CN110282594A - 基于硅微纳结构的水伏器件及其制备方法和应用 - Google Patents

基于硅微纳结构的水伏器件及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于硅微纳结构的水伏器件的制备方法，包括以下步骤：S1、提供一掺杂的硅片，采用金属辅助刻蚀的方法在所述硅片的正面刻蚀形成硅微纳结构；S2、通过成膜工艺或物理气相沉积的方法，在所述硅片的背面覆盖背电极，所述背电极为金属电极或导电聚合物电极；S3、在所述硅微纳结构的表面印刷栅形电极，即得所述水伏器件。本发明还提供了由上述方法制备的基于硅微纳结构的水伏器件及其应用。本发明的基于硅微纳结构的水伏器件，制备工艺简单、安全，具有优异的功率输出和相对高的电流密度，且对湿气具有高灵敏性，在湿度传感器、新型能源转化技术领域显示出广阔的实际应用前景。

Description

基于硅微纳结构的水伏器件及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及水伏技术领域，具体涉及一种基于硅微纳结构的水伏器件及其制备方法和应用。
背景技术
当今社会，能源和环境问题日益严重地影响着社会的快速发展。对清洁可再生能源的研究和应用已经引起了社会的广泛关注。越来越多的再生能源的收集形式竞相发展，如纳米摩擦发电技术、压电技术、热电技术等。
最近，水伏技术作为一种新型的能源转化技术显示出迅猛的发展势头。作为一种借助水的流动产生电能的技术，因其材料的方便易得、价格低廉、无毒、无污染等优异性质，使其具有广阔的应用前景。此外，水覆盖了约71％的地球表面,占人体重量约70％，在细胞里的含量可达80％。水的无处不在也为水伏技术的发展提供无限可能。经过几年的发展，水伏技术涵盖了以纳米碳材料为主广泛的材料体系，有绝缘体和半导体，却受制于较低的输出功率，这也严重制约了其商业应用。基于此，深入探索更具拓展性的水伏效应物理机制，优化设计并可控制备高效廉价的水伏效应新材料和新器件，提升器件的稳定性、协同性和耐久性，完善和发展水伏理论，开拓无处不在的水伏效应的应用更具实际意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于硅微纳结构的水伏器件，该水伏器件具有优异的功率输出和相对高的电流密度，且对湿气具有高灵敏性，在湿度传感器、新型能源转化技术领域显示出广阔的实际应用前景。
本发明目的在于提供一种基于硅微纳结构的水伏器件的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供一掺杂的硅片，采用金属辅助刻蚀的方法在所述硅片的正面刻蚀形成硅微纳结构；
S2、通过成膜工艺或物理气相沉积的方法，在所述硅片的背面覆盖背电极，所述背电极为金属电极或导电聚合物电极；
S3、在所述硅微纳结构的表面印刷栅形电极，即得所述水伏器件。
进一步地，步骤S1中，所述硅微纳结构为硅纳米线阵列、硅纳米孔、硅纳米棒、硅纳米线网络或硅金字塔。
进一步地，步骤S1中，所述硅片的掺杂浓度各不相同，掺杂类型为N型或P型，掺杂物质包括B，Sb，P，N。对应的电阻率可为0.01～0.02Ω*cm，0.1～0.5Ω*cm，0.9～1Ω*cm，5～7Ω*cm，1～10Ω*cm等。
进一步地，步骤S1中，所述掺杂硅片在刻蚀前，经HF水溶液浸泡处理，以除去硅片表面多余的SiO2，优选地HF水溶液的浓度为5％。
进一步地，步骤S1中，所述金属辅助刻蚀的金属离子为Ag+，镀银液为4.8M HF和0.01M AgNO3配置的水溶液，刻蚀液为4.8M HF和0.3M H2O2配置的水溶液。
本发明中，通过调控刻蚀液浓度和刻蚀温度可获得形貌均匀、长度可调的硅纳米线阵列。通过优化刻蚀温度发现，在35℃的条件下，电阻率为0.01～0.02Ω*cm的硅片刻蚀30min，可以制备出30μm形貌均匀的硅纳米线阵列，变化刻蚀时间可以获得长度可调的硅纳米线阵列。
进一步地，步骤S2中，所述金属为金或银，所述导电聚合物为PEDOT:PSS、导电聚苯胺或银胶。
本发明中，成膜工艺包括旋转涂敷、刮涂等，利用成膜工艺，将3，4-乙烯二氧噻吩单体的聚合物(PEDOT:PSS)、导电聚苯胺、银胶等涂于纳米线阵列背面作电极。物理气相沉积包括热真空蒸镀、电子束镀膜等，借助物理气相沉积的方法，将金、银等金属被沉积到硅纳米线阵列的背面，所述银胶优选为SPI导电银胶。
进一步地，步骤S3中，栅形电极的材料为银胶、铜胶、银纳米线或碳糊电极。
进一步地，步骤S3中，所述银胶为SPI导电银胶。
进一步地，本发明还提供了由所述的方法制备得到的水伏器件。
此外，本发明还提供了所述的水伏器件在湿度传感器和能源转化领域的应用。该水伏器件涉及的材料本身方便易得、无毒无污染；器件制备简便、易操作，具有优异的功率输出，相对高的电流密度，对湿气具有高灵敏性。
本发明的有益效果在于：
本发明的基于硅微纳结构的水伏器件，器件制备工艺简单，具有优异的功率输出和相对高的电流密度，且对湿气具有高灵敏性，在湿度传感器、新型能源转化技术等领域显示出广阔的实际应用前景。此外，本发明的水伏器件也是对水伏材料体系的一次完善，为水伏技术的发展和理论研究有重要意义。
附图说明
图1是本发明中基于硅微纳结构的水伏器件的结构图；
图2是本发明实施例1中硅纳米线阵列的扫描电镜图；
图3是本发明实施例2中水伏器件的滴水测试方法图；
图4是本发明实施例3中水伏器件的蒸发测试流程图和蒸发诱导的持续电压曲线；
图5是本发明中实施例3中水伏器件的成功点亮商业LED；
