CN107634005A - 一种基于金属辅助化学刻蚀技术制备硅纳米线阵列的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于金属辅助化学刻蚀技术制备硅纳米线阵列的方法，属于半导体纳米材料的制备技术领域。本发明首先配制一定参数的氢氟酸（HF）和硝酸银（AgNO3）混合溶液，接着超声混合溶液3～5min；将清洗好的硅片放入混合溶液中沉积Ag颗粒，然后将硅片置于一定参数的氢氟酸（HF）和双氧水（H2O2）混合溶液中，利用混合溶液与Ag颗粒及硅片形成原电池的原理，制备出长度可控的硅纳米线阵列。该方法具有低成本、工艺简单、生产效率高等特点，为制备硅纳米线太阳能电池提供了更简便的途径。
Description
技术领域
本发明涉及半导体纳米材料的制备方法，特别是涉及一种基于金属辅助化学刻蚀技术制备硅纳米线阵列的方法。
背景技术
纳米线又被称为量子线，它是一种在横向上被限制在100nm以下，纵向上没有限制的一维半导体材料。在纳米线中，电子（或空穴）在横向上的运动受到限制，这将产生一系列的量子效应，如表面效应、库伦阻塞效应、量子限制效应、小尺寸效应及陷光性能等。以上效应均有利于纳米线太阳能电池的设计，其中表面效应和小尺寸效应使得纳米线对光的反射系数显著下降，这将显著提升对光谱的吸收率，导致纳米线具有优异的陷光性能。因此，纳米线具有的优异陷光性能可以成为设计硅纳米线太阳能电池可行性的重要理论依据。
获得高光电转换效率硅纳米线太阳能电池的最关键技术是制作分布均匀、长度均一且小于载流子扩散距离的硅纳米线。在硅纳米线太阳能电池中，纳米线的长度和均匀性对光生载流子的数目及利用率有很大影响。为了制备长度均匀且合适的硅纳米线，有课题组报道采用反应离子束刻蚀、光刻机刻蚀、AAO模板刻蚀来制备分布均匀、长度均一的硅纳米线。与上述工艺进行比较，基于金属辅助化学刻蚀技术制备尺寸可控的硅纳米线阵列具有操作简单、工艺简便、制作成本低等特点，有利于硅纳米线产业化推广。
发明内容
本发明目的在于提供一种成本低、工艺简单、制备效率高且易于产业化的一种基于金属辅助化学刻蚀技术制备硅纳米线阵列的方法。
基于本发明设计的硅纳米线太阳能电池可用于解决目前太阳能电池普遍存在的光电转换效率低的缺点，并且可以在一定程度上解决其他方法制备硅纳米线太阳能电池存在的工艺繁琐、设备要求高、制备成本高等问题。
本发明通过下列技术方案实现：
（1）清洗：使用硅片标准清洗步骤除去硅基底上的污染物，再置于3％～5％的氢氟酸（HF）溶液中浸泡60～90s，最后用去离子水清洗2～3次，用N2吹干；
（2）沉积Ag纳米颗粒：在避光处，将步骤（1）得到的硅片放入超声处理过的氢氟酸（HF）和硝酸银（AgNO3）混合溶液中，静置90s～120s，沉积Ag纳米颗粒；
（3）刻蚀：将步骤（2）得到的硅片放入氢氟酸（HF）和双氧水（H2O2）混合溶液中，在温度为20～30℃条件下刻蚀2～10min；
（4）除去Ag颗粒：将步骤（3）得到的硅片放入稀硝酸溶液中浸泡60～90min，去除硅表面剩余的Ag颗粒；
（5）除去氧化层：将步骤（4）得到的硅片用去离子水漂洗2～3次，然后在3％～5％的HF溶液中浸泡1～2min，去除硅表面的氧化层；
（6）干燥纳米线：将步骤（5）得到的样品用去离子水漂洗2～3次，然后放入温度为50～60℃的干燥箱中，保温20～30min，即得到长度为2～14μm、宽度为50～150nm的硅纳米线阵列。
所述的Si片为（100）方向，可以选自P型掺杂、N型掺杂、本征型Si片中的一种。
所述的步骤（2）中HF和AgNO3混合溶液配比为，HF:AgNO3=x:y（4 mol/L ≤ x ≤ 5mol/L; 0.005 mol/L ≤ y ≤ 0.01 mol/L）等体积混合。
所述的步骤（2）中超声混合溶液的频率为40KHz，时间为3～5min。
所述的步骤（3）中HF和H2O2混合溶液配比为，40％氢氟酸（HF）:30％双氧水（H2O2）=x:y（4 mL ≤ x ≤ 8 mL; 1 mL ≤ y ≤ 2 mL）。
