CN104990965B - 一种纳米二氧化硅熔盐中电沉积硅膜基体电化学评估方法 - Google Patents
一种纳米二氧化硅熔盐中电沉积硅膜基体电化学评估方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种纳米二氧化硅熔盐中电沉积硅膜基体电化学评估方法,按以下步骤进行:(1)将氯化钙置于反应器中;插入石墨电极;(2)将氯化钙加热形成熔盐,通过电极进行预电解,两电极的电压1.0±0.1V;(3)制作工作电极;(4)制成复合电极;(5)制成三电极体系;(6)将固态熔盐覆盖多晶硅片,加热熔化形成熔盐;(7)测量嵌入电位,通过塔菲尔曲线获得自腐蚀电位VCorr(X‑Si);(8)向熔盐中加入纳米二氧化硅形成混合熔盐;(9)通过两个石墨电极对混合熔盐进行二次预电解;(10)通过三电极体系测量还原电位VR(SiO2);(11)计算σ和δ。采用本发明的方法可通过简单的试验,分析何种材料可直接作为纳米二氧化硅在氯化钙熔盐中电化学还原电沉积硅膜的阴极基体。
Description
技术领域
本发明属于电化学技术领域,特别涉及一种纳米二氧化硅熔盐中电沉积硅膜基体电化学评估方法。
背景技术
因相对成本低、性能好,硅在太阳能光伏电池、光电催化和锂离子电池电极材料等领域得到广泛应用;目前商业化太阳能光伏电池的主要原材料是晶体硅,晶体硅太阳能电池占市场份额的90%以上。
现有多晶硅主流生产技术是改良西门子法,是高门槛、高投入的技术,投资巨大(动辄几十亿甚至上百亿),生产成本高,流程长,工艺条件难控制,中间产物腐蚀性强对设备要求严格;低成本、节能、环保、高效光电性能光伏硅的获得是该产业发展的重要环节;国内外企业、科研单位纷纷把精力集中到了多晶硅生产的新工艺、新技术研发上。其中以二氧化硅为原料,熔盐中电化学还原制备多晶硅是研究的热点。2012年,美国Allen J. Bard博士课题组发表了以3N纯度的纳米二氧化硅作原料,石墨作阳极,银薄片作阴极兼基体,将纳米二氧化硅分散到氯化钙熔盐中,850℃直接电化学还原,在银片上电沉积获得了高纯度、具有光电性能特征p-型硅膜的研究成果;该成果不仅继承了熔盐电解技术可低成本、节能、环保获得高品质硅的特点,更重要的是发现了利用熔盐电化学手段可将低纯度、低成本的二氧化硅原料直接还原成具有光电性能的功能化p-型光伏硅膜;这不仅为低成本、节能、环保,直接的利用二氧化硅制备太阳能光伏电池器件提供了新手段,也为熔盐电化学在新能源应用开辟了新方向。但银是比较昂贵的金属材料,寻找一种相对廉价、与硅膜能够形成稳定界面的阴极基体材料势在必行;但可用于纳米二氧化硅熔盐中电沉积硅膜的阴极基体材料如何选择的评估方法却未见报道;建立一种简单、直接,实用的选择基体材料的评估方法和理论具有重要的理论和实际价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种纳米二氧化硅熔盐中电沉积硅膜基体电化学评估方法,将基体材料制成复合电极,通过测量氯化钙熔盐中钙离子在复合电极上的嵌入或析出电位,测量复合电极在熔盐中自腐蚀电位,测量纳米二氧化硅在熔盐中的还原电位,进而计算出还原电位与嵌入或析出电位的电位差,还原电位与自腐蚀电位的电位差,准确评估电沉积硅膜过程基体与电沉积的硅膜的界面稳定性,进而判断材料是否可以直接用作纳米二氧化硅熔盐中电沉积硅膜的基体。
本发明的方法按以下步骤进行:
1、将氯化钙烘干去除水分,然后置于坩埚中,再将坩埚置于反应器中;将两个石墨电极插入到氯化钙中,封闭反应器,通过反应器上的进气口和出气口向反应器中持续通入氩气,在反应器内形成氩气气氛;两个石墨电极构成一个两电极体系;
2、将氯化钙加热至850±5℃熔化形成熔盐,加热过程中产生的湿气被氩气带走,通过两个石墨电极构成的两电极体系对氯化钙进行预电解,两电极的电压1.0±0.1V,当电流密度≤10mA/cm2时停止预电解,取出两个石墨电极,熔盐冷却凝固形成固态熔盐;
