CN103560180A - 氢化非晶硅纳米线阵列的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种氢化非晶硅纳米线阵列的制备方法，包括：氢化非晶硅薄膜制备步骤，用于在玻璃衬底上制备氢化非晶硅薄膜；氢化非晶硅纳米线阵列制备步骤，用于利用化学腐蚀方法将氢化非晶硅薄膜制备成氢化非晶硅纳米线阵列。在氢化非晶硅薄膜制备步骤中，首先对玻璃衬底进行清洗；然后将清洗过的玻璃衬底放进磁控溅射设备中，利用磁控溅射设备在玻璃衬底上面制备氢化非晶硅薄膜。在氢化非晶硅纳米线阵列制备步骤中，首先利用耐强酸树脂将未形成氢化非晶硅薄膜的衬底背面、以及氢化非晶硅薄膜周围密封，仅裸露形成有氢化非晶硅薄膜的面，然后浸入H2SO4和H2O2的混合溶液中，再浸入HF溶液中去除表面氧化物；再浸入AgNO3和HF混合的溶液，此后取出后用去离子水冲洗。

Description

氢化非晶硅纳米线阵列的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，涉及利用磁控溅射镀膜、化学腐蚀等多种技术工艺有效在透明玻璃衬底上制备氢化非晶硅（a-Si:H）纳米线阵列的方法。
背景技术
硅是电子工业的主要原料，目前工业中使用的硅主要是体材料的硅。随着纳米科技的不断发展，硅纳米材料器件成为未来微电子、光电子等领域发展的必然趋势。体材料硅的禁带宽度较窄，一般为1.12eV左右，是一种间接带隙半导体，发光效率较低。当硅材料的尺寸减小至纳米量级时，由于量子尺寸效应的作用，硅的禁带宽度变大，且由间接带隙变为直接带隙，发光效率大幅度增加。由此可以看出，纳米硅材料较之其体材料具有更优越的物理性能，可在光电子领域得到广泛的应用。
其次，硅是光伏太阳能电池产业的最主要的材料。但体硅材料太阳能电池的光吸收效率较低，导致其材料使用过多，造成光伏产品的发电成本高，从而限制了光伏太阳能电池产业的发展。
纳米技术的出现使人们开始寻求采用硅纳米材料提高太阳能电池的光吸收效率，以提高光电转化效率，降低光伏产品成本。目前各种硅纳米材料如硅纳米线、硅量子点和多孔硅的合成、性能及应用已经得到了广泛的研究，它们优异的光电性能使其在电子、光电子及生物医药领域具有重要的应用价值。制备硅纳米材料的主要方法有激光烧蚀法、化学气相沉积法、溶液法、热蒸发法、模板法、化学刻蚀法等方法。
实际上，相对于体硅材料和纳米晶体硅材料，氢化非晶硅（a-Si:H）纳米线材料具有最大的禁带宽度，能够达到2.0eV以上，因而，其光学性能也相对优越，特别适合应用于光伏太阳能电池。当两者应用于太阳能电池时，由于氢化非晶硅（a-Si:H）纳米线材料的禁带宽度大于晶体硅纳米材料，其开路电压更高，从而提高光伏产品的光电转化效率。玻璃衬底相对于硅衬底而言优势也非常明显，玻璃的价格比硅更便宜，且玻璃是光透明的，光可以直接从玻璃面入射到太阳能电池中。
然而，虽然已经用不同的方法制备出纳米硅材料，但是这些纳米硅材料都是晶体硅，衬底也基本是硅材料。而且，目前为止，还没有报道过在透明玻璃衬底上制备氢化非晶硅（a-Si:H）纳米线材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种能够在透明玻璃衬底上制备氢化非晶硅（a-Si:H）纳米线阵列材料，从而进一步拓展硅材料的应用领域的方法。
为了实现上述技术目的，根据本发明，提供了一种氢化非晶硅纳米线阵列的制备方法，其特征在于包括：
氢化非晶硅薄膜制备步骤，用于在玻璃衬底上制备氢化非晶硅薄膜；
氢化非晶硅纳米线阵列制备步骤，用于利用化学腐蚀方法将氢化非晶硅薄膜制备成氢化非晶硅纳米线阵列。
优选地，在氢化非晶硅薄膜制备步骤中，首先对玻璃衬底进行清洗；然后将清洗过的玻璃衬底放进磁控溅射设备中，并利用磁控溅射设备在玻璃衬底上面制备氢化非晶硅薄膜。
