CN103268901B - 一种在非晶硅薄膜表面形成织构化微晶银的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在非晶硅薄膜表面形成织构化微晶银的方法，包括以下步骤：将醋酸银与草酸溶解，配制成含有醋酸银与草酸的前驱体溶液，其中，所述醋酸银和草酸的质量比为(3.2～13.1)：(0.1～0.5)；将所述前驱体溶液涂覆在非晶硅薄膜表面；将涂覆处理后的非晶硅薄膜在200～300℃进行热处理，在非晶硅薄膜表面形成织构化微晶银。通过上述方法在非晶硅薄膜表面原位诱导生长微晶银颗粒，且微晶银颗粒之间互相作用，呈不规则排列并形成空隙，因此该微晶银颗粒在微观上形成织构化结构，提高了非晶硅薄膜的光吸收效率。该方法只需将原料混合、涂覆、热处理即可得到产品，工艺简单易控、对设备要求低且节约成本，容易实现大规模生产。

Description

一种在非晶硅薄膜表面形成织构化微晶银的方法
技术领域
本发明属于太阳能技术领域，具体涉及一种在非晶硅薄膜表面形成织构化微晶银的方法。
背景技术
目前，为了提高非晶硅薄膜太阳电池的效率，主要通过在近红外范围内提高非晶硅薄膜的光吸收效率，是研究和技术开发者迫切需要解决的关键技术。现阶段普遍采用的技术路线为，在非晶硅薄膜表面通过化学或物理的方法形成纳米银颗粒，利用纳米银颗粒的表面等离子激元对入射光的陷光作用，达到提高器件效率的目的。
众所周知，当金属颗粒在400～500nm时，具有较强的散射光的能力。因此，在非晶硅薄膜的表面制备大颗粒的纳米银颗粒，例如微晶银，可使非晶硅薄膜实现更好的光吸收效果，进一步提高电池效率。现有的制备方法主要包括：热蒸发法，即将银蒸发镀在非晶硅薄膜表面；以及溶胶-凝胶法，即将银的溶胶旋涂在非晶硅薄膜表面。但是，上述制备方法均存在以下不足:形成的微晶银颗粒太均匀，无法有效地实现光陷阱的作用，导致光吸收效率较低。此外，热蒸发法生产成本高，工艺控制困难，对设备的要求也比较苛刻；溶胶凝胶法虽然成本低廉，但涉及的工艺步骤很繁琐。因此，急需研究一种工艺简单、对设备要求低、成本低的在非晶硅薄膜表面形成微晶银的新方法，以进一步提高非晶硅薄膜的光吸收效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种在非晶硅薄膜表面形成织构化微晶银的方法，以解决现有制备微晶银方法中存在的工艺繁琐复杂、对设备的要求也比较苛刻、成本高，且非晶硅薄膜的光吸收效率低的技术问题。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种在非晶硅薄膜表面形成织构化微晶银的方法，包括以下步骤：
将醋酸银与草酸溶解，配制成含有醋酸银与草酸的前驱体溶液，其中，所述醋酸银和草酸的质量比为(3.2～13.1)：(0.1～0.5)；
将所述前驱体溶液涂覆在非晶硅薄膜表面；
将涂覆处理后的非晶硅薄膜在200～300℃进行热处理，在非晶硅薄膜表面形成织构化微晶银。
上述醋酸银受热分解为氧化银（Ag2O），由于Ag2O热力学上不稳定，在草酸的作用下还原为单质银，然后进一步通过热处理在非晶硅薄膜表面原位诱导生长微晶银颗粒，且微晶银颗粒之间互相作用，呈不规则排列并形成空隙，因此该微晶银颗粒在微观上形成织构化结构，类似传统硅电池的光陷阱结构，当光透过织构化微晶银到达非晶硅薄膜后，被非晶硅薄膜反射到织构化微晶银的光会被该织构化微晶银又反射回到非晶硅膜表面，达到二次利用光的效果，因此该织构化结构的微晶银可起到多次反射光的作用，从而使非晶硅薄膜吸收更多光，提高非晶硅薄膜的光吸收效率。
该在非晶硅薄膜表面形成织构化微晶银颗粒的方法，只需将原料混合、涂覆、热处理即可得到产品，工艺简单易控、对设备要求低且节约成本，容易实现大规模生产。
附图说明
图1为本发明实施例在非晶硅薄膜表面形成织构化微晶银的方法的工艺流程示意图；
图2为实施例1制得的样品a的场发射扫描电镜（FESEM）图；
图3为实施例1制得的样品a的X射线衍射（XRD）图；
