texturization process is carried out at 80oC, i.e. near the boiling point of IPA (82.4oC), as it is usually carried out in the photovoltaic community.



The first problem corresponds to the constant evaporation of IPA during the etching process. The quick solution here is the re-dosing of IPA, but unfortunately this solution has economic disadvantages, i.e., high costs.



The second problem corresponds to the high sensitivity of the KOH-IPA etch solution to the wafer characteristics of the as-cut mono-Si wafers. In other words, it means that different pyramidal results are obtained when different assortments of ascut mono-Si wafers (e.g. from different manufacturers) are textured.


In this context, the introduction of new sawing methods for silicon also changes the surface morphology of the as-cut silicon (Si) wafers. This implies a modification of the etching process in order to obtain almost the same pyramidal texture on differently sawn wafers.


The solution proposed for the first problem corresponds to the usage of another alcohol. An alcohol with high boiling point in order to avoid constant evaporation of it during the etching process and to reduce etching time. The alcohol which fulfills these demands is polyvinyl alcohol (PVA) and the new solution is now called KOHPVA solution. Due to the characteristics of the new alcohol an etching temperature of 100oC was used.


Although the pyramidal texture results produced on as-cut mono-Si wafers by using the new KOH-PVA etch solution are similar to those obtained by using the standard KOH-IPA etch solution, some well-defined differences were observed. For example, the pyramid size of the KOH-PVA texture (4 μm in average) is only about half of the pyramid size of the KOH-IPA texture (8 μm in average). Another important difference is that the KOH-PVA texture shows 1% lower weighted reflectance (between 400-1100 nm) compared to the reflectance of KOH-IPA textured wafers.


When trying to explain this difference by means of geometrical optics and the ray tracing software SUNRAYS, no difference was found. This is due to the fact, that in geometrical optical theory it is assumed that the size of the pyramids is bigger than the wavelength impinging on it, and because SUNRYAS does not take into consideration the random nature of the wet chemically produced pyramidal texture. However, the difference in reflectance can be well explained by solving the wave equation, and by considering diffraction phenomena of pyramids (or structures) with sizes between 1-4 μm. With this method it is also possible to take into consideration the random nature of the wet chemically produced pyramidal texture.



Although some optical differences are observed between the KOH-IPA and KOHPVA texture, at solar cell level both textures show similar results.
The second solution proposed in this work corresponds to the introduction of a closed etching bath in order to recover evaporated IPA (from the standard KOH-IPA etch solution) during the etching process. The closed etching bath was developed by the wet etching company LOTUS. A cooling system was adapted on top of the closed etching bath in order to liquefy evaporated IPA and conduct it again to the reservoir.


Furthermore, the new closed etching bath enables the periodic application of low pressure (below atmospheric pressure) inside the closed etching bath during the etching process. This accelerates the etching process, and therefore the etching time can be reduced to almost half of the time of a texturization process taking place at atmospheric pressure (by using the same standard KOH-IPA etch solution).


The periodic decrease of the pressure inside the bath, containing a standard KOH-IPA solution and the as-cut mono-Si wafers at constant temperature of 80oC, implies a decrease of the boiling point of IPA. Therefore IPA evaporates periodically when low pressure is applied, thereby removing the hydrogen bubbles and monosilicic acid particles from the surface of the silicon wafers. Thus the surface can be supplied with fresh etch solution and the etching process is accelerated.

In dieser Arbeit werden zwei mögliche Alternativen zum Standard Kaliumhydroxid (KOH) – Isopropylalkohol (IPA) Texturierungsprozess von as-cut mono-kristallinen Silizium (mono-Si) Wafern vorgestellt. Der Ätzprozess entspricht dem Standardprozess in der Photovoltaik.


Die Standard KOH-IPA-Ätzlösung hat zwei Nachteile, wenn der Texturierungsprozess bei einer Temperatur von 80oC (nahe dem Siedepunkt von
IPA) durchgeführt wird, wie es in der Photovoltaik üblich ist.