优选地，在利用磁控溅射设备在玻璃衬底上面制备氢化非晶硅薄膜时，采用直流溅射，靶材选用高纯硅，溅射气体为高纯氩气和氢气的混合气体。
优选地，氩气和氢气的流量比值的范围在10:1～100:1之间；溅射时真空度在0.1Pa到5Pa之间，溅射功率在10到50W之间，生长温度在100℃到700℃之间，薄膜厚度在0.5μm到20μm之间。
优选地，对玻璃衬底进行清洗的步骤为：第一步，在乙醇中利用超声波对衬底进行处理；第二步，再在丙酮中利用超声波对衬底进行处理；第三步，用热盐酸浸泡衬底。
优选地，在氢化非晶硅纳米线阵列制备步骤中，首先利用耐强酸树脂将未形成氢化非晶硅薄膜的衬底背面、以及氢化非晶硅薄膜周围密封，仅裸露形成有氢化非晶硅薄膜的面，然后再将其浸入H2SO4和H2O2的混合溶液中，再将其浸入HF溶液中去除表面氧化物；再将其浸入AgNO3和HF混合的溶液，此后将其取出后用去离子水冲洗。
优选地，体积比H2SO4:H2O2在1:1～6:1之间，HF溶液的浓度为2～10mol/L，AgNO3和HF混合溶液中的AgNO3的浓度为0.01mol/L～0.1mol/L、HF的浓度为1mol/L～10mol/L。
优选地，所述的氢化非晶硅纳米线阵列的制备方法还包括测试步骤，其中利用测试设备分别对氢化非晶硅纳米线进行形貌、结构、光学性能测试。
本发明通过在透明玻璃上沉积一层氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜，然后利用腐蚀工艺获得氢化非晶硅（a-Si:H）纳米线材料。得到的氢化非晶硅（a-Si:H）纳米线材料的禁带宽度达到2.0eV以上，远大于体晶体硅和纳米晶体硅材料的禁带宽度，光学性能得到明显的改善，拓展了硅的应用范围。而且，玻璃衬底相对于硅衬底而言优势也非常明显，玻璃的价格比硅更便宜，且玻璃是光透明的，光可以直接从玻璃面入射到太阳能电池中；从而不仅降低了成本，还提高了效率。
附图说明
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的氢化非晶硅纳米线阵列的制备方法的流程图。
图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的利用扫描电镜（SEM）测试制成的氢化非晶硅纳米线阵列的测试结果。
图3示意性地示出了根据本发明优选实施例的利用X-射线衍射仪（XRD）测试制成的氢化非晶硅纳米线阵列的测试结果。
图4示意性地示出了根据本发明优选实施例的光学吸收谱测试结果。
需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
具体实施方式
为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。
图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的氢化非晶硅纳米线阵列的制备方法的流程图。
具体地说，如图1所示，根据本发明优选实施例的氢化非晶硅纳米线阵列的制备方法包括：
第一步骤S1为氢化非晶硅薄膜制备步骤，用于（例如，利用磁控溅射设备）在玻璃衬底上制备氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜。
优选地，所述玻璃衬底为光透明的玻璃衬底。例如，所述玻璃衬底为全透明或者半透膜的玻璃衬底。
