CN103887367B - 一种银纳米颗粒辅助两次刻蚀硅微纳米洞减反射织构的制备方法 - Google Patents
一种银纳米颗粒辅助两次刻蚀硅微纳米洞减反射织构的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种银纳米颗粒辅助两次刻蚀硅微纳米洞减反射织构的制备方法，先在清洗后的单晶硅片上镀或沉积一层纳米银粒子，通过一次刻蚀制备出具有较大孔洞的硅微纳米减反射织构，然后将硅微纳米孔洞织构在惰性气氛中退火处理，使纳米银粒子在高温下变为较小的球状并进行二次刻蚀，在较大的孔洞内形成较小孔洞的分层结构，之后利用浓硝酸去银，从而实现了对硅表面刻蚀结构的优化，提高了硅片的减反射效果。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料技术领域，具体涉及一种硅微纳米洞减反射织构的制备方法。
背景技术
减少硅太阳能电池受光面上入射太阳光的反射损失是提高电池光电转换效率的有效手段之一。用贵金属离子辅助化学刻蚀Si制备表面微结构是一种降低表面反射率的重要手段。
目前，在贵金属离子辅助刻蚀Si制备减反射层方面，以Ag粒子附属刻蚀Si的研究居多，也最为成功，制备出的多孔层和Si纳米线阵列可将表面反射率降到10%以下，从而提高了太阳能电池的效率。目前通常的做法是用不同的化学置换镀银方法在硅基底上沉积Ag粒子作为催化剂，在HF/H2O2溶液中进行化学刻蚀，但其刻蚀的形貌单一，仅为大小可调控的孔洞结构。对于硅表面刻蚀复合微结构鲜为研究，而复合结构相比于单一的孔洞结构，可以大大增加硅片的减反射光谱范围。因此，开发出高效、低成本的硅表面陷光复合微结构制造技术，对于发展高效硅太阳电池具有重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种设备要求简单、操作简便、反应迅速的银纳米颗粒辅助两次刻蚀硅微纳米洞减反射织构的制备方法，采用此方法能大规模、低成本地制备出具有良好减反射效果的硅表面复合微纳米孔洞结构。
解决上述技术问题所采用的技术方案由下述步骤组成：
1、清洗单晶硅片表面。
2、在清洗后的单晶硅片表面镀一层纳米银颗粒或沉积一层纳米银颗粒。
3、将镀银或沉积银后的单晶硅片置于刻蚀液中进行第一次刻蚀。
4、将第一次刻蚀后的单晶硅片置于惰性气氛中，300～700℃退火30～90分钟，然后自然冷却至常温。
5、将步骤4处理后的单晶硅片置于刻蚀液中进行第二次刻蚀；
6、将第二次刻蚀后的单晶硅片置于硝酸水溶液中超声清洗，得到硅微纳米洞减反射织构。
上述的步骤3和5中，所用的刻蚀液的质量百分比组成为HF5%～20%、H2O210%～25%、其余为去离子水，优选的质量百分比组成为HF10%、H2O215%、去离子水75%。
上述的步骤1可以根据现有技术公开的常规方法清洗单晶硅片表面，具体可以是：常温下，将单晶硅片依次用丙酮、乙醇超声清洗后，再用H2O2与H2SO4、H2O的体积比为1:3:5的混合液超声清洗，然后用去离子水冲洗干净并用氮气吹干。
上述的步骤2可以采用银镜反应在清洗后的单晶硅片表面镀一层纳米银颗粒或采用磁控溅射法在清洗后的单晶硅片表面沉积一层纳米银颗粒，也可以采用其他现有技术在硅片表面镀一层纳米银颗粒或沉积一层纳米银颗粒。
上述的步骤3中，第一次刻蚀的时间为5～30分钟。
上述的步骤4优选将第一次刻蚀后的单晶硅片置于惰性气氛中，400℃退火60分钟，然后自然冷却至常温。
上述的步骤5中，第二次刻蚀的时间为5～30分钟。
上述的步骤6中，将第二次刻蚀后的单晶硅片置于硝酸水溶液中超声清洗5～15分钟，其中硝酸水溶液的浓度为3～7mol/L。
本发明先在清洗后的单晶硅片上镀或沉积一层纳米银颗粒，通过第一次刻蚀制备出具有较大孔洞的硅微纳米减反射织构，然后将硅微纳米孔洞织构在惰性气氛中退火处理，使纳米银粒子在高温下变为较小的球状并进行第二次刻蚀，在较大的孔洞内形成较小孔洞的分层结构，之后利用浓硝酸去银，从而实现了对硅表面刻蚀结构的优化，提高了硅片的减反射效果。
附图说明
图1是实施例1中银纳米颗粒辅助两次刻蚀硅微纳米洞减反射织构的工艺过程示意图。
