CN103337560A

CN103337560A - 用于太阳能电池的三维硅纳米结构的制备方法

Info

Publication number: CN103337560A
Application number: CN2013102842141A
Authority: CN
Inventors: 孙宝全; 张云芳
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou Inner Electronic Materials Co Ltd
Priority date: 2013-07-08
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2033-07-08
Also published as: CN103337560B

Abstract

本发明公开了一种用于太阳能电池的三维硅纳米结构的制备方法，以获得比表面积大的硅片，从而提高硅片对太阳光的陷光作用。具体步骤为，将硅片清洗后，首先利用碱溶液对单晶硅表面各向异性腐蚀的特性，在硅片表面形成类似于“金字塔”的绒面结构；然后利用金属离子辅助化学刻蚀方法，在“金字塔”的绒面结构上进一步刻蚀硅纳米线，从而形成一种新型硅纳米线-金字塔的三维硅纳米结构。本发明提供的新型三维硅纳米结构可以为硅片提供更大的比表面积，增强了硅片表面对太阳光的陷光作用，短波段的反射率小于5%；其制备方法成本低、条件温和、时间较短；工艺过程可控，易于工业化操作。

Description

用于太阳能电池的三维硅纳米结构的制备方法

技术领域

本发明属于太阳能电池制备技术领域，具体涉及一种新型三维硅纳米结构制备方法。

背景技术

随着社会的快速发展，很多可利用的资源正面临着被耗尽的危险，寻找新能源来取代这些即将耗尽的资源成为当前人类面临的紧迫难题之一。由于太阳能是一种无污染、有效的、可再生清洁能源，且其储量巨大，取之不尽用之不竭，利用成本低，不受地理条件限制等优点，充满了广阔的应用前景；并且太阳能发电具备火电、水电、核电所无法与之比拟的清洁性、安全性、资源的广泛性和充足性，因此太阳能被认为是二十一世纪最受关注、最有发展前景的能源。

太阳能电池是将太阳能直接转换为电能的光电器件，是利用太阳能最有效的方式之一，在传统太阳能电池中，硅基太阳能电池的技术发展最为成熟，尽管太阳能光电转换的研究和应用己取得重大进展，其还存在着制造成本高、光电转换效率低、制造过程有污染等问题，因此限制了其大规模的商业应用。

光电转换效率是决定太阳能电池优劣的最主要参数之一。每种太阳能电池都有其极限转换效率。在实际太阳能电池的制作中，有很多因素限制着器件的性能，因而在太阳能电池的设计和材料的选择等方面必须考虑这些因素的影响。

减少电池受光面上入射阳光的反射是提高太阳能电池的光电转换效率的重要手段，因此，硅太阳能电池表面减反层的制备是太阳能电池制作工程中的主要环节。常规的减反射措施主要有采用传统方法刻蚀硅衬底以及在硅衬底表面或电池的受光面制备TiO_x、SiN_x等减反射膜；前者包括传统的酸、碱湿法化学刻蚀技术，这些方法工艺简单，但是减反射效果差；后者一般需要复杂设备、操作成本较高。

近年来，采用金字塔绒面结构来减少单晶硅表面的光反射得到了研究人员的重视。采用碱和醇的混合溶液对晶面进行腐蚀，在硅片表面形成类似“金字塔”的绒面结构，绒面的形成增加了硅片表面的比表面积，使入射的太阳光可以在硅片表面多次反射，从而降低了太阳光在硅片表面的反射，有效增强了入射太阳光的利用率。但是目前金字塔织构后的硅表面的反射率依旧较高，特别是短波段（可见光波段）的反射率超过10%，因此在硅片表面设计新的减反结构，增加短波吸收进而提高太阳能电池的转换效率是很有必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备三维硅纳米结构的方法，以获得比表面积大的硅片，从而提高硅片对太阳光的陷光作用。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