Das erste Problem ist das ständige Verdampfen von IPA während des Ätzprozesses. Eine schnelle Lösung für dieses Problem ist das Nachfüllen von IPA, was aber zu einem höheren IPA-Verbrauch und so zu höheren Kosten des Ätzprozesses führt. Das zweite Problem ist die hohe Empfindlichkeit der Ätzlösung gegenüber den Oberflächeneigenschaften des gesägten mono-Si Wafers. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass je nachdem was für ein gesägtes Wafermaterial (zum Beispiel von verschiedenen Herstellern) prozessiert wird, unterschiedliche Texturergebnisse entstehen, obwohl die gleiche Ätzlösung und Ätzparameter verwendet werden.



Daher beeinflusst die Einführung neuer Sägemethoden für Silizium die Oberflächeneigenschaften der Wafer dermaßen, dass die Ätzlösung und der Ätzprozess angepasst werden müssen, um eine vergleichbare Pyramidentextur zu erzielen.


Zur Lösung des ersten Problems wird ein Alkohol mit hohem Siedepunkt verwendet, um somit Verdampfungsverluste zu vermeiden und die Ätzzeit zu verringern. Ein Alkohol, der solche Anforderungen erfüllt, ist Polyvinylalkohol (PVA). Somit wird die neue Ätzlösung KOH-PVA-Lösung genannt. Die Eigenschaften des neuen Alkohols ermöglichen die Verwendung einer höheren Ätztemperatur von 100oC.


Obwohl die Texturergebnisse von KOH-PVA und KOH-IPA ähnlich sind, wurden auch deutliche Unterschiede beobachtet. Zum Beispiel ist die Pyramidengröße einer KOH-PVA-Textur (Mittelwert 4 μm) nur halb so groß wie die Pyramidengröße einer KOH-IPA-Textur (Mittelwert 8 μm). Ein weiterer wichtiger Unterschied ist die um 1% niedrigere Reflexion (gewichtete Reflexion zwischen 400-1100 nm) einer KOH-PVATextur.


Wenn man versucht, den Reflexionsunterschied zwischen beiden Texturen mittels geometrischer Optik und unter Verwendung der Raytracing-Software SUNRAYS zu erklären, kommt man zu keinem befriedigenden Ergebnis. Dies liegt zum einen daran, dass in der Theorie für geometrische Optik folgende Annahme gemacht wurde: die Pyramidengröße sei viel größer, als die Wellenlänge des einfallenden Lichtes, und zum anderen daran, dass SUNRAYS die willkürliche Natur einer nasschemisch erzeugten Textur nicht berücksichtigt.



Jedoch lässt sich der Reflexionsunterschied durch Lösen der Wellengleichung und Berücksichtigung von Beugungseffekten an 1-4 μm großen Pyramiden (oder Strukturen) gut erklären. Mit dieser Methode ist es auch möglich die willkürliche Natur einer nasschemisch erzeugten Textur zu berücksichtigen.



Obwohl Reflexionsunterschiede zwischen der KOH-IPA und der KOH-PVA-Textur beobachtet werden können, sind die Ergebnisse auf Solarzellenebene nahezu identisch.


Als zweite Lösung wird in dieser Arbeit vorgestellt, wie sich der IPA-Dampf zurückzugewinnen lässt. Hierfür wird ein geschlossenes Becken verwendet. Das Becken wurde von der Firma LOTUS entwickelt. Ein Kühlsystem wurde über dem Ätzbecken installiert, wodurch die Zurückgewinnung von IPA-Dampf ermöglicht wird.


Außerdem ist es möglich, den Druck in dem geschlossenen Becken während des Ätzprozesses zu senken (unterhalb des Atmosphärendrucks). Dies beschleunigt den Ätzprozess dermaßen, dass sich die Ätzzeit auf etwa die Hälfte (im Vergleich zum Texturierungsprozess bei atmosphärischem Druck mit einer KOH-IPA Ätzlösung) verringern lässt.


Die periodische Absenkung des Drucks in dem geschlossenen Becken (mit einer Standard KOH-IPA-Ätzlösung und gesägten mono-Si Wafern bei einer konstanten Temperatur von 80oC) bedeutet auch, dass die Siedetemperatur des IPA gesenkt wird. Daher verdampft IPA periodisch, wodurch der IPA-Dampf Wassersoffblasen und Monokieselsäure-Partikel von der Oberfläche des Siliziumwafers entfernt. Deshalb kann die Oberfläche des Wafers mit frischer Ätzlösung versorgt und so der
Ätzprozess beschleunigt werden.