3、将基体材料X制成带有尖端的棒状材料,用碱液去除表面杂质,再置于HF溶液中除杂,然后用水清洗吹干,制成工作电极;
4、采用钼杆作为电集流体,用钼丝将工作电极和钼杆捆绑在一起制成复合电极;
5、采用两个石墨棒分别作为辅助电极和伪参比电极,分别在辅助电极和伪参比电极一端打孔,分别将一个钼杆作为延长引线插入孔中与辅助电极和伪参比电极进行连接,复合电极、辅助电极和伪参比电极构成三电极体系;
6、将多晶硅片用碱液和HF溶液除杂,并用蒸馏水清洗吹干,置于坩埚底部;将固态熔盐放入坩埚覆盖多晶硅片,将三电极体系和两电极体系悬于坩埚之上,密封于反应器中,加热至800~830℃固态熔盐熔化形成熔盐;
7、将三电极体系插入熔盐中,其中复合电极深入至熔盐底部使工作电极的尖端与多晶硅片接触,构建工作电极-硅点接触界面;采用循环伏安法和计时电位法测量钙离子在工作电极上的嵌入电位VD(X-Si-Ca2+),通过塔菲尔曲线获得工作电极的自腐蚀电位VCorr(X-Si);
8、将三电极体系取出;向熔盐中加入纳米二氧化硅并静置至少30min,形成混合熔盐;纳米二氧化硅的加入量按每升熔盐加入0.2±0.02mol;
9、将两电极体系插入混合熔盐中,控制混合熔盐的温度为800~830℃,通过两个石墨电极对混合熔盐进行二次预电解,两电极的电压1.0±0.1V,当电流密度≤10 mA/cm2时停止预电解,取出两个石墨电极;
10、将三电极体系置于混合熔盐中,通过电化学工作站,采用循环伏安法和计时电位法测量纳米二氧化硅在工作电极上的还原电位VR(SiO2);
11、计算σ和δ,σ= VR(SiO2)-VD(X-Si-Ca2+),δ= VCorr(X-Si)- VR(SiO2);当σ≥0.3V时,且δ≤0.25时,工作电极-硅界面稳定, 工作电极采用的基体材料X能够直接用作纳米二氧化硅熔盐中电沉积硅膜的基体。
上述的纳米二氧化硅的粒度在15~20nm,纯度为3N。
上述的基体材料X为硅、银、钼、铜、石墨、不锈钢或钨。
上述方法中,步骤4采用的钼杆的直径在1±0.1mm,钼丝的直径在0.25±0.01mm。
上述方法中,对反应器内的物料进行加热是将反应器置于硅碳管炉中加热。
上述的步骤3和6中选用的碱液为重量浓度30%的氢氧化钠溶液,选用的HF溶液的重量浓度为10%。
本发明的方法原理是:电化学体系中,自腐蚀电位是电极体系全部阳极反应总速度与全部阴极反应总速度相等时的电极电位,该值越大,其他条件不变,材料表面稳定性越差;根据电化学理论,施加电位负于自腐蚀电位时,材料界面被保护、易稳定;反之则界面不稳定;因此,外部施加电位与材料自腐蚀电位的关系,能有效预判处于介质环境中的材料界面稳定性;
制备硅膜的过程是通过施加电位使纳米二氧化硅被电化学还原成硅;要施加负于纳米二氧化硅还原电位才能保证纳米二氧化硅还原,同时施加的电位又不能负于熔盐分解即钙离子的嵌入或析出电位来保障熔盐不分解,因此,施加电位要保持在纳米二氧化硅还原电位和熔盐不被分解的电位范围内;
VR(SiO2)-VD(X-Si-Ca2+)的值σ决定了外部施加还原二氧化硅的电位调整范围,σ值越正,外部施加的电位可以越负于VR(SiO2),越有利于快速、高纯度的沉积硅;VCorr(X-Si)-VR(SiO2)的值δ决定了外部施加的还原二氧化硅的电位对电极界面的保护能力调整范围,δ值越接近0,外部施加的还原二氧化硅电位越容易负于VCorr(X-Si),硅与电极界面越易被保护,稳定、界面结合好。
采用本发明的方法可通过简单的试验,分析何种材料可直接作为纳米二氧化硅在氯化钙熔盐中电化学还原电沉积硅膜的阴极基体,不需要对材料进行复杂的硅膜沉积。
具体实施方式
本发明实施例中采用的氯化钙为市购分析纯试剂。
本发明实施例中采用的石墨电极为市购产品。
本发明实施例中采用的碱液为重量浓度30%的氢氧化钠溶液。