所述的步骤（4）中稀硝酸溶液的配比为，HNO3:H2O=x:y（5mL ≤ x ≤ 10 mL; 5 mL≤ y ≤ 10 mL）。
附图说明
图1为本发明所述基于金属辅助化学刻蚀方法制备硅纳米线阵列的流程示意图；
图2为本发明实施实例1制备的硅纳米线截面SEM图；
图3为本发明实施实例1制备的硅纳米线截面SEM放大图；
图4为本发明实施实例2制备的硅纳米线截面SEM图；
图5为本发明实施实例3制备的硅纳米线截面SEM图。
具体实施方式
实施例1：
（1）硅片的清洗：依次用丙酮和无水乙醇超声清洗15～20min，接着将硅片置于体积比为1:1的H2SO4和H2O2的混合溶液中煮沸3～5min，然后将它们置于质量分数为3％～5％的HF溶液中浸泡60～90s，最后用去离子水清洗2～3次，用N2吹干；以上每一步完成后，都需要使用去离子水冲洗2～3次；
（2）Ag颗粒的沉积：在避光环境中配制浓度比为HF:AgNO3=4.0 mol/L:0.005 mol/L的等体积混合溶液，接着将盛有混合溶液的塑料烧杯超声5min，然后将步骤（1）得到的硅片置于混合溶液中，静置120s，沉积Ag颗粒；
（3）纳米线的刻蚀：将步骤（2）得到的硅片放入体积比为40％HF:30％H2O2=4:1的溶液中，在25℃条件下刻蚀10min；
（4）除去Ag颗粒：将步骤（3）得到的硅片置于稀硝酸（HNO3:H2O=5mL: 5mL）溶液中浸泡60min，去除剩余的Ag颗粒；
（5）除去氧化层：将步骤（4）得到的硅片用去离子水冲洗硅片2～3次，然后用5％的HF溶液浸泡2min，去除硅表面的氧化层；
（6）干燥纳米线：将步骤（5）得到的硅片用去离子水冲洗2～3次，最后在干燥箱内50℃条件下保温30min，即得到长度为13～14μm、宽度为70～140nm的硅纳米线阵列。
实施例2
（1）硅片的清洗：依次用丙酮和无水乙醇超声清洗15～20min，接着将硅片置于体积比为1:1的H2SO4和H2O2的混合溶液中煮沸3～5min，然后将它们置于质量分数为3％～5％的HF溶液中浸泡60～90s，最后用去离子水清洗2～3次，用N2吹干；以上每一步完成后，都需要使用去离子水冲洗2～3次；
（2）Ag颗粒的沉积：在避光环境中配制浓度比为HF:AgNO3=5.0 mol/L：0.01 mol/L的等体积混合溶液，接着将盛有混合溶液的塑料烧杯超声5min，然后将步骤（1）得到的硅片置于混合溶液中，静置90s，沉积Ag颗粒；
（3）纳米线的刻蚀：将步骤（2）得到的硅片放入体积比为40％HF:30％H2O2=4:1的溶液中，在25℃条件下刻蚀6min；
（4）除去Ag颗粒：将步骤（3）得到的硅片置于稀硝酸（HNO3:H2O=10 mL: 10 mL）溶液中浸泡60min，去除剩余的Ag颗粒；
（5）除去氧化层：将步骤（4）得到的硅片用去离子水冲洗硅片2～3次，然后用5％的HF溶液浸泡1min，去除硅表面的氧化层；
（6）干燥纳米线：将步骤（5）得到的硅片用去离子水冲洗2～3次，最后在干燥箱内50℃条件下保温30min，即得到长度为7～8μm、宽度为70～140nm的硅纳米线阵列。
实施例3
（1）硅片的清洗：依次用丙酮和无水乙醇超声清洗15～20min，接着将硅片置于体积比为1:1的H2SO4和H2O2的混合溶液中煮沸3～5min，然后将它们置于质量分数为3％～5％的HF溶液中浸泡60～90s，最后用去离子水清洗2～3次，用N2吹干；以上每一步完成后，都需要使用去离子水冲洗2～3次；
（2）Ag颗粒的沉积：在避光环境中配制浓度比为HF:AgNO3=5.0 mol/L：0.005 mol/L的等体积混合溶液，接着将盛有混合溶液的塑料烧杯超声5min，然后将步骤（1）得到的硅片置于混合溶液中，静置110s，沉积Ag颗粒；
（3）纳米线的刻蚀：将步骤（2）得到的硅片放入体积比为40％HF:30％H2O2=4:1的溶液中，在25℃条件下刻蚀2min；
（4）除去Ag颗粒：将步骤（3）得到的硅片置于稀硝酸（HNO3:H2O=5 mL:10 mL）溶液中浸泡90min，去除剩余的Ag颗粒；
