CN103103511A - 一种利用银镜反应制备硅表面形貌可控纳米银粒子的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太阳能电池纳米结构技术领域，特别涉及一种利用银镜反应制备硅表面形貌可控纳米银粒子的方法。本发明采用不同温度下的、无添加剂的银镜反应在（100）硅片表面制备了尺寸、形状、均匀性可控的纳米银粒子，采用不同形貌的纳米银粒子催化刻蚀，获得了不同形貌的硅表面纳米结构。本发明在保持催化刻蚀特征的基础上，通过银镜反应简化了纳米银粒子镀覆的工艺过程，制备出长米状、短棒状、多面体状银粒子以及絮状银，为硅表面催化银粒子的形貌可控制备工艺提供了新的方法。纳米银粒子可直接应用于催化刻蚀工艺，制备出圆孔、密集小孔、凹凸孔和方孔硅表面纳米结构，实现了太阳能电池中纳米陷光结构的可控制备。

Description

一种利用银镜反应制备硅表面形貌可控纳米银粒子的方法
技术领域
本发明属于太阳能电池纳米结构技术领域，特别涉及一种利用银镜反应制备硅表面形貌可控纳米银粒子的方法。
背景技术
硅太阳能电池由于原料来源广泛、工艺成熟、光电转换效率较高、光电性能稳定性和可靠性好等优点，占据太阳能电池市场的主导地位。目前，硅太阳能电池研究的重点方向是降低成本和提高转换效率，而减少光伏器件表面上入射阳光的能量损失是提高光电转换效率的手段之一，因此在硅衬底上制备高效广谱的陷光结构一直是科研人员所重视和不断研究的课题。目前常用的减反射措施有两种：一是采用沉积法在硅表面制备减反射膜，二是采用传统刻蚀法在硅表面制备减反射结构，但由于这些技术方法在减反效果、广谱吸收、制造成本和可操作性等方面均存在不同程度的不足，限制了其广泛应用。
由于贵金属纳米粒子具有优异的催化性能，所以常被用于硅太阳能电池减反射层的制备。贵金属纳米粒子催化刻蚀技术，是指利用电镀、化学镀、蒸镀或自组装等手段在硅片表面沉积一层纳米级或微米级厚度的均匀分布、非连续的贵金属粒子层，之后在刻蚀液中实现对硅的刻蚀，在硅表面形成微纳结构。对于贵金属纳米粒子催化刻蚀来说，在表面沉积的纳米粒子对最终刻蚀的结果具有重要影响。纳米银粒子成本低，具有很高的表面活性和表面能，被用于催化刻蚀硅表面减反射纳米结构，而纳米银粒子的催化性能与其尺寸、形状和结构有关，因此研究硅表面纳米银粒子的形貌可控制备技术对于硅表面纳米结构的催化刻蚀有着极为重要的意义。
形貌可控的纳米银粒子的一般制备工艺是采用液相氧化还原法，通过添加稳定剂或控制形状晶种到反应溶液中控制纳米银粒子的形貌，之后将反应后的溶液通过离心工艺将纳米银粒子分离出来，如果将银粒子用于催化刻蚀技术中，还要再将分离出的银粒子用分散剂分散，再涂覆在硅表面，这样增加了工艺的复杂性，降低了银粒子和基体的结合力。如果将硅基体直接放置在反应溶液中沉积纳米银粒子，溶液中的添加剂会附着在硅表面，使纳米银粒子的催化作用减弱，导致不发生催化刻蚀或使刻蚀效果变差。银镜反应是一种化学镀方法，其特点是反应简单，成本较低。通过控制银镜反应的工艺条件，能在基体上制备出分散的、不连续的银粒子，这恰好符合催化刻蚀技术对表面金属粒子的要求，因此将操作简单、成本较低的银镜反应引入到制备硅表面不连续的、具有优异催化性能的纳米银粒子是一种新思路、新方法，具有很高的实际应用价值。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提出了在不添加任何稳定剂和控制形状晶种的条件下，通过控制银镜反应工艺，在硅表面制备尺寸、形状、均匀性可控的纳米银粒子的方法。
一种利用银镜反应制备硅表面形貌可控纳米银粒子的方法，其特征在于，采用无任何添加剂和控制形状晶种的银镜反应，通过控制反应溶液浓度和反应温度直接在硅表面制备纳米银粒子，实现其形貌可控，并利用催化刻蚀工艺实现硅表面不同纳米结构的制备，具体步骤如下：
a. 清洗硅片：将硅片依次用丙酮超声清洗、去离子水冲洗、CP-4A溶液清洗、去离子水冲洗、质量分数为40%的氢氟酸溶液浸泡处理，去离子水冲洗，最后得到清洁的硅表面；所述CP-4A溶液为HF、HNO3、CH3COOH和H2O按体积比3:5:3:22配置的溶液；
b．配置银氨溶液：在浓度为0.002~0.1 mol/L的硝酸银溶液中，逐渐滴加浓度为0.3 mol/L的氨水，并不断搅拌，直至所产生的浑浊溶液逐渐变为澄清；
c. 在银氨溶液中滴加浓度为0.005~0.01 mol/L的葡萄糖溶液，同时放入清洗后的硅片，反应时间为5min；
d. 反应温度的控制：将银氨溶液分别置于4 ℃、25 ℃和60 ℃的条件下，采用冰浴和水浴控制温度，可分别获得长米状、短棒状、多面体状的银粒子以及絮状银；
e．采用纳米银粒子催化刻蚀：把带有不同形貌纳米银粒子的硅片在刻蚀液中浸泡3 min，其中刻蚀液采用质量分数为40%氢氟酸，质量分数为30%的过氧化氢和去离子水配置，三种溶液的体积比为 1：5：2；
f．刻蚀完成后的样品用去离子水冲洗，可获得圆孔、密集小孔、凹凸孔和方孔硅纳米结构。
所述硅片为（100）取向的单晶硅片，其电阻率为7～13 Ω·cm。
所有清洗用溶液和反应溶液均为分析纯。
所述去离子水的电阻率为16 Ω·cm以上。
本发明的有益效果为：
本发明采用银镜反应，调整工艺制备出形状、尺寸、覆盖率不同，且均匀的纳米银粒子，并利用这种纳米银粒子的催化作用在硅表面获得了不同形貌的纳米孔结构，相比其他硅表面制备纳米银粒子的方法，该方法可直接在在硅表面制备形貌可控的纳米银粒子，方法简单，重复性好，不添加任何稳定剂和形状控制晶种，可直接用于催化刻蚀工艺制备硅表面纳米结构，用于纳米结构太阳能电池器件制作。
附图说明
图1为在（100）Si表面上采用不同温度的银镜反应得到不同形貌的纳米银粒子电镜照片，其中图1a为长米状纳米银粒子电镜照片，图1b为短棒状纳米银粒子电镜照片，图1c为多面体状纳米银粒子电镜照片，图1d为絮状纳米银粒子电镜照片；
图2为在（100）Si表面上采用不同形貌的纳米银粒子催化刻蚀得到不同形貌的硅纳米结构，其中图2a为圆孔状硅纳米结构，图2b为密集小孔状硅纳米结构，图2c为凹凸孔状硅纳米结构，图2d为方孔状硅纳米结构。
具体实施方式
本发明提供了一种利用银镜反应制备硅表面形貌可控纳米银粒子的方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例1
1. 采用电阻率为7～13 Ω·cm的（100）硅单晶片，放于丙酮中，常温超声清洗10 min；采用去离子水冲洗2 min；然后在CP-4A（HF、HNO3、CH3COOH、H2O的混合溶液，体积比为3:5:3:22）溶液中浸泡5 min；用浓度为7.3 mol/L的氢氟酸溶液浸泡处理5 min；再用去离子水超声清洗10 min；最后用去离子水冲洗2 min；真空干燥保存；
2. 先在反应容器中放入硝酸银溶液，浓度控制在0.002~0.1 mol/L之间，再逐渐滴加浓度为0.3 mol/L的氨水，并不断搅拌，直至所产生浑浊棕色液体变为澄清；
3. 将银氨溶液分别置于4 ℃、25 ℃、60 ℃条件下，滴加浓度为0.005~0.01mol/L的葡萄糖溶液，同时放入清洗后的硅片，观察到溶液颜色变黄且浑浊不透明，反应时间为5 min，可获得长米状、短棒状、多面体状的银粒子以及絮状银；
4. 把镀银后的硅片浸入刻蚀液中，刻蚀3 min，刻蚀过程中会看到气泡的生成，刻蚀完成后用去离子水冲洗硅片，可获得圆孔、密集小孔、凹凸孔和方孔硅纳米结构；其中刻蚀液采用质量分数为40%的氢氟酸，质量分数为30%的过氧化氢和去离子水配置，三种溶液的体积比为1：5：2；
5. 刻蚀完成后的样品用去离子水冲洗，在干燥器中保存。
本发明采用（100）硅片，使用CP-4A溶液和氢氟酸溶液清洗硅片；采用不同温度下的银镜反应，并调控银氨溶液浓度在硅表面上制备不同形貌的纳米银粒子，还原剂采用葡萄糖；之后把镀银后的硅片浸入刻蚀液中，刻蚀3min；最后去离子水冲洗刻蚀后的样品，可观察到表面有发黑现象，即得到硅表面纳米结构。