图2是实施例1所制得的硅微纳米洞减反射织构表面形貌的SEM图。
图3是实施例2所制得的硅微纳米洞减反射织构表面形貌的SEM图。
图4是实施例3所制得的硅微纳米洞减反射织构表面形貌的SEM图。
图5是实施例4所制得的硅微纳米减反射织构表面形貌的SEM图。
图6是实施例5所制得的硅微纳米洞减反射织构表面形貌的SEM图。
图7是实施例1～6以及对比实施例1所制得的硅微纳米洞减反射织构的反射率曲线图。其中，曲线a～f依次对应实施例1～6所制得的硅微纳米洞减反射织构的反射率曲线，曲线g为对比实施例1得到的硅微纳米洞减反射织构的反射率曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不仅限于这些实施例。
实施例1
1、如图1所示，常温下，将单晶硅片依次用丙酮、乙醇超声清洗10分钟，然后用H2O2与H2SO4、H2O的体积比为1:3:5的混合液超声清洗10分钟，再用去离子水冲洗干净并用氮气吹干。
2、将步骤1清洗后的单晶硅片浸入AgNO3、NaOH、NH3·H2O、葡萄糖、去离子水的混合液中，混合液中AgNO3的浓度为0.05mol/L、NaOH的浓度为0.2mol/L、NH3·H2O的浓度为1mol/L、葡萄糖的浓度为0.005mol/L，60℃水浴4分钟，使硅片表面均匀地镀上一层纳米银颗粒，然后取出用去离子水清洗并用氮气吹干。
3、将步骤2镀银后的单晶硅片置于质量百分比组成为HF10%、H2O215%、去离子水75%的刻蚀液中进行第一次刻蚀，刻蚀时间8分钟，然后取出用去离子水洗净并用氮气吹干。
4、将第一次刻蚀后的单晶硅片置于氮气气氛中，加热至400℃，退火60分钟，然后自然冷却至常温。
5、将步骤4处理后的镀银硅片置于质量百分比组成为HF10%、H2O215%、去离子水75%的刻蚀液中进行第二次刻蚀，刻蚀时间为8分钟，然后取出用去离子水洗净并用氮气吹干。
6、将第二次刻蚀后的硅片置于5mol/L的HNO3水溶液中，超声清洗8分钟，然后用去离子水冲洗并用氮气吹干，得到复合结构的硅微纳米洞减反射织构，由图2可见，所得到的硅微纳米洞减反射织构为“大坑+小洞”的复合结构。
对比实施例1
1、常温下，将单晶硅片依次用丙酮、乙醇超声清洗10分钟，然后用H2O2与H2SO4、H2O的体积比为1:3:5的混合液超声清洗10分钟，再用去离子水冲洗干净并用氮气吹干。
2、将步骤1清洗后的单晶硅片浸入AgNO3、NaOH、NH3·H2O、葡萄糖、去离子水的混合液中，混合液中AgNO3的浓度为0.05mol/L、NaOH的浓度为0.2mol/L、NH3·H2O的浓度为1mol/L、葡萄糖的浓度为0.005mol/L，60℃水浴4分钟，使硅片表面均匀地镀上一层纳米银颗粒，然后取出用去离子水清洗并用氮气吹干。
3、将步骤2镀银后的单晶硅片置于质量百分比组成为HF10%、H2O215%、去离子水75%的刻蚀液中进行刻蚀，刻蚀时间8分钟，然后取出用去离子水洗净并用氮气吹干。
4、将刻蚀后的硅片置于5mol/L的HNO3水溶液中，超声清洗8分钟，然后用去离子水冲洗并用氮气吹干，得到硅微纳米洞减反射织构。
实施例2
本实施例的步骤4中，将第一次刻蚀后的单晶硅片置于氮气气氛中，加热至300℃，恒温保持60分钟，然后自然冷却至常温。其他步骤与实施例1相同，得到硅微纳米洞减反射织构（见图3）。
实施例3
本实施例的步骤4中，将第一次刻蚀后的单晶硅片置于氮气气氛中，加热至500℃，恒温保持60分钟，然后自然冷却至常温。其他步骤与实施例1相同，得到硅微纳米洞减反射织构（见图4）。
实施例4
本实施例的步骤4中，将第一次刻蚀后的单晶硅片置于氮气气氛中，加热至700℃，恒温保持60分钟，然后自然冷却至常温。其他步骤与实施例1相同，得到硅微纳米洞减反射织构（见图5）。
实施例5
本实施例的步骤3和步骤5中，所用的刻蚀液的质量百分比组成为HF15%、H2O220%、去离子水65%，刻蚀时间为6分钟，其他步骤与实施例1相同，得到硅微纳米洞减反射织构（见图6）。
实施例6