首先利用碱溶液对单晶硅表面各向异性腐蚀的特性，在硅片表面形成类似于“金字塔”的绒面结构；然后利用金属离子辅助化学刻蚀方法，在“金字塔”的绒面结构上进一步刻蚀硅纳米线，从而形成一种新型硅纳米线-金字塔的三维硅纳米结构。具体步骤如下：

一种用于太阳能电池的三维硅纳米结构的制备方法，包括以下步骤：

（1）清洗硅片：以丙酮、乙醇、去离子水为清洗剂依次对n型单晶硅硅片进行清洗，然后将硅片放入H₂SO₄和H₂O₂的混合溶液中，115℃浸泡2～4小时之后用去离子水冲洗，得到清洁的硅表面；其中H₂SO₄和H₂O₂的体积比为3～4∶1；

（2）制备金字塔结构表面：将上述清洁后的硅片置入氢氧化钠和乙醇混合溶液，在75～85℃下浸泡30～60分钟得到刻有“金字塔”绒面结构的硅片；

（3）再次清洗硅片：将上述刻有“金字塔”绒面结构的硅片在稀盐酸溶液中浸泡1～1.5个小时；之后用去离子水冲洗硅片；利用氮气吹干后放入氢氟酸溶液里浸泡8～12分钟；再用去离子水对硅片进行清洗并用氮气吹干；

（4）将上述用氮气吹干的硅片放入4.8M/L HF 和 0.02M/L AgNO₃混合溶液中，在室温下刻蚀4～8分钟；得到“金字塔”的绒面结构上刻有硅纳米线的硅片，将其放入硝酸中浸泡0.8～1.2小时，取出后用去离子水冲洗干净，最后用氮气吹干即可得到所述的三维硅纳米结构。

上述技术方案中，所述步骤（2）的混合溶液中，氢氧化钠的质量分数为1%～3%；乙醇的体积分数为5%～10%。

上述技术方案中，所述步骤（3）的稀盐酸溶液中，盐酸与水的体积比为1∶1；氢氟酸溶液中，氢氟酸与水的体积比为1∶3。

本发明中，将刻有“金字塔”绒面结构的硅片在稀盐酸溶液中浸泡是为了去除硅片表面残留的氢氧化钠；放入氢氟酸溶液里浸泡是为了去除硅片表面的氧化层；去离子水用于清洗硅片。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点:

1．本发明提供的新型三维硅纳米结构可以为硅片提供更大的比表面积，增强了硅片表面对太阳光的陷光作用，短波段的反射率远小于现有技术中的10%；

2．本发明公开的制备方法成本低、条件温和、时间较短；工艺过程可控，易于工业化操作。

附图说明

图1是实施例中三维硅纳米结构的示意图；

图2是实施例一中三维硅纳米结构的侧面SEM图；

图3是现有技术中使用的类“金字塔”绒面结构的侧面SEM图；

图4是实施例二中硅纳米结构的反射图。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例对本发明作进一步描述：

本发明首先利用碱溶液对单晶硅表面腐蚀形成类似于“金字塔”的绒面结构；然后利用金属离子辅助化学刻蚀方法，在“金字塔”的绒面结构上进一步刻蚀硅纳米线，从而形成一种新型的硅纳米线-金字塔的三维硅纳米结构。在对单晶硅表面腐蚀前先要对硅片进行清洗，具体如下：

n型100单晶硅片依次经丙酮超声清洗（10分钟）、乙醇超声清洗（10分钟）、去离子水超声清洗（10分钟），然后在H₂SO₄和H₂O₂（V/V=3:1）的混合溶液中，115℃浸泡2个小时，再用去离子水冲洗干净即得到清洗干净的硅片，用于以下实施例。

实施例一：

将清洗干净的硅片放入质量百分数为1.8%氢氧化钠和体积百分数为10%的乙醇混合溶液，在80℃中浸泡30分钟，以刻蚀类 “金字塔”的绒面结构；然后先去除硅片表面残留的氢氧化钠，再去除硅片表面的氧化层，进一步清洗硅片后，把它放入4.8M/L HF 和 0.02M/L AgNO₃混合溶液中，室温下刻蚀硅纳米线，刻蚀时间为4分钟，然后把取出的硅片在硝酸中浸泡1小时，取出后用去离子水冲洗干净，氮气枪吹干即可得到新型三维硅纳米结构，其侧面SEM图如附图2所示。