Claims (4)

1.一种利用银镜反应制备硅表面形貌可控纳米银粒子的方法，其特征在于，采用无任何添加剂和控制形状晶种的银镜反应，通过控制反应溶液浓度和反应温度直接在硅表面制备纳米银粒子，实现其形貌可控，并利用催化刻蚀工艺实现硅表面不同纳米结构的制备，具体步骤如下：
a. 清洗硅片：将硅片依次用丙酮超声清洗、去离子水冲洗、CP-4A溶液清洗、去离子水冲洗、质量分数为40%的氢氟酸溶液浸泡处理，去离子水冲洗，最后得到清洁的硅表面；所述CP-4A溶液为HF、HNO3、CH3COOH和H2O按体积比3:5:3:22配置的溶液；
b．配置银氨溶液：在浓度为0.002~0.1 mol/L的硝酸银溶液中，逐渐滴加浓度为0.3 mol/L的氨水，并不断搅拌，直至所产生的浑浊溶液逐渐变为澄清；
c. 在银氨溶液中滴加浓度为0.005~0.01 mol/L的葡萄糖溶液，同时放入清洗后的硅片，反应时间为5min；
d. 反应温度的控制：将银氨溶液分别置于4 ℃、25 ℃和60 ℃的条件下，采用冰浴和水浴控制温度，可分别获得长米状、短棒状、多面体状的银粒子以及絮状银；
e．采用纳米银粒子催化刻蚀：把带有不同形貌纳米银粒子的硅片在刻蚀液中浸泡3 min，其中刻蚀液采用质量分数为40%氢氟酸，质量分数为30%的过氧化氢和去离子水配置，三种溶液的体积比为 1：5：2；
f．刻蚀完成后的样品用去离子水冲洗，可获得圆孔、密集小孔、凹凸孔和方孔硅纳米结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述硅片为（100）取向的单晶硅片，其电阻率为7～13 Ω·cm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所有清洗用溶液和反应溶液均为分析纯。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述去离子水的电阻率为16 Ω·cm以上。
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