图4为实施例2和对比实例1、2制备的样品的反射率对比曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种在非晶硅薄膜表面形成织构化微晶银的方法，该制备方法的工艺流程请参见图1，具体的包括如下步骤：
步骤S01.配制前驱体溶液：将醋酸银与草酸溶解，配制成含有醋酸银与草酸的前驱体溶液，其中，所述醋酸银和草酸的质量比为(3.2～13.1)：(0.1～0.5)；
步骤S02.将前驱体溶液涂覆在非晶硅薄膜表面：将步骤S01中的前驱体溶液涂覆在非晶硅薄膜表面。
步骤S03.热处理原位诱导生长微晶银颗粒：将步骤S02中的涂覆处理后的非晶硅薄膜在200～300℃进行热处理，在非晶硅薄膜表面形成织构化微晶银。
具体地，步骤S01中的前驱体溶液中，配制所述前驱体溶液所用的溶剂优选异丙醇和叔丁醇中至少一种，进一步优选异丙醇。草酸与所述溶剂的质量比优选为(0.1～0.5)：(15.7～47.1)。通过控制溶剂的用量，可以调节醋酸银和草酸的反应速度，进而控制微晶银的形貌。
步骤S02中的涂覆方式不受限制，只要使涂覆后的膜层均匀即可。作为优选实施例，所述前驱体溶液涂覆在非晶硅薄膜表面的量为0.25～1.5g/cm2，进一步优选为0.8-0.9g/cm2，适当的涂覆量有利于微晶银的形貌控制。
步骤S03中的热处理温度优选为200～300℃，进一步优选为250～300℃。上述热处理过程中，醋酸银受热发生热分解生成氧化银（Ag2O），而由于Ag2O热力学上不稳定，在草酸的作用下还原为单质银，因此，在非晶硅薄膜表面原位诱导生长微晶银颗粒，增强了微晶银颗粒和非晶硅薄膜之间的附着力，便于后续有效除去残留在表面的溶剂。作为优选实施例，上述热处理时间优选为10～20h，可以更充分实现上述热处理的作用，生成足够的微晶银颗粒，从而形成更多的光陷阱结构。
进一步优选地，在上述热处理步骤之后，包括对经热处理后的非晶硅薄膜依次进行清洗和干燥处理的步骤，可以进一步除去残留在微晶银颗粒表面的溶剂。
进一步优选地，上述干燥处理是将清洗后的非晶硅薄膜在60～80℃下干燥10～12h。
上述醋酸银受热分解为氧化银（Ag2O），由于Ag2O热力学上不稳定，在草酸的作用下还原为单质银，然后进一步通过热处理在非晶硅薄膜表面原位诱导生长微晶银颗粒，且微晶银颗粒之间互相作用，呈不规则排列并形成空隙，因此该微晶银颗粒在微观上形成织构化结构，类似传统硅电池的光陷阱结构，当光透过织构化微晶银到达非晶硅薄膜后，被非晶硅薄膜反射到织构化微晶银的光会被该织构化微晶银又反射回到非晶硅膜表面，达到二次利用光的效果，因此该织构化结构的微晶银可起到多次反射光的作用，从而使非晶硅薄膜吸收更多光，提高非晶硅薄膜的光吸收效率。
上述在非晶硅薄膜表面形成织构化微晶银颗粒的方法，只需将原料混合、涂覆、热处理即可得到产品，工艺简单易控、对设备要求低且节约成本，容易实现大规模生产。
以下通过多个实施例来举例说明上述在非晶硅薄膜表面形成织构化微晶银的方法及其他等方面。
实施例1
一种在非晶硅薄膜表面形成织构化微晶银的方法：
（1）将6.5g醋酸银（分析纯）和0.3g草酸（分析纯）溶解于31.4g异丙醇（分析纯）中，常温下搅拌得到均匀的前驱体溶液；
（2）将步骤（1）中的前驱体溶液喷涂到面积为100cm2的非晶硅薄膜表面，喷涂量为0.8-0.9g/cm2；
（3）将步骤（2）中的涂覆处理后的非晶硅薄膜放入恒温干燥箱中，在250℃下热处理10～12小时，然后自然冷却到室温；
（4）将步骤（3）中的热处理后的非晶硅薄膜用去离子水或无水乙醇反复清洗2次，然后放入干燥箱，在60℃下干燥10个小时，得到样品a。
实施例2
一种在非晶硅薄膜表面形成织构化微晶银的方法：
（1）将13.0g醋酸银(分析纯)和0.5g草酸(分析纯)溶解于47.1g异丙醇(分析纯)中，常温下搅拌得到均匀的前驱体溶液；
（2）将步骤（1）中的前驱体溶液喷涂到面积为100cm2的非晶硅薄膜表面，喷涂量为0.8-0.9g/cm2；
（3）将步骤（2）中的涂覆处理后的非晶硅薄膜放入恒温干燥箱中，在300℃下热处理20小时，然后自然冷却到室温；