（5）除去氧化层：将步骤（4）得到的硅片用去离子水冲洗硅片2～3次，然后用5％的HF溶液浸泡1min，去除硅表面的氧化层；
（6）干燥纳米线：将步骤（5）得到的硅片用去离子水冲洗2～3次，最后在干燥箱内50℃条件下保温30min，即得到长度为2～3μm、宽度为70～140nm的硅纳米线阵列。
实施例4
（1）硅片的清洗：依次用丙酮和无水乙醇超声清洗15～20min，接着将硅片置于体积比为1:1的H2SO4和H2O2的混合溶液中煮沸3～5min，然后将它们置于质量分数为3％～5％的HF溶液中浸泡60～90s，最后用去离子水清洗2～3次，用N2吹干；以上每一步完成后，都需要使用去离子水冲洗2～3次；
（2）Ag颗粒的沉积：在避光环境中配制浓度比为HF:AgNO3=4.0 mol/L：0.01 mol/L的等体积混合溶液，接着将盛有混合溶液的塑料烧杯超声5min，然后将步骤（1）得到的硅片置于混合溶液中，静置80s，沉积Ag颗粒；
（3）纳米线的刻蚀：将步骤（2）得到的硅片放入体积比为40％HF:30％H2O2=4:1的溶液中，在25℃条件下刻蚀4min；
（4）除去Ag颗粒：将步骤（3）得到的硅片置于稀硝酸（HNO3:H2O=5 mL:5 mL）溶液中浸泡60min，去除剩余的Ag颗粒；
（5）除去氧化层：将步骤（4）得到的硅片用去离子水冲洗硅片2～3次，然后用5％的HF溶液浸泡1min，去除硅表面的氧化层；
（6）干燥纳米线：将步骤（5）得到的硅片用去离子水冲洗2～3次，最后在干燥箱内50℃条件下保温30min，即得到长度为4～5μm、宽度为70～140nm的硅纳米线阵列。
Claims (5)
1.一种基于金属辅助化学刻蚀技术制备硅纳米线阵列的方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）清洗：使用标准硅片清洗步骤除去晶向为（100）硅基底上的污染物，再置于3％～5％的氢氟酸（HF）溶液中浸泡60～90s，最后用去离子水清洗2～3次，用N2吹干；
（2）沉积Ag纳米颗粒：在避光处，将步骤（1）得到的硅片放入超声处理过的氢氟酸（HF）和硝酸银（AgNO3）混合溶液中，静置90～120s，沉积Ag纳米颗粒;
（3）刻蚀：将步骤（2）得到的硅片放入氢氟酸（HF）和双氧水（H2O2）混合溶液中，在温度为20～30℃条件下刻蚀2～10min；
（4）除去Ag颗粒：将步骤（3）得到的硅片放入稀硝酸溶液中浸泡60～90min，去除硅表面剩余的Ag颗粒；
（5）除去氧化层：将步骤（4）得到的硅片用去离子水漂洗2～3次，然后在3％～5％的HF溶液中浸泡1～2min，去除硅表面的氧化层；
（6）干燥纳米线：将步骤（5）得到的样品用去离子水漂洗2～3次，然后放入温度为50～60℃的干燥箱中，保温20～30min，即得到长度为2～14μm、宽度为50～150nm的无序硅纳米线。
2.根据权利要求1所述的一种基于金属辅助化学刻蚀技术制备硅纳米线阵列的方法，其特征在于步骤（2）中HF和AgNO3混合溶液配比为，HF:AgNO3=x:y（4 mol/L ≤ x ≤ 5mol/L; 0.005 mol/L ≤ y ≤ 0.01 mol/L）等体积混合。
3.根据权利要求1所述的一种基于金属辅助化学刻蚀技术制备硅纳米线阵列的方法，其特征在于步骤（2）中超声混合溶液的频率为40KHz，时间为3～5min。
4.根据权利要求1所述的一种基于金属辅助化学刻蚀技术制备硅纳米线阵列的方法，其特征在于步骤（3）中HF和H2O2的混合溶液配比为，40％氢氟酸（HF）:30％双氧水（H2O2）=x:y（4 mL ≤ x ≤ 8 mL; 1 mL ≤ y ≤ 2 mL）。
5.根据权利要求1所述的一种基于金属辅助化学刻蚀技术制备硅纳米线阵列的方法，其特征在于步骤（4）中稀硝酸溶液的体积配比为，HNO3:H2O=x:y（5mL ≤ x ≤ 10 mL; 5mL ≤ y ≤ 10 mL）。
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