本实施例的步骤3和步骤5中，所用的刻蚀液的质量百分比组成为HF20%、H2O225%、去离子水55%，刻蚀时间为5分钟，其他步骤与实施例1相同，得到硅微纳米洞减反射织构。
实施例7
本实施例的步骤3和步骤5中，所用的刻蚀液的质量百分比组成为HF5%、H2O210%、去离子水85%，刻蚀时间为30分钟，其他步骤与实施例1相同，得到硅微纳米洞减反射织构。
实施例8
本实施例的步骤2中，采用磁控溅射法在清洗后的单晶硅片表面沉积一层纳米银颗粒。其他步骤与实施例1相同，得到硅微纳米洞减反射织构。
以上所述具体实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。应当指出的是，本领域的普通技术人员根据本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形均在本发明的保护范围内。
为了证明本发明的有益效果，发明人采用紫外-可见-近红外分光光谱仪对实施例1～6以及对比实施例1所制得的硅微纳米洞减反射织构的反射率进行测试，结果见图7。由图可见，与对比实施例1（曲线g）中未进行退火和二次刻蚀处理得到的硅微纳米洞减反射织构相比，实施例1～6得到的硅微纳米洞减反射织构的反射率明显降低，其中实施例1得到的硅微纳米洞减反射织构的减反射效果尤为明显（曲线a）。
Claims (8)
1.一种银纳米颗粒辅助两次刻蚀硅微纳米洞减反射织构的制备方法，它由下述步骤组成：
（1）清洗单晶硅片表面；
（2）在清洗后的单晶硅片表面镀一层纳米银颗粒或沉积一层纳米银颗粒；
（3）将镀银或沉积银后的单晶硅片置于刻蚀液中进行第一次刻蚀；
（4）将第一次刻蚀后的单晶硅片置于惰性气氛中，300～700℃退火30～90分钟，然后自然冷却至常温；
（5）将步骤（4）处理后的单晶硅片置于刻蚀液中进行第二次刻蚀；
（6）将第二次刻蚀后的单晶硅片置于硝酸水溶液中超声清洗，得到硅微纳米洞减反射织构；
上述的步骤（3）和（5）中，所用的刻蚀液的质量百分比组成为HF5%～20%、H2O210%～25%、其余为去离子水。
2.根据权利要求1所述的银纳米颗粒辅助两次刻蚀硅微纳米洞减反射织构的制备方法，其特征在于：所述的步骤（1）是在常温下，将单晶硅片依次用丙酮、乙醇超声清洗后，再用H2O2与H2SO4、H2O的体积比为1:3:5的混合液超声清洗，然后用去离子水冲洗干净并用氮气吹干。
3.根据权利要求1所述的银纳米颗粒辅助两次刻蚀硅微纳米洞减反射织构的制备方法，其特征在于：所述的步骤（2）是采用银镜反应在清洗后的单晶硅片表面镀一层纳米银颗粒或采用磁控溅射法在清洗后的单晶硅片表面沉积一层纳米银颗粒。
4.根据权利要求1所述的银纳米颗粒辅助两次刻蚀硅微纳米洞减反射织构的制备方法，其特征在于：所述的步骤（3）中，第一次刻蚀的时间为5～30分钟。
5.根据权利要求1所述的银纳米颗粒辅助两次刻蚀硅微纳米洞减反射织构的制备方法，其特征在于：所述的步骤（4）是将第一次刻蚀后的单晶硅片置于惰性气氛中，400℃退火60分钟，然后自然冷却至常温。
6.根据权利要求1所述的银纳米颗粒辅助两次刻蚀硅微纳米洞减反射织构的制备方法，其特征在于：所述的步骤（5）中，第二次刻蚀的时间为5～30分钟。
7.根据权利要求1所述的银纳米颗粒辅助两次刻蚀硅微纳米洞减反射织构的制备方法，其特征在于：所述的步骤（6）中，将第二次刻蚀后的单晶硅片置于硝酸水溶液中超声清洗5～15分钟，其中硝酸水溶液的浓度为3～7mol/L。
8.根据权利要求1所述的银纳米颗粒辅助两次刻蚀硅微纳米洞减反射织构的制备方法，其特征在于：所述的步骤（3）和（5）中，刻蚀液的质量百分比组成为HF10%、H2O215%、去离子水75%。
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2014
- 2014-03-06 CN CN201410081455.0A patent/CN103887367B/zh not_active Expired - Fee Related
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