CN107302040A - 基于湿法刻蚀硅表面镶嵌Ag纳米线陷光结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于湿法刻蚀硅表面镶嵌Ag纳米线陷光结构的制备方法，本发明采用低功率超声分散的手段，在乙醇溶液中对Ag纳米线进行有效的分散；将分散好的Ag纳米线通过旋涂的方式均匀涂布于硅片的表面；通过退火的方式，提高Ag纳米线与硅片之间的接触。通过刻蚀液刻蚀，将Ag纳米线镶嵌入硅表面，制备出新型复合陷光降阻增效结构。该结构显著的增大Ag纳米线与硅表面的接触面积，同时在可见光频谱范围内极大的提升Ag纳米线在硅内的陷光能力。本发明的设计与制备工艺为提高硅薄膜太阳能电池与LED等器件的效率提供新的技术手段。
Description
技术领域
本发明属于Si基太阳能电池透明导电电极制备技术领域，具体为基于湿法刻蚀硅表面镶嵌Ag纳米线陷光结构的制备方法。
背景技术
Ag纳米线作为一种重要的一维纳米材料因其具有兼具宏观体材料优良的导电性质、柔韧性，同时又具备良好的透光性质，因此在透明加热器、LED与太阳能电池等器件的电极制备中引起了研究者的普遍兴趣。由于Ag纳米线原料来源广泛，成本较低，在透明导电电极制备市场逐渐占据领先地位。随着透明导电电极技术的不断发展和进步，提高光透射率和降低电极电阻是制备中的研究重点。减少Ag纳米线的使用量同时提高Ag纳米线与电极间的接触面积是对透明导电电极增效的主要手段。传统的手段是将Ag纳米线包覆于一层导电的PEDOT - PSS导电薄层用以增大Ag纳米线与电极间的接触面积，从而实现对电极电阻的降低。然而，有机材料的引入进一步的提高了电极的成本，同时有机物的可能存在的老化与分解也会显著的降低透明导电电极的使用寿命。
贵金属纳米粒子辅助湿法刻蚀是一种在Si表面制备维纳结构的重要手段，目前可以制备出孔、线与锥等多种表面形貌。有研究表明，贵金属纳米粒子辅助刻蚀中，纳米粒子可以在刻蚀后保留在刻蚀孔中。因此，利用湿法刻蚀，进一步调控刻蚀工艺，可以将Ag纳米线镶嵌入Si的表面，既增大了Ag纳米线与Si之间的接触降低了电阻，又不会引入有机物降低电极的寿命。同时镶嵌入Si的表面Ag纳米线周遭介电常数的增加，Ag纳米线在Si内部的光学散射能力将显著的提升，非常有利于太阳能电池与LED等器件的电荷与光子能量的收集。由于湿法刻蚀的方法在常温下就可进行，设备要求简单、操作容易、可控性好，具有很好的重现性，而且相对于传统的方法成本大大降低，能与传统的透明导电电极制备工艺相结合，有利于工业化生产。由此可见利用湿法刻蚀将Ag纳米线镶嵌入Si表面制备电极具有明显的优势，因此开发简单、高效的刻蚀制备技术在Si太阳能电池与LED等器件中具有现实的应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供基于湿法刻蚀硅表面镶嵌Ag纳米线陷光结构的制备方法，本发明利用Si湿法刻蚀，通过Ag纳米线自身的催化活性，使得Ag纳米线正下方Si溶解的工艺手段实现Ag纳米线镶嵌于Si表面，从而达到增大电极接触面积与陷光增效双重目的。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
a. 清洗硅片：将硅片浸泡于分析纯丙酮中，常温条件下浸泡2min，将丙酮浸泡过的硅片放入盛有去离子水的超声波容器中，清洗5 min；用CP4A洗液，对超声波处理的硅片进行表面划痕处理，至表面粗糙度小于1nm；将经CP4A洗液处理的硅片放入7%氢氟酸水溶液中，浸泡5～10 min，将氢氟酸水溶液处理的硅片浸泡于盛有去离子水的超声波容器中，清洗3～5min，得到表面清洁的硅片，用氮气将表面清洁的硅片吹干，保存在干燥器内；