图6是本发明中实施例4中水伏器件呼吸响应测试方法示意图；
图7是本发明中实施例4中水伏器件呼吸响应测试电能输出曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1：制备硅纳米线阵列水伏器件
本发明中基于硅微纳结构的水伏器件的结构包括栅形上电极、硅纳微纳结构、背电极。以硅纳米线阵列基的水伏器件为例，其制备方法包括以下步骤：
(1)不同掺杂浓度的硅片，经过金属辅助化学刻蚀，通过调控刻蚀液浓度和刻蚀温度可获得形貌均匀、长度可调的硅纳米线阵列。
(2)借助成膜工艺，在硅纳米线阵列背面制备全覆盖银胶电极，利用印刷的方法在硅纳米线阵列正面制备出栅形银胶电极。
(3)待银胶自然晾干后，器件便制备完成，空气中存放以备后续测试使用。
金属辅助化学刻蚀制备硅纳米线阵列的步骤如下：
刻蚀过程包含银的沉积和化学刻蚀两步，其中镀银液为4.8M HF和0.01M AgNO3配置的水溶液，刻蚀液为4.8M HF和0.3M H2O2配置的水溶液。先将硅片切割成2*2cm2的小片，将硅片置于特定清洗架中，依次在超声波清洗机中用超纯水、丙酮、乙醇对其进行清洁处理。待清洗完成后，将硅片置于5％HF水溶液中表面处理3min以除去多余SiO2。后室温条件下将硅片置于镀银液中1min以完成银在硅片表面的沉积。之后便将镀银的硅片放置于刻蚀液中进行硅纳米线阵列的刻蚀。通过优化刻蚀温度发现在35℃的条件下，电阻率为0.01～0.02Ω*cm的硅片刻蚀30min可以制备出30μm形貌均匀的硅纳米线阵列，变化刻蚀时间可以获得长度可调的硅纳米线阵列。
上述基于硅微纳结构的水伏器件结构，如图1所示。
对上述硅纳米线阵列进行SEM的表征，如图2，硅线表面新貌均匀。硅线之间的通道宽度低于200nm。
测试与表征
1、滴水测试
将制备好的水伏器件置于实验台，并与keithley 2612A接成回路，后将1ml的超纯水滴到器件上，并用计算机收集电学信号。
对上述水伏器件进行电学表征，如图3，该水伏器件可以输出高达600mV的开路电压和近20μA的短路电流。
2、蒸发测试
将超纯水滴到水伏器件后，为避免外界抖动对测试的干扰，整个测试环境是在无风的室内进行的，在一定湿度下，通过调节温度来改变蒸发速度。
上述水在器件上蒸发的过程及持续的电压输出，如图4，在18℃、45％RH的环境下，该水伏器件可以稳定输出超过150mV的电能直至水从器件上蒸发掉。
上述器件蒸发诱导的电能足以点亮商业化LED，如图5，在65℃、28％RH的环境下，6个串联器件成功点亮商业化LED。
3、呼吸响应测试
将制备好的水伏器件置于实验台，并与keithley 2612A接成回路，后对器件进行呼气并通过计算机收集电学信号。呼吸对应的心率范围为每分钟70-85次。
在上述测试方法下，如图7，该水伏器件可以输出可重复的接近300mV的电压，电流密度也超过1μA/cm2，显示出优异的湿度响应。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种基于硅微纳结构的水伏器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、提供一掺杂的硅片，采用金属辅助刻蚀的方法在所述硅片的正面刻蚀形成硅微纳结构；
S2、通过成膜工艺或物理气相沉积的方法，在所述硅片的背面覆盖背电极，所述背电极为金属电极或导电聚合物电极；
S3、在所述硅微纳结构的正面印刷栅形电极，即得所述水伏器件。
2.如权利要求1所述的基于硅微纳结构的水伏器件的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述硅微纳结构为硅纳米线阵列、硅纳米孔、硅纳米棒、硅纳米线网络或硅金字塔。
3.如权利要求1所述的基于硅微纳结构的水伏器件的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述硅片的掺杂类型为N型或P型，掺杂物质包括B，Sb，P，N。
4.如权利要求1所述的基于硅微纳结构的水伏器件的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述掺杂硅片在刻蚀前，经HF水溶液浸泡处理。
5.如权利要求1所述的基于硅微纳结构的水伏器件的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述金属辅助刻蚀的金属离子为Ag+，镀银液为4.8M HF和0.01M AgNO3配置的水溶液，刻蚀液为4.8M HF和0.3M H2O2配置的水溶液。
6.如权利要求1所述的基于硅微纳结构的水伏器件的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述金属电极的材料为金或银，所述导电聚合物电极的材料为PEDOT:PSS、导电聚苯胺或银胶。
7.如权利要求1所述的基于硅微纳结构的水伏器件的制备方法，其特征在于，步骤S3中，栅形电极的材料为银胶、铜胶、银纳米线或碳糊电极。
8.如权利要求7所述的基于硅微纳结构的水伏器件的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述银胶为SPI导电银胶。
9.如权利要求1～8任一项所述的方法制备得到的水伏器件。
10.权利要求9所述的水伏器件在湿度传感器和能源转化领域的应用。
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