附图1为本发明制备的三维纳米结构的示意图，其中A、B分别与附图2对应，结合附图2可以看出，本发明制备的新型三维纳米结构在金字塔绒面的基础上进一步形成了纳米线，构成了硅纳米线-金字塔的三维硅纳米结构；附图3为现有技术中，金字塔绒面纳米硅结构的侧面SEM图，比较附图2与附图3可知，本发明提供的新型三维硅纳米结构可以为硅片提供更大的比表面积。

附图4为本发明制备的三维硅纳米结构硅片与现有技术中类“金字塔”结构硅片的光反射率比较图，从中很明显看出，新型的硅纳米结构具有远低于现有技术中纳米结构的反射率。

实施例二：

将清洗干净的硅片放入质量百分数为1.8%氢氧化钠和体积百分数为10%的乙醇混合溶液，在80℃中浸泡30分钟，以刻蚀类 “金字塔”的绒面结构；然后先去除硅片表面残留的氢氧化钠，再去除硅片表面的氧化层，进一步清洗硅片后，把它放入4.8M/L HF 和 0.02M/L AgNO₃混合溶液中，室温下刻蚀硅纳米线，刻蚀时间为5分钟，然后把取出的硅片在硝酸中浸泡1小时，取出后用去离子水冲洗干净，氮气枪吹干即可得到新型三维硅纳米结构。

实施例三：

将清洗干净的硅片放入质量百分数为1.8%氢氧化钠和体积百分数为10%的乙醇混合溶液，在80℃中浸泡30分钟，以刻蚀类 “金字塔”的绒面结构；然后先去除硅片表面残留的氢氧化钠，再去除硅片表面的氧化层，进一步清洗硅片后，把它放入4.8M/L HF 和 0.02M/L AgNO₃混合溶液中，室温下刻蚀硅纳米线，刻蚀时间为6分钟，然后把取出的硅片在硝酸中浸泡1小时，取出后用去离子水冲洗干净，氮气枪吹干即可得到新型三维硅纳米结构。

实施例四：

将清洗干净的硅片放入质量百分数为1.8%氢氧化钠和体积百分数为10%的乙醇混合溶液，在80℃中浸泡30分钟，以刻蚀类 “金字塔”的绒面结构；然后先去除硅片表面残留的氢氧化钠，再去除硅片表面的氧化层，进一步清洗硅片后，把它放入4.8M/L HF 和 0.02M/L AgNO₃混合溶液中，室温下刻蚀硅纳米线，刻蚀时间为7分钟，然后把取出的硅片在硝酸中浸泡1小时，取出后用去离子水冲洗干净，氮气枪吹干即可得到新型三维硅纳米结构。

实施例五：

将清洗干净的硅片放入质量百分数为1.8%氢氧化钠和体积百分数为10%的乙醇混合溶液，在80℃中浸泡30分钟，以刻蚀类 “金字塔”的绒面结构；然后先去除硅片表面残留的氢氧化钠，再去除硅片表面的氧化层，进一步清洗硅片后，把它放入4.8M/L HF 和 0.02M/L AgNO₃混合溶液中，室温下刻蚀硅纳米线，刻蚀时间为8分钟，然后把取出的硅片在硝酸中浸泡1小时，取出后用去离子水冲洗干净，氮气枪吹干即可得到新型三维硅纳米结构。

实施例六：

将清洗干净的硅片放入质量百分数为1.8%氢氧化钠和体积百分数为10%的乙醇混合溶液，在80℃中浸泡60分钟，以刻蚀类 “金字塔”的绒面结构；然后先去除硅片表面残留的氢氧化钠，再去除硅片表面的氧化层，进一步清洗硅片后，把它放入4.8M/L HF 和 0.02M/L AgNO₃混合溶液中，室温下刻蚀硅纳米线，刻蚀时间为4分钟，然后把取出的硅片在硝酸中浸泡1小时，取出后用去离子水冲洗干净，氮气枪吹干即可得到新型三维硅纳米结构。

