基于MACE的大面积单晶硅基纳微米结构阵列太阳电池研究

通过采用常温、简单、成本低且与产线完全兼容的金属辅助化学刻蚀方法(MACE),在太阳电池正面制备硅纳米线、硅纳微米复合结构以及硅倒金字塔等结构,并且采用不同的钝化方式对太阳电池正面和背面实施钝化,以期提高器件的光学和电学性能.结果表明,在原子层沉积(ALD)的氧化铝对单晶硅纳微米结构上,同时实现了最低的光学减反(1.38%)和最低的表面复合速率(44.72cm/s),基于该结构的n型太阳电池最高转换效率达到21.04%.同时,制备出了光电转换效率为20.0%,PECVD-SiO2/SiNx叠层钝化的标准太阳电池尺寸的p型硅基纳微米复合结构太阳电池器件.进一步研究显示为一种新型硅倒金字塔结构阵列,具备更优异的光电性能.这些基于MACE的纳微米结构阵列太阳电池显示出在新一代高效太阳电池方面的极强竞争力.

MACE法制备多孔硅的形貌及光致发光性能

采用金属辅助化学腐蚀(MACE)法,通过控制不同的腐蚀时间制备出多孔硅。利用扫描电子显微镜(SEM)观察多孔硅形貌,分析结果表明,随着腐蚀时间的增加,硅表面腐蚀孔洞变大,孔洞深度增加,同时孔洞深度的增加速率随之变缓。采用325 nm He-Cd激光光源的荧光光谱仪进行光致发光测试,研究在325 nm的激发光下不同腐蚀时间多孔硅的发光性能。发光强度与多孔硅的腐蚀时间及形貌有关,腐蚀时间延长,多孔硅形貌改变,多孔硅的发光强度先增加后减少。腐蚀20 min时多孔硅的发光强度最大,比腐蚀5 min时增加了74%,发光峰位基本不发生变化。多孔硅光致发光性能的研究可为各种基于多孔硅光电器件的研究提供一定的参考。

多孔硅制备及在太阳能电池中的应用研究进展

多孔硅是通过对单晶硅片进行电化学腐蚀或适当的化学腐蚀而形成的一种纳米结构半导体材料。多孔硅纳米材料因其巨大的表面积、可调谐的光学性质和良好的相容性,被广泛应用于电子器件、生物传感、化学传感、药物传递、生物芯片等诸多领域。当前研究的挑战主要在于开发更简单高效的多孔硅纳米材料合成方法以及提高其在实际应用中的表现。综述了多孔硅纳米材料的制备方法及其光致发光在太阳能电池领域中的应用。

金属辅助化学刻蚀法制备硅纳米线的研究进展

硅纳米线(Si NWs)由于具有独特的一维结构、热电导率、光电性质、电化学性能等特点,被广泛应用于热电与传感器件、光电子元器件、太阳能电池、锂离子电池等领域。金属辅助化学刻蚀法(MACE)是制备Si NWs的常用方法之一,具有操作简便、设备简单、成本低廉和高效等优点,可大规模商业化应用,因而近年来被广泛研究。金属辅助化学刻蚀制备硅纳米线的过程可以分为两步:首先在洁净的硅衬底表面沉积一层金属(Ag、Au、Pt等)纳米颗粒,以催化、氧化它附近的硅原子;然后利用HF溶解氧化层,从而对硅晶片进行刻蚀,形成纳米线阵列。然而,这种简单高效的制备硅纳米线的方法存在一些难以控制的缺点:(1)金属纳米颗粒聚集、相连后造成Si NWs之间的缝隙比较大,从而导致Si NWs密度较低;(2)由于金属纳米颗粒沉积的随机性,在硅晶片表面分布不均匀,不仅导致刻蚀出的纳米线直径范围(50～200 nm)较宽,而且使制得的纳米线阵列排列无序且间距不易调控;(3)当刻蚀出的硅纳米线太长时,范德华力等作用会造成纳米线顶端出现严重的团簇现象。针对常规法存在的一些问题以及不同的器件对硅纳米线的形貌、类型和直径等的要求,近年来的研究主要集中在如何减少纳米线顶端团簇、调控纳米表面粗糙度和直径、低成本制备有序硅纳米线等方面。目前一些改进常规金属辅助化学刻蚀的方法取得了进展,比如:(1)用酸溶液或UV/Ozone对硅晶片预处理,在表面形成氧化层,可以使纳米线的均匀性得到改善并增大其密度(从18%提高到38%);(2)使用物理气相沉积法在硅晶片表面沉积一层金属纳米薄膜,然后再刻蚀,这种方法能够减少纳米线顶端团簇和有效调控纳米线直径;(3)利用模板法(聚苯乙烯小球模板、氧化铝模板、二氧化硅模板和光刻胶模板等)可以制备出有序的硅纳米线阵列。本课题组用离子束刻蚀的方法制备了直径范围可以控制在30～90 nm的聚苯乙烯小球模板,为小尺寸有序硅纳米线的制备打下了坚实的基础。本文简要介绍了常规MACE的原理和制备流程,总结了硅晶片的类型、刻蚀溶液的浓度、温度和刻蚀时间等因素对Si NWs形貌、尺度、表面粗糙度、刻蚀方向以及刻蚀速率的影响,用相关的机制解释了H2O2过量时刻蚀路径偏离垂直方向的机理以及刻蚀速率随溶液浓度变化的原因,重点综述了氧化层预处理、物理法沉积贵金属纳米薄膜、退火处理和模板法等改进方法在减少纳米线顶部团簇、改善均匀性、制备有序且直径和间距可控纳米线中的研究进展。