本发明实施例中采用的HF溶液的重量浓度为10%。
本发明实施例中采用的多晶硅片为市购产品,直径5cm。
本发明实施例中采用的水为蒸馏水。
本发明实施例中采用的硅、银、钼、铜、石墨、不锈钢和钨为市购产品。
本发明实施例中采用的钼杆为市购产品,纯度99.99%。
本发明实施例中采用的电化学工作站型号为CHI660E。
本发明实施例中,反应器的出气口通过管道延伸至反应器外部的水池内液面的下方,当氩气持续流通时,有气泡冒出。
本发明实施例中,将氯化钙烘干去除水分是将氯化钙置于高温真空干燥箱中,在温度250℃和压力10Pa条件下干燥6h,除去吸附水和部分结晶水。
本发明实施例中采用的纳米二氧化硅为市购产品,粒度在15~20nm,纯度为3N。
本发明实施例中带有尖端的棒状材料的直径在1±0.1mm,尖端处直径≤0.1mm。
本发明实施例中步骤4采用的钼杆的直径在1±0.1mm,钼丝的直径在0.25±0.01mm。
本发明实施例中对反应器内的物料进行加热是将反应器置于硅碳管炉中加热。
实施例1
1、将氯化钙烘干去除水分,然后置于坩埚中,再将坩埚置于反应器中;将两个石墨电极插入到氯化钙中,封闭反应器,通过反应器上的进气口和出气口向反应器中持续通入氩气,在反应器内形成氩气气氛;两个石墨电极构成一个两电极体系;
2、将氯化钙加热至850±5℃熔化形成熔盐,加热过程中产生的湿气被氩气带走,通过两个石墨电极构成的两电极体系对氯化钙进行预电解,两电极的电压1.0±0.1V,当电流密度≤10mA/cm2时停止预电解,取出两个石墨电极,熔盐冷却凝固形成固态熔盐;
3、将基体材料X(硅棒)制成带有尖端的棒状材料,用碱液去除表面杂质,再置于HF溶液中除杂,然后用水清洗吹干,制成工作电极;
4、采用钼杆作为电集流体,用钼丝将工作电极和钼杆捆绑在一起制成复合电极;
5、采用两个石墨棒分别作为辅助电极和伪参比电极,分别在辅助电极和伪参比电极一端打孔,分别将一个钼杆作为延长引线插入孔中与辅助电极和伪参比电极进行连接,复合电极、辅助电极和伪参比电极构成一个三电极体系;
6、将多晶硅片用碱液和HF溶液除杂,并用蒸馏水清洗吹干,置于坩埚底部;将固态熔盐放入坩埚覆盖多晶硅片,将三电极体系和两电极体系悬于坩埚之上,密封于反应器中,加热至800℃固态熔盐熔化形成熔盐;
7、将三电极体系插入熔盐中,其中复合电极深入至熔盐底部使工作电极的尖端与多晶硅片接触,构建工作电极-硅点接触界面;采用循环伏安法和计时电位法测量钙离子在工作电极上的嵌入电位VD(Si -Si-Ca2+),通过塔菲尔曲线获得工作电极的自腐蚀电位VCorr(Si -Si);
8、将三电极体系取出;向熔盐中加入纳米二氧化硅并静置至少30min,形成混合熔盐;纳米二氧化硅的加入量按每升熔盐加入0.2±0.02mol;
9、将两电极体系插入混合熔盐中,控制混合熔盐的温度为800℃,通过两个石墨电极对混合熔盐进行二次预电解,两电极的电压1.0±0.1V,当电流密度≤10 mA/cm2时停止预电解,取出两个石墨电极;
10、将三电极体系置于混合熔盐中,通过电化学工作站,采用循环伏安法和计时电位法测量纳米二氧化硅在工作电极上的还原电位VR(SiO2);
11、计算σ和δ,σ= VR(SiO2)-VD(Si -Si-Ca2+),δ= VCorr(Si -Si)- VR(SiO2);电位差σ≈0.8V,δ≈0.1V,工作电极-硅界面稳定, 硅能够直接用作纳米二氧化硅熔盐中电沉积硅膜的基体;
采用上述方法,步骤6加热至830℃固态熔盐熔化形成熔盐,步骤9控制混合熔盐的温度为830℃,其他方式相同,电位差σ和δ值基本相同。
实施例2
方法同实施例1,不同点在于:
(1)步骤3的基体材料X为银棒;