b. 配制Ag纳米线悬浊液：将直径为80～200nm，长度为10～50μm的Ag纳米线加入到盛有乙醇的超声波容器中，Ag纳米线和乙醇的质量比为1:100，在功率密度为0.5～1.5W/cm3的超声下分散3～5分钟，得到Ag纳米线悬浊液；
c.制备Ag纳米线硅片：采用旋涂仪将Ag纳米线悬浊液均匀旋涂于步骤a）制备的表面清洁的硅片上，得到Ag纳米线硅片；
d. 制备退火Ag纳米线硅片：在氮气保护下，将Ag纳米线硅片在250～450℃条件下，退火2～3 h，空冷至常温，得到退火Ag纳米线硅片；
e. 制备Ag纳米线镶嵌于硅基底：刻蚀液在常温下刻蚀步骤d）制备的Ag纳米线硅片30～120 s，将Ag纳米线镶嵌于硅基底；
f. 用去离子水清洗步骤e）得到的Ag纳米线镶嵌于硅基底表面，用氮气吹干，放入干燥箱；
g.用扫描电镜研究Ag纳米线在硅衬底表面的镶嵌情况，并通过有限元FDTD模拟展示Ag纳米线在硅衬底表面的陷光性能；
所述CP4A是由质量分数为40%的氢氟酸水溶液、乙酸、质量分数为65%-68%的硝酸水溶液和超纯水按照体积比3:5:3:22的组合物；
所述刻蚀液是HF、H2O2和H2O按照体积比为1:5:10的混合液。
步骤a）所述硅片为(100)的单晶硅片。
所述步骤c）每次滴加 Ag纳米线悬浊液0.5～3 μL，旋涂仪转速为600～1000 r/min。
发明具有以下有益技术效果：本发明利用Ag纳米线自身的催化活性，使得Ag纳米线正下方Si溶解从而实现Ag纳米线镶嵌于Si表面，在Si表面同时达到陷光降阻的目的。能显著增大Ag纳米线与Si表面的接触面积；同时在可见光频谱范围内，提升Ag纳米线在Si表面的陷光能力。该方法为提高Si基太阳能电池的效率与LED器件提供了新的有效技术手段，为太阳能电池的开发及产业化应用提供了新思路。本发明专利用简单的湿法刻蚀的刻蚀手段，无特殊条件要求、操作容易、设备要求简单，因此特别适合商业化大规模生产。
具体实施方式
实施例1
a. 清洗硅片：将硅片浸泡于分析纯丙酮中，常温条件下浸泡2min，将丙酮浸泡过的硅片放入盛有去离子水的超声波容器中，清洗5 min；用CP4A洗液，对超声波处理的硅片进行表面划痕处理，至表面粗糙度为0.9nm；将经CP4A洗液处理的硅片放入7%氢氟酸水溶液中，浸泡7min，将氢氟酸水溶液处理的硅片浸泡于盛有去离子水的超声波容器中，清洗4min，得到表面清洁的硅片，用氮气将表面清洁的硅片吹干，保存在干燥器内；
b. 配制Ag纳米线悬浊液：将直径为90nm，长度为20μm的Ag纳米线加入到盛有乙醇的超声波容器中，Ag纳米线和乙醇的质量比为1:100，在功率密度为0.7W/cm3的超声下分散4分钟，得到Ag纳米线悬浊液；
c.制备Ag纳米线硅片：采用旋涂仪将Ag纳米线悬浊液均匀旋涂于步骤a）制备的表面清洁的硅片上，得到Ag纳米线硅片；
d. 制备退火Ag纳米线硅片：在氮气保护下，将Ag纳米线硅片在300℃条件下，退火2.5h，空冷至常温，得到退火Ag纳米线硅片；
e. 制备Ag纳米线镶嵌于硅基底：刻蚀液在常温下刻蚀步骤d）制备的Ag纳米线硅片60s，将Ag纳米线镶嵌于硅基底；
f. 用去离子水清洗步骤e）得到的Ag纳米线镶嵌于硅基底表面，用氮气吹干，放入干燥箱；
g.用扫描电镜研究Ag纳米线在硅衬底表面的镶嵌情况，并通过有限元FDTD模拟展示Ag纳米线在硅衬底表面的陷光性能；
所述CP4A是由质量分数为40%的氢氟酸水溶液、乙酸、质量分数为65%-68%的硝酸水溶液和超纯水按照体积比3:5:3:22的组合物；
所述刻蚀液是HF、H2O2和H2O按照体积比为1:5:10的混合液。