基于Au辅助化学刻蚀法实现低成本制备硅纳米线阵列

Au在Si表面的成膜质量对金属辅助化学刻蚀法制备硅纳米线至关重要。以Ti、Cr作为浸润层,可显著改善Au在硅表面的成岛趋势,获得优质的Au膜并大幅度减少Au的使用量。同时,针对加入Ti、Cr后对Au辅助化学刻蚀影响的研究表明,Cr在刻蚀液中是稳定的,因此阻碍了Au催化刻蚀反应,而Ti与反应溶液快速反应,不影响Au对Si衬底化学刻蚀的催化作用。基于以上工作,以PS球为模板沉积制备Ti/Au(3nm/20nm)优质膜,使用金属辅助化学刻蚀,制备了有序的Si纳米线阵列。

多晶黑硅表面微结构对电池效率的影响

采用Ag离子辅助化学刻蚀法制备了多晶黑硅薄片,使用NaOH溶液处理多晶黑硅表面,增大其表面纳米孔直径,使SiN_x薄膜能够均匀覆盖整个黑硅表面,提高黑硅的钝化效果,进而提高多晶黑硅电池光电转化效率。通过反射谱仪、扫描电子显微镜(SEM)、太阳电池测试系统等测试和表征不同扩孔时间对多晶黑硅各方面性能的影响。结果表明:未被NaOH扩孔处理的多晶黑硅的反射率最低,为5.03%,多晶黑硅太阳电池的光电转化效率为16.51%。当多晶黑硅被NaOH腐蚀40 s时,反射率为10.01%,电池的效率为18.00%,比普通多晶硅太阳电池的效率高2.19%,比未被扩孔处理的多晶黑硅太阳电池的效率高1.49%。

基于直流-交变电场的单晶硅3D微纳结构制备方法研究

贵金属颗粒辅助化学腐蚀法在制备硅微纳线结构方面具有独特的作用。为了自动控制贵金属颗粒在单晶硅体内的运动方向,提高制备复杂3D硅微纳结构的可能性和结构品质,提出一种基于复合电场的单晶硅3D微纳结构制备方法。设计了直流-交变复合电场模型来研究贵金属颗粒辅助化学腐蚀法的机理,并分析了电场频率对单晶硅微纳结构的影响。设计了外电场控制模型及试验,讨论了电场强度和电场方向对腐蚀效率和腐蚀轨迹的作用规律。微结构观测结果验证了利用电场控制腐蚀加工过程的可行性,得到了优化的电场电流密度和电场频率工作区间,为制备3D硅微纳结构提供了新的试验思路和机理分析途径。

铜辅助化学腐蚀条件对多孔硅的影响

以铜(Cu)作为催化剂,采用两步化学腐蚀法成功制备了微纳米多孔硅(PS)。本文方法成本低廉、操作简易。系统研究了腐蚀液中H2O2浓度、Si衬底掺杂浓度、腐蚀液温度和腐蚀时间对PS表面形貌和腐蚀深度的影响,并得到最佳制备参数。高、低掺Si衬底所采用的最佳配比腐蚀液中的H2O2浓度分别达到0.70mol/L和0.24mol/L。在25℃腐蚀液中,腐蚀2h得到约200nm深的纳米级孔洞,其表面反射率在宽波段内降低到5%以下;而在50℃腐蚀液中,经过2~4h的腐蚀,可得到14~41μm深的结构稳定的微纳米级孔洞。文中还对Cu辅助腐蚀与其他金属辅助腐蚀(MACE)作了对比,分析了Cu辅助腐蚀获得锥状孔洞的原因和机理。