(2)采用循环伏安法和计时电位法测量钙离子在工作电极上的嵌入电位VD(Ag -Si-Ca2+);通过塔菲尔曲线获得工作电极的自腐蚀电位VCorr(Ag -Si);采用循环伏安法和计时电位法测量纳米二氧化硅在工作电极上的还原电位VR(SiO2);计算σ和δ,σ= VR(SiO2)-VD(Ag -Si-Ca2+) ,δ= VCorr(Ag -Si)- VR(SiO2);电位差σ≈0.75V,δ≈0.15V,工作电极-硅界面稳定, 银能够直接用作纳米二氧化硅熔盐中电沉积硅膜的基体;
采用上述方法,步骤6加热至830℃固态熔盐熔化形成熔盐,步骤9控制混合熔盐的温度为830℃,其他方式相同,电位差σ和δ值基本相同。
实施例3
方法同实施例1,不同点在于:
(1)步骤3的基体材料X为钼;
(2)采用循环伏安法和计时电位法测量钙离子在工作电极上的嵌入电位VD(Mo-Si-Ca2+);通过塔菲尔曲线获得工作电极的自腐蚀电位VCorr(Mo-Si);采用循环伏安法和计时电位法测量纳米二氧化硅在工作电极上的还原电位VR(SiO2);计算σ和δ,σ= VR(SiO2)-VD(Mo-Si-Ca2+),δ= VCorr(Mo-Si)- VR(SiO2);电位差σ≈0.5V,δ≈0.5V,工作电极-硅界面结合不好,不稳定, 钼不能直接用作纳米二氧化硅熔盐中电沉积硅膜的基体;
采用上述方法,步骤6加热至830℃固态熔盐熔化形成熔盐,步骤9控制混合熔盐的温度为830℃,其他方式相同,电位差σ≈0.55V,δ≈0.52V。
实施例4
方法同实施例1,不同点在于:
(1)步骤3的基体材料X为铜;
(2)采用循环伏安法和计时电位法测量钙离子在工作电极上的嵌入电位VD(Cu -Si-Ca2+);通过塔菲尔曲线获得工作电极的自腐蚀电位VCorr(Cu -Si);采用循环伏安法和计时电位法测量纳米二氧化硅在工作电极上的还原电位VR(SiO2);计算σ和δ,σ= VR(SiO2)-VD(X-Si-Ca2+),δ= VCorr(Cu -Si)- VR(SiO2);电位差σ≈0.55V,δ≈0.6V,工作电极-硅界面结合不好,不稳定, 铜不能直接用作纳米二氧化硅熔盐中电沉积硅膜的基体;
采用上述方法,步骤6加热至830℃固态熔盐熔化形成熔盐,步骤9控制混合熔盐的温度为830℃,其他方式相同,电位差σ≈0.57V,δ≈0.55V。
实施例5
方法同实施例1,不同点在于:
(1)步骤3的基体材料X为石墨;
(2)采用循环伏安法和计时电位法测量钙离子在工作电极上的嵌入电位VD(C-Si-Ca2+);通过塔菲尔曲线获得工作电极的自腐蚀电位VCorr(C -Si);采用循环伏安法和计时电位法测量纳米二氧化硅在工作电极上的还原电位VR(SiO2);计算σ和δ,σ= VR(SiO2)-VD(C -Si-Ca2+) ,δ= VCorr(C -Si)- VR(SiO2);电位差σ≈1.2V,δ≈0.15V,工作电极-硅界面稳定,石墨能够直接用作纳米二氧化硅熔盐中电沉积硅膜的基体;
采用上述方法,步骤6加热至830℃固态熔盐熔化形成熔盐,步骤9控制混合熔盐的温度为830℃,其他方式相同,电位差σ≈1.5V,δ≈0.15V。
实施例6
方法同实施例1,不同点在于:
(1)步骤3的基体材料X为不锈钢;
(2)采用循环伏安法和计时电位法测量钙离子在工作电极上的嵌入电位VD(Fe-Si-Ca2+);通过塔菲尔曲线获得工作电极的自腐蚀电位VCorr(Fe -Si);采用循环伏安法和计时电位法测量纳米二氧化硅在工作电极上的还原电位VR(SiO2);计算σ和δ,σ= VR(SiO2)-VD(Fe -Si-Ca2+) ,δ= VCorr(Fe -Si)- VR(SiO2);电位差σ≈0.54V,δ≈0.45V,工作电极-硅界面结合、稳定性不好, 不锈钢不能直接用作纳米二氧化硅熔盐中电沉积硅膜的基体;
采用上述方法,步骤6加热至830℃固态熔盐熔化形成熔盐,步骤9控制混合熔盐的温度为830℃,其他方式相同,电位差σ和δ值基本相同。
实施例7
方法同实施例1,不同点在于:
(1)步骤3的基体材料X为钨;