实施例2
a. 清洗硅片：将硅片浸泡于分析纯丙酮中，常温条件下浸泡2min，将丙酮浸泡过的硅片放入盛有去离子水的超声波容器中，清洗3 min；用CP4A洗液，对超声波处理的硅片进行表面划痕处理，至表面粗糙度为0.7nm；将经CP4A洗液处理的硅片放入7%氢氟酸水溶液中，浸泡6min，将氢氟酸水溶液处理的硅片浸泡于盛有去离子水的超声波容器中，清洗4min，得到表面清洁的硅片，用氮气将表面清洁的硅片吹干，保存在干燥器内；
b. 配制Ag纳米线悬浊液：将直径为120nm，长度为40μm的Ag纳米线加入到盛有乙醇的超声波容器中，Ag纳米线和乙醇的质量比为1:100，在功率密度为0.5W/cm3的超声下分散5分钟，得到Ag纳米线悬浊液；
c.制备Ag纳米线硅片：采用旋涂仪将Ag纳米线悬浊液均匀旋涂于步骤a）制备的表面清洁的硅片上，得到Ag纳米线硅片；
d. 制备退火Ag纳米线硅片：在氮气保护下，将Ag纳米线硅片在400℃条件下，退火2 h，空冷至常温，得到退火Ag纳米线硅片；
e. 制备Ag纳米线镶嵌于硅基底：刻蚀液在常温下刻蚀步骤d）制备的Ag纳米线硅片80s，将Ag纳米线镶嵌于硅基底；
f. 用去离子水清洗步骤e）得到的Ag纳米线镶嵌于硅基底表面，用氮气吹干，放入干燥箱；
g.用扫描电镜研究Ag纳米线在硅衬底表面的镶嵌情况，并通过有限元FDTD模拟展示Ag纳米线在硅衬底表面的陷光性能；
所述CP4A是由质量分数为40%的氢氟酸水溶液、乙酸、质量分数为65%-68%的硝酸水溶液和超纯水按照体积比3:5:3:22的组合物；
所述刻蚀液是HF、H2O2和H2O按照体积比为1:5:10的混合液。
实施例3
a. 清洗硅片：将硅片浸泡于分析纯丙酮中，常温条件下浸泡2min，将丙酮浸泡过的硅片放入盛有去离子水的超声波容器中，清洗5 min；用CP4A洗液，对超声波处理的硅片进行表面划痕处理，至表面粗糙度为0.4nm；将经CP4A洗液处理的硅片放入7%氢氟酸水溶液中，浸泡7min，将氢氟酸水溶液处理的硅片浸泡于盛有去离子水的超声波容器中，清洗4min，得到表面清洁的硅片，用氮气将表面清洁的硅片吹干，保存在干燥器内；
b. 配制Ag纳米线悬浊液：将直径为150nm，长度为20μm的Ag纳米线加入到盛有乙醇的超声波容器中，Ag纳米线和乙醇的质量比为1:100，在功率密度为0.7W/cm3的超声下分散4分钟，得到Ag纳米线悬浊液；
c.制备Ag纳米线硅片：采用旋涂仪将Ag纳米线悬浊液均匀旋涂于步骤a）制备的表面清洁的硅片上，得到Ag纳米线硅片；
d. 制备退火Ag纳米线硅片：在氮气保护下，将Ag纳米线硅片在350℃条件下，退火2.5h，空冷至常温，得到退火Ag纳米线硅片；
e. 制备Ag纳米线镶嵌于硅基底：刻蚀液在常温下刻蚀步骤d）制备的Ag纳米线硅片60s，将Ag纳米线镶嵌于硅基底；
f. 用去离子水清洗步骤e）得到的Ag纳米线镶嵌于硅基底表面，用氮气吹干，放入干燥箱；
g.用扫描电镜研究Ag纳米线在硅衬底表面的镶嵌情况，并通过有限元FDTD模拟展示Ag纳米线在硅衬底表面的陷光性能；
所述CP4A是由质量分数为40%的氢氟酸水溶液、乙酸、质量分数为65%-68%的硝酸水溶液和超纯水按照体积比3:5:3:22的组合物；
所述刻蚀液是HF、H2O2和H2O按照体积比为1:5:10的混合液。
实施例4
a. 清洗硅片：将硅片浸泡于分析纯丙酮中，常温条件下浸泡2min，将丙酮浸泡过的硅片放入盛有去离子水的超声波容器中，清洗5 min；用CP4A洗液，对超声波处理的硅片进行表面划痕处理，至表面粗糙度为0.5nm；将经CP4A洗液处理的硅片放入7%氢氟酸水溶液中，浸泡7min，将氢氟酸水溶液处理的硅片浸泡于盛有去离子水的超声波容器中，清洗4min，得到表面清洁的硅片，用氮气将表面清洁的硅片吹干，保存在干燥器内；
