CN103030100B - 一种具有减反射特性的亚波长硅纳米线阵列的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于纳米技术领域，特别涉及一种具有减反射特性的亚波长硅纳米线阵列的制备方法。本发明采用n型（100）硅片，利用高真空磁控溅射技术在其表面沉积具有网状结构的银膜，然后采用湿法刻蚀技术，在硅表面获得具有减反射特性的亚波长锥形硅纳米线阵列，经测试，其反射率低于1%。本发明首次利用银膜催化刻蚀硅技术，具有无掩模与常温常压的工艺特征，操作简单，重复性与可控性好，为制备具有亚波长尺度的超减反硅表面纳米结构提供了新思路，为设计和构建新型高效硅太阳能电池提供了材料基础。

Description

一种具有减反射特性的亚波长硅纳米线阵列的制备方法

技术领域

本发明属于纳米技术领域，特别涉及一种具有减反射特性的亚波长硅纳米线阵列的制备方法。

背景技术

表面减反射技术通过降低入射光在硅表面的反射损失，提高硅太阳能电池对入射光能量的有效利用，是实现硅太阳能电池增效的重要途径。在当前的硅太阳能电池中，常见的硅表面减反射技术包括沉积单层或多层减反射薄膜（例如：SiOx，SiNx）和制绒随机金字塔结构。热稳定性较弱的多层减反膜和反射率较高的金字塔硅结构（15%），阻碍了硅太阳能电池效率的进一步提升。硅纳米线阵列可以增大入射光的陷光路径长度，在宽光谱广角度范围内实现优异的减反射特性。增大硅纳米线的长度可以有效减低其反射率。例如，长度为10 μm的硅纳米线阵列在300 nm~1000 nm波长范围内的平均反射率低于5%。但是，由于硅纳米线表面存在大量缺陷，容易形成载流子的复合中心，导致硅纳米线太阳能电池的效率并未获得显著提升。基于此，在硅纳米线阵列的减反射结构设计中，需要结合降低硅表面反射率和减少在纳米线表面的载流子复合来考虑。因此，具有减反射特性的亚波长硅纳米线阵列在硅太阳能电池增效中显现出巨大的潜力。目前，结合掩模材料（例如，聚苯乙烯球，二氧化硅球以及金属纳米球）的干/湿法刻蚀工艺是亚波长硅表面减反射结构的传统制备方法。而掩模材料的使用以及掩模图案的预处理需要复杂的工艺步骤和昂贵的仪器，限制其市场应用。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种具有减反射特性的亚波长硅纳米线阵列的制备方法。

一种具有减反射特性的亚波长硅纳米线阵列的制备方法，采用磁控溅射技术在单晶硅表面沉积具有网状结构的银膜，然后利用湿法刻蚀技术获得具有减反射特性的亚波长硅纳米线阵列，具体步骤如下：

a.硅片预处理：依次利用丙酮、乙醇以及去离子水将硅片超声清洗干净，去除硅表面油污污染物，然后利用氢氟酸去除表面氧化层，再用去离子水冲洗干净，最后真空干燥得到清洁的硅表面；

b.制备银膜催化剂：利用高真空磁控溅射技术，在经过预处理硅片表面沉积网状银膜，该银膜为直接用于刻蚀单晶硅表面的催化剂；

c.制备硅纳米线阵列：配制由氢氟酸和双氧水组成的刻蚀液，其中氢氟酸浓度为3 mol/L~5 mol/L，双氧水浓度为0.02 mol/L~1 mol/L；然后将沉积过银膜的硅片浸渍于刻蚀液中进行刻蚀，得到硅纳米线阵列；

d.去除硅纳米线阵列中残余银：用硝酸浸泡步骤c得到的硅纳米线阵列，去除残留在硅纳米线阵列中的银；

e.去除硅纳米线表面氧化层：用氢氟酸浸泡经步骤d处理的硅纳米线阵列，去除硅纳米线阵列表面的氧化层，然后用去离子水冲洗干净并真空干燥，即得到具有减反射特性的亚波长硅纳米线阵列。

所述硅片为(100)取向的n型单晶硅片，其电阻率为3.5 Ω·cm~5 Ω·cm。

所述去离子水电阻率不小于16 Ω·cm。

所述步骤a中氢氟酸的质量分数为5%，浸泡时间为5 min。

所述步骤b中溅射电流为8 mA~12mA，溅射时间为40 s~70 s。

所述步骤c中刻蚀时间不超过10 min。

所述步骤d中硝酸的质量分数为65%，浸泡时间为5 min~10 min。

所述步骤e中氢氟酸的浓度为7.3 mol/L，浸泡时间为25 min~30 min。

本发明的有益效果为：

采用本发明的方法可以获得具有减反射特性的亚波长锥形硅纳米线阵列。本发明结合溅射沉积技术与湿法刻蚀工艺，在硅表面制备具有亚波长尺度的锥形硅纳米线结构，获得具有超低反射率（小于1%）的硅表面，可直接应用于设计与构建新型高效硅太阳能电池。而且，本发明具有无掩膜制备锥形硅纳米线阵列的技术特征，且采用常温常压的工艺条件，工艺简单，为低成本制备硅太阳能电池提供了有效途径。