(2)采用循环伏安法和计时电位法测量钙离子在工作电极上的嵌入电位VD(W-Si-Ca2+);通过塔菲尔曲线获得工作电极的自腐蚀电位VCorr(W-Si);采用循环伏安法和计时电位法测量纳米二氧化硅在工作电极上的还原电位VR(SiO2);计算σ和δ,σ= VR(SiO2)-VD(W-Si-Ca2+) ,δ= VCorr(W -Si)- VR(SiO2);测得σ≈0.55V,δ≈0.55V,工作电极-硅界面结合不好、不稳定, 钨不能直接用作纳米二氧化硅熔盐中电沉积硅膜的基体;
采用上述方法,步骤6加热至830℃固态熔盐熔化形成熔盐,步骤9控制混合熔盐的温度为830℃,其他方式相同,电位差σ≈0.55V,δ≈0.5V。
Claims (4)
1.一种纳米二氧化硅熔盐中电沉积硅膜基体电化学评估方法,其特征在于按以下步骤进行:
(1)将氯化钙烘干去除水分,然后置于坩埚中,再将坩埚置于反应器中;将两个石墨电极插入到氯化钙中,封闭反应器,通过反应器上的进气口和出气口向反应器中持续通入氩气,在反应器内形成氩气气氛;两个石墨电极构成一个两电极体系;
(2)将氯化钙加热至850±5℃熔化形成熔盐,加热过程中产生的湿气被氩气带走,通过两个石墨电极构成的两电极体系对氯化钙进行预电解,两电极的电压1.0±0.1V,当电流密度≤10mA/cm2时停止预电解,取出两个石墨电极,熔盐冷却凝固形成固态熔盐;
(3)将基体材料X制成带有尖端的棒状材料,用碱液去除表面杂质,再置于HF溶液中除杂,然后用水清洗吹干,制成工作电极;
(4)采用钼杆作为电集流体,用钼丝将工作电极和钼杆捆绑在一起制成复合电极;
(5)采用两个石墨棒分别作为辅助电极和伪参比电极,分别在辅助电极和伪参比电极一端打孔,分别将一个钼杆作为延长引线插入孔中与辅助电极和伪参比电极进行连接,复合电极、辅助电极和伪参比电极构成三电极体系;
(6)将多晶硅片用碱液和HF溶液除杂,并用蒸馏水清洗吹干,置于坩埚底部;将固态熔盐放入坩埚覆盖多晶硅片,将三电极体系和两电极体系悬于坩埚之上,密封于反应器中,加热至800~830℃固态熔盐熔化形成熔盐;
(7)将三电极体系插入熔盐中,其中复合电极深入至熔盐底部使工作电极的尖端与多晶硅片接触,构建工作电极-硅点接触界面;采用循环伏安法和计时电位法测量钙离子在工作电极上的嵌入电位VD(X-Si-Ca2+),通过塔菲尔曲线获得工作电极的自腐蚀电位VCorr(X-Si);
(8)将三电极体系取出;向熔盐中加入纳米二氧化硅并静置至少30min,形成混合熔盐;纳米二氧化硅的加入量按每升熔盐加入0.2±0.02mol;
(9)将两电极体系插入混合熔盐中,控制混合熔盐的温度为800~830℃,通过两个石墨电极对混合熔盐进行二次预电解,两电极的电压1.0±0.1V,当电流密度≤10 mA/cm2时停止预电解,取出两个石墨电极;
(10)将三电极体系置于混合熔盐中,通过电化学工作站,采用循环伏安法和计时电位法测量纳米二氧化硅在工作电极上的还原电位VR(SiO2);
(11)计算σ和δ,σ= VR(SiO2)-VD(X-Si-Ca2+),δ= VCorr(X-Si)- VR(SiO2);当σ≥0.3V时,且δ≤0.25时,工作电极-硅点接触界面稳定, 工作电极采用的基体材料X能够直接用作纳米二氧化硅熔盐中电沉积硅膜的基体。
2.根据权利要求1所述的一种纳米二氧化硅熔盐中电沉积硅膜基体电化学评估方法,其特征在于所述的纳米二氧化硅的粒度在15~20nm,纯度为3N。
3.根据权利要求1所述的一种纳米二氧化硅熔盐中电沉积硅膜基体电化学评估方法,其特征在于所述的基体材料X选用硅、银、钼、铜、石墨、不锈钢或钨。
4.根据权利要求1所述的一种纳米二氧化硅熔盐中电沉积硅膜基体电化学评估方法,其特征在于步骤(4)采用的钼杆的直径在1±0.1mm,钼丝的直径在0.25±0.01mm。
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