更具体地说，在制备氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜之前，首先要对玻璃衬底进行清洗；一般的清洗步骤为：第一步，将衬底在乙醇中利用超声波处理3～5分钟；第二步，再在丙酮中利用超声波处理（优选地，3～5分钟）；第三步，用热盐酸浸泡（优选地浸泡10～20分钟），浸泡温度优选地在70到120度之间。将上述清洗过的玻璃衬底放进磁控溅射设备中，利用磁控溅射设备在其上面制备氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜。生长时采用直流溅射，靶材选用高纯硅（优选地，纯度≥99.99%），溅射气体为高纯氩气和氢气的混合气体，优选地，氩气和氢气的流量比值（即Ar:H2）的范围在10:1～100:1之间；优选地，生长时真空度在0.1Pa到5Pa之间，溅射功率在10到50W之间，生长温度在100℃到700℃之间，薄膜厚度在0.5μm到20μm之间。
第二步骤S2为氢化非晶硅纳米线阵列制备步骤，用于利用化学腐蚀方法将氢化非晶硅薄膜制备成氢化非晶硅（a-Si:H）纳米线阵列。
更具体地说，在进行化学腐蚀前，为防止玻璃衬底被强酸腐蚀，用耐强酸树脂将衬底背面（没有生长氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜面）和氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜周围密封，仅裸露生长有氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜面，然后再将其浸入H2SO4和H2O2的混合溶液中（优选地，体积比H2SO4:H2O2在1:1～6:1之间），优选地放置5～50分钟；再将其浸入HF溶液（优选地，HF溶液的浓度为2～10mol/L）中去除表面氧化物，优选地放置5～50分钟；再将其浸入AgNO3(优选地，浓度为0.01mol/L～0.1mol/L)和HF(优选地，浓度为1mol/L～10mol/L)混合的溶液(优选地，体积比HF:AgNO3范围为1:1～1:10之间)，优选地在1～30分钟后将其取出，用去离子水冲洗干净。
此后，优选地，可执行第三步骤S3，即测试步骤，其中利用扫描电镜（SEM）、X-射线衍射仪（XRD），光谱分析仪等测试设备分别对氢化非晶硅（a-Si:H）纳米线进行形貌、结构、光学等性能进行测试。结果表明制备得到材料氢化非晶硅（a-Si:H）纳米线阵列。
<具体示例>
在本发明的具体示例中，例如，可利用磁控溅射技术首先在玻璃衬底上制备出厚度约为2μm的氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜。靶材选用高纯硅（纯度≥99.99%），采用直流溅射，溅射功率为12瓦，溅射气体为氩气和氢气混合气体（氩气和氢气的流量比Ar:H2=55:3），生长时真空度为0.87Pa,生长温度为150℃，生长时间为70分钟。
将上述制备好的具有氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜进行腐蚀。在进行化学腐蚀前，用耐强酸树脂将衬底背面（没有生长氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜面）和氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜周围密封，以防止玻璃衬底被强酸腐蚀，仅裸露生长有氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜面，然后再将其浸入H2SO4和H2O2的混合溶液中（体积比H2SO4:H2O2=3:1），放置2分钟；再将其浸入5mol/L的HF的溶液中去除表面氧化物，放置10分钟；再将其浸入AgNO3(0.02mol/L)和HF(5mol/L)混合的溶液(体积比HF:AgNO3=1:5)，10分钟后将其取出，用去离子水冲洗干净。
利用扫描电镜（SEM）、X-射线衍射仪（XRD）、光谱分析仪等设备分别对氢化非晶硅（a-Si:H）纳米线形貌、结构、光学等性能进行测试。扫描电镜（SEM）测试结果表明所制备的产品为纳米线结构，如图1所示。X-射线衍射仪（XRD）测试结果表明所制备的产品没有明显的衍射峰，在28o附近形成一个包络，表明为非晶结构，如图2所示。光学吸收谱测试结果表明，所制备的氢化非晶硅（a-Si:H）纳米线材料的禁带宽度为2.1eV，如图3所示。