（4）将步骤（3）中的热处理后的非晶硅薄膜用去离子水或无水乙醇反复清洗3次，然后放入干燥箱，在80℃下干燥12个小时，得到样品b。
对比实例1
利用现有溶胶-凝胶法在如实施例1中非晶硅薄膜表面制备银层，得到样品c。
对比实例2
利用现有热蒸发法在如实施例1中非晶硅薄膜表面制备银层，得到样品d。
将上述实施例1、2和对比实例1、2制备的样品进行如下场发射扫描电镜、X射线衍射和光吸收性能测试，测试结果如下：
图2为实施例1制得的样品a的场发射扫描电镜（FESEM）图，从图2可以看出，样品a表面的颗粒之间互相作用，呈不规则排列并形成空隙，在微观上形成织构化结构；且颗粒平均尺寸为400～500nm。
图3为实施例1制得的样品a的X射线衍射（XRD）图，从图3可以看出，样品a表面的颗粒状物质的XRD图与单质银的JCPDS卡No.04–0783完全一致，结晶完整，且不含杂质。
图4为采用日本岛津UV－2450/2550紫外可见分光光度计测得的实施例2和对比实例1、2制备的样品b、c、d的反射率对比曲线。从图中可以看出，在波长为400-900nm的范围内，实施例2制备的样品b的平均反射率为66%，而对比实例1制备的样品c只有17%，对比实例2制备的样品d也只有57%。由于该光吸收性能测试是将测试光源对着上述样品没有镀银层的一面进行照射，反射率越高，说明透过样品的光越少，则说明该样品在非晶硅薄膜太阳电池中实际应用时光吸收效率越高。与对比实例1、2相比，本发明实施例2制备的样品b反射率最高，说明样品b的光吸收效率最高。由此可知，通过本发明在非晶硅薄膜表面形成微晶银颗粒，通过不规则微晶银颗粒之间互相作用及它们之间形成的空隙，在微观上形成织构化结构，所以当非晶硅薄膜太阳电池在实际应用时，光对着镀有银层的一面进行照射，当光透过织构化微晶银到达非晶硅薄膜后，被非晶硅薄膜反射到织构化微晶银的光会被该织构化微晶银又反射回到非晶硅膜表面，达到二次利用光的效果，因此，该织构化结构的微晶银可起到多次反射光的作用，从而使非晶硅薄膜吸收更多光，进而达到提高光吸收效率的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种在非晶硅薄膜表面形成织构化微晶银的方法，包括以下步骤：
将醋酸银与草酸溶解，配制成含有醋酸银与草酸的前驱体溶液，其中，所述醋酸银和草酸的质量比为(3.2～13.1)：(0.1～0.5)；
将所述前驱体溶液涂覆在非晶硅薄膜表面；
将涂覆处理后的非晶硅薄膜在200～300℃进行热处理，在非晶硅薄膜表面形成织构化微晶银。
2.如权利要求1所述的在非晶硅薄膜表面形成织构化微晶银的方法，其特征在于：在配制所述前驱体溶液的步骤中，配制所述前驱体溶液所用的溶剂为异丙醇和叔丁醇中至少一种。
3.如权利要求2所述的在非晶硅薄膜表面形成织构化微晶银的方法，其特征在于：在配制所述前驱体溶液的步骤中，所述草酸与所述溶剂的质量比为(0.1～0.5)：(15.7～47.1)。
4.如权利要求1所述的在非晶硅薄膜表面形成织构化微晶银的方法，其特征在于：所述前驱体溶液涂覆在非晶硅薄膜表面的量为0.25～1.5g/cm2。
5.如权利要求1所述的在非晶硅薄膜表面形成织构化微晶银的方法，其特征在于：所述热处理温度为250～300℃。
6.如权利要求1～5任一所述的在非晶硅薄膜表面形成织构化微晶银的方法，其特征在于：所述热处理时间为10～20h。
7.如权利要求1～5任一所述的在非晶硅薄膜表面形成织构化微晶银的方法，其特征在于：在热处理步骤之后，还包括对经热处理后的非晶硅薄膜依次进行清洗和干燥处理的步骤。
8.如权利要求7所述的在非晶硅薄膜表面形成织构化微晶银的方法，其特征在于：所述干燥处理是将清洗后的非晶硅薄膜在60～80℃下干燥10～12h。
9.如权利要求1～5任一项所述的在非晶硅薄膜表面形成织构化微晶银的方法，其特征在于：所述织构化微晶银的颗粒粒径为400～500nm。
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