b. 配制Ag纳米线悬浊液：将直径为180nm，长度为30μm的Ag纳米线加入到盛有乙醇的超声波容器中，Ag纳米线和乙醇的质量比为1:100，在功率密度为0.7W/cm3的超声下分散4分钟，得到Ag纳米线悬浊液；
c.制备Ag纳米线硅片：采用旋涂仪将Ag纳米线悬浊液均匀旋涂于步骤a）制备的表面清洁的硅片上，得到Ag纳米线硅片；
d. 制备退火Ag纳米线硅片：在氮气保护下，将Ag纳米线硅片在300℃条件下，退火2.5h，空冷至常温，得到退火Ag纳米线硅片；
e. 制备Ag纳米线镶嵌于硅基底：刻蚀液在常温下刻蚀步骤d）制备的Ag纳米线硅片60s，将Ag纳米线镶嵌于硅基底；
f. 用去离子水清洗步骤e）得到的Ag纳米线镶嵌于硅基底表面，用氮气吹干，放入干燥箱；
g.用扫描电镜研究Ag纳米线在硅衬底表面的镶嵌情况，并通过有限元FDTD模拟展示Ag纳米线在硅衬底表面的陷光性能；
所述CP4A是由质量分数为40%的氢氟酸水溶液、乙酸、质量分数为65%-68%的硝酸水溶液和超纯水按照体积比3:5:3:22的组合物；
所述刻蚀液是HF、H2O2和H2O按照体积比为1:5:10的混合液。
Claims (3)
1.基于湿法刻蚀硅表面镶嵌Ag纳米线陷光结构的制备方法，其特征在于按照以下步骤进行：
a. 清洗硅片：将硅片浸泡于分析纯丙酮中，常温条件下浸泡2min，将丙酮浸泡过的硅片放入盛有去离子水的超声波容器中，清洗5 min；用CP4A洗液，对超声波处理的硅片进行表面划痕处理，至表面粗糙度小于1nm；将经CP4A洗液处理的硅片放入7%氢氟酸水溶液中，浸泡5～10 min，将氢氟酸水溶液处理的硅片浸泡于盛有去离子水的超声波容器中，清洗3～5min，得到表面清洁的硅片，用氮气将表面清洁的硅片吹干，保存在干燥器内；
b. 配制Ag纳米线悬浊液：将直径为80～200nm，长度为10～50μm的Ag纳米线加入到盛有乙醇的超声波容器中，Ag纳米线和乙醇的质量比为1:100，在功率密度为0.5～1.5W/cm3的超声下分散3～5分钟，得到Ag纳米线悬浊液；
c.制备Ag纳米线硅片：采用旋涂仪将Ag纳米线悬浊液均匀旋涂于步骤a）制备的表面清洁的硅片上，得到Ag纳米线硅片；
d. 制备退火Ag纳米线硅片：在氮气保护下，将Ag纳米线硅片在250～450℃条件下，退火2～3 h，空冷至常温，得到退火Ag纳米线硅片；
e. 制备Ag纳米线镶嵌于硅基底：刻蚀液在常温下刻蚀步骤d）制备的Ag纳米线硅片30～120 s，将Ag纳米线镶嵌于硅基底；
f. 用去离子水清洗步骤e）得到的Ag纳米线镶嵌于硅基底表面，用氮气吹干，放入干燥箱；
g.用扫描电镜研究Ag纳米线在硅衬底表面的镶嵌情况，并通过有限元FDTD模拟展示Ag纳米线在硅衬底表面的陷光性能；
所述CP4A是由质量分数为40%的氢氟酸水溶液、乙酸、质量分数为65%-68%的硝酸水溶液和超纯水按照体积比3:5:3:22的组合物；
所述刻蚀液是HF、H2O2和H2O按照体积比为1:5:10的混合液。
2.如权利要求1所述基于湿法刻蚀硅表面镶嵌Ag纳米线陷光结构的制备方法，其特征在于，步骤a）所述硅片为(100)的单晶硅片。
3.如权利要求1所述基于湿法刻蚀硅表面镶嵌Ag纳米线陷光结构的制备方法，其特征在于，所述步骤c）每次滴加 Ag纳米线悬浊液0.5～3 μL，旋涂仪转速为600～1000 r/min。
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