如上所述，本发明通过在透明玻璃上沉积一层氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜，然后利用腐蚀工艺获得氢化非晶硅（a-Si:H）纳米线材料。得到的氢化非晶硅（a-Si:H）纳米线材料的禁带宽度达到2.0eV以上，远大于体晶体硅和纳米晶体硅材料的禁带宽度，光学性能得到明显的改善，拓展了硅的应用范围。而且，玻璃衬底相对于硅衬底而言优势也非常明显，玻璃的价格比硅更便宜，且玻璃是光透明的，光可以直接从玻璃面入射到太阳能电池中；从而不仅降低了成本，还提高了效率。
目前，晶体硅材料是现代微电子、光电子产业的主要原料，其禁带宽度较窄，一般为1.12eV左右，是一种间接带隙半导体，发光效率较低，因而限制了其应用范围。纳米晶体硅材料的禁带宽度虽然比体晶体硅材料大（一般在1.5eV左右），且为直接带隙，但比氢化非晶硅（a-Si:H）纳米线材料的禁带宽度要小，氢化非晶硅（a-Si:H）纳米线材料的禁带宽度能够达到2.0eV以上。因而，氢化非晶硅（a-Si:H）纳米线材料扩大了硅的应用范围，尤其在硅基太阳能电池方面更为明显。
此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种氢化非晶硅纳米线阵列的制备方法，其特征在于包括：
氢化非晶硅薄膜制备步骤，用于在玻璃衬底上制备氢化非晶硅薄膜；
氢化非晶硅纳米线阵列制备步骤，用于利用化学腐蚀方法将氢化非晶硅薄膜制备成氢化非晶硅纳米线阵列。
2.根据权利要求1所述的氢化非晶硅纳米线阵列的制备方法，其特征在于，在氢化非晶硅薄膜制备步骤中，首先对玻璃衬底进行清洗；然后将清洗过的玻璃衬底放进磁控溅射设备中，并利用磁控溅射设备在玻璃衬底上面制备氢化非晶硅薄膜。
3.根据权利要求2所述的氢化非晶硅纳米线阵列的制备方法，其特征在于，在利用磁控溅射设备在玻璃衬底上面制备氢化非晶硅薄膜时，采用直流溅射，靶材选用高纯硅，溅射气体为高纯氩气和氢气的混合气体。
4.根据权利要求3所述的氢化非晶硅纳米线阵列的制备方法，其特征在于，氩气和氢气的流量比值的范围在10:1～100:1之间；溅射时真空度在0.1Pa到5Pa之间，溅射功率在10到50W之间，生长温度在100℃到700℃之间，薄膜厚度在0.5μm到20μm之间。
5.根据权利要求2所述的氢化非晶硅纳米线阵列的制备方法，其特征在于，对玻璃衬底进行清洗的步骤为：第一步，在乙醇中利用超声波对衬底进行处理；第二步，再在丙酮中利用超声波对衬底进行处理；第三步，用热盐酸浸泡衬底。
6.根据权利要求1或2所述的氢化非晶硅纳米线阵列的制备方法，其特征在于，在氢化非晶硅纳米线阵列制备步骤中，首先利用耐强酸树脂将未形成氢化非晶硅薄膜的衬底背面、以及氢化非晶硅薄膜周围密封，仅裸露形成有氢化非晶硅薄膜的面，然后再将其浸入H2SO4和H2O2的混合溶液中，再将其浸入HF溶液中去除表面氧化物；再将其浸入AgNO3和HF混合的溶液，此后将其取出后用去离子水冲洗。
7.根据权利要求6所述的氢化非晶硅纳米线阵列的制备方法，其特征在于，体积比H2SO4:H2O2在1:1～6:1之间，HF溶液的浓度为2～10mol/L，AgNO3和HF混合溶液中的AgNO3的浓度为0.01mol/L～0.1mol/L、HF的浓度为1mol/L～10mol/L。
8.根据权利要求1或2所述的氢化非晶硅纳米线阵列的制备方法，其特征在于还包括测试步骤，其中利用测试设备分别对氢化非晶硅纳米线进行形貌、结构、光学性能测试。
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