实施例七：

将清洗干净的硅片放入质量百分数为1.8%氢氧化钠和体积百分数为10%的乙醇混合溶液，在80℃中浸泡60分钟，以刻蚀类 “金字塔”的绒面结构；然后先去除硅片表面残留的氢氧化钠，再去除硅片表面的氧化层，进一步清洗硅片后，把它放入4.8M/L HF 和 0.02M/L AgNO₃混合溶液中，室温下刻蚀硅纳米线，刻蚀时间为5分钟，然后把取出的硅片在硝酸中浸泡0.8小时，取出后用去离子水冲洗干净，氮气枪吹干即可得到新型三维硅纳米结构。

实施例八：

将清洗干净的硅片放入质量百分数为1.8%氢氧化钠和体积百分数为10%的乙醇混合溶液，在80℃中浸泡60分钟，以刻蚀类 “金字塔”的绒面结构；然后先去除硅片表面残留的氢氧化钠，再去除硅片表面的氧化层，进一步清洗硅片后，把它放入4.8M/L HF 和 0.02M/L AgNO₃混合溶液中，室温下刻蚀硅纳米线，刻蚀时间为6分钟，然后把取出的硅片在硝酸中浸泡1.2小时，取出后用去离子水冲洗干净，氮气枪吹干即可得到新型三维硅纳米结构。

实施例九：

将清洗干净的硅片放入质量百分数为1.8%氢氧化钠和体积百分数为10%的乙醇混合溶液，在80℃中浸泡60分钟，以刻蚀类 “金字塔”的绒面结构；然后先去除硅片表面残留的氢氧化钠，再去除硅片表面的氧化层，进一步清洗硅片后，把它放入4.8M/L HF 和 0.02M/L AgNO₃混合溶液中，室温下刻蚀硅纳米线，刻蚀时间为7分钟，然后把取出的硅片在硝酸中浸泡1小时，取出后用去离子水冲洗干净，氮气枪吹干即可得到新型三维硅纳米结构。

实施例十：

将清洗干净的硅片放入质量百分数为1.8%氢氧化钠和体积百分数为10%的乙醇混合溶液，在80℃中浸泡60分钟，以刻蚀类 “金字塔”的绒面结构；然后先去除硅片表面残留的氢氧化钠，再去除硅片表面的氧化层，进一步清洗硅片后，把它放入4.8M/L HF 和 0.02M/L AgNO₃混合溶液中，室温下刻蚀硅纳米线，刻蚀时间为8分钟，然后把取出的硅片在硝酸中浸泡1小时，取出后用去离子水冲洗干净，氮气枪吹干即可得到新型三维硅纳米结构。

Claims

1.一种用于太阳能电池的三维硅纳米结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（3）再次清洗硅片：将上述刻有“金字塔”绒面结构的硅片在稀盐酸溶液中浸泡1～1.5个小时；之后取出用去离子水冲洗；再利用氮气吹干后放入氢氟酸溶液里浸泡8～12分钟；然后用去离子水冲洗干净并用氮气吹干；

（4）将上述用氮气吹干的硅片放入4.8M/L HF 和 0.02M/L AgNO₃混合溶液中，在室温下刻蚀4～8分钟，得到“金字塔”的绒面结构上刻有硅纳米线的硅片，将其放入硝酸中浸泡0.8～1.2小时，取出后用去离子水冲洗干净，最后用氮气吹干即可得到所述的三维硅纳米结构。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）的混合溶液中，氢氧化钠的质量分数为1%～3%；乙醇的体积分数为5%～10%。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）的稀盐酸溶液中，盐酸与水的体积比为1∶1；氢氟酸溶液中，氢氟酸与水的体积比为1∶3。