附图说明

图1为具有减反射特性的亚波长锥形硅纳米线阵列的正视图电镜照片；

图2为具有减反射特性的亚波长锥形硅纳米线阵列的侧视图电镜照片；

图3为抛光硅片和长度为980 nm的锥形硅纳米线阵列的反射率对比曲线。

具体实施方式

本发明提供了一种具有减反射特性的亚波长硅纳米线阵列的制备方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步说明。

实施例1

a. 采用电阻率为3 Ω·cm～5 Ω·cm的n型（100）单晶片，在丙酮中超声清洗10 min；然后在无水乙醇中超声清洗10 min；然后采用去离子水反复冲洗干净，之后在质量分数为5%的氢氟酸溶液中浸泡5 min；再用去离子水反复冲洗干净，真空干燥；

b. 利用高真空磁控溅射技术，在经过预处理的硅片表面沉积具有网状结构的银膜。溅射工艺参数为10 mA溅射电流，60 s溅射时间；

c. 将沉积过银膜的硅片浸渍于刻蚀液中，刻蚀液中氢氟酸的浓度为4.6 mol/L，双氧水的浓度为0.5 mol/L。硅纳米线阵列长可通过反应时间进行调控。以反应2 min为例，在常温下可获得长度约980 nm的锥形硅纳米线；

d. 用浓度为65 wt%的硝酸浸泡10 min，彻底去除残留在硅纳米线阵列中的银；

e. 用浓度为7.3 mol/L氢氟酸浸泡20 min，去除硅纳米线表面的氧化层，然后用去离子水冲洗干净并真空干燥，其形貌如图1和图2所示。

图3为抛光硅片和长度为980 nm的锥形硅纳米线阵列的反射率对比曲线。

本发明采用n型（100）单晶硅片，利用丙酮、无水乙醇和氢氟酸预处理得到清洁的硅片表面。利用高真空磁控溅射，在预处理后的硅片表面沉积具有网状结构的银膜。放入由氢氟酸和双氧水配比而成的刻蚀溶液，反应一段时间后，取出硅片，分别用浓硝酸和氢氟酸浸泡，最后用去离子水冲洗，观察到硅片表面发黑，获得具有减反射特性的亚波长锥形硅纳米线阵列。

Claims (8)

1.一种具有减反射特性的亚波长硅纳米线阵列的制备方法，其特征在于，采用磁控溅射技术在单晶硅表面沉积具有网状结构的银膜，然后利用湿法刻蚀技术获得具有减反射特性的亚波长硅纳米线阵列，具体步骤如下：

a.硅片预处理：依次利用丙酮、乙醇以及去离子水将硅片超声清洗干净，去除硅表面油污污染物，然后利用氢氟酸去除表面氧化层，再用去离子水冲洗干净，最后真空干燥得到清洁的硅表面；

b.制备银膜催化剂：利用高真空磁控溅射技术，在经过预处理硅片表面沉积网状银膜，该银膜为直接用于刻蚀单晶硅表面的催化剂；

c.制备硅纳米线阵列：配制由氢氟酸和双氧水组成的刻蚀液，其中氢氟酸浓度为3 mol/L~5 mol/L，双氧水浓度为0.02 mol/L~1 mol/L；然后将沉积过银膜的硅片浸渍于刻蚀液中进行刻蚀，得到硅纳米线阵列；

d.去除硅纳米线阵列中残余银：用硝酸浸泡步骤c得到的硅纳米线阵列，去除残留在硅纳米线阵列中的银；

e.去除硅纳米线表面氧化层：用氢氟酸浸泡经步骤d处理的硅纳米线阵列，去除硅纳米线阵列表面的氧化层，然后用去离子水冲洗干净并真空干燥，即得到具有减反射特性的亚波长硅纳米线阵列。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述硅片为(100)取向的n型单晶硅片，其电阻率为3.5 Ω·cm~5 Ω·cm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述去离子水电阻率不小于16 Ω·cm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤a中氢氟酸的质量分数为5%，浸泡时间为5 min。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤b中溅射电流为8mA~12mA，溅射时间为40 s~70 s。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤c中刻蚀时间不超过10 min。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤d中硝酸的质量分数为65%，浸泡时间为5 min~10 min。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤e中氢氟酸的浓度为7.3 mol/L，浸泡时间为25 min~30 min。