CN103022266A - 一种基于lsp效应陷光增效新型减反射结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太阳能电池技术领域，特别涉及一种基于LSP效应陷光增效新型减反射结构的制备方法。本发明先利用碱刻蚀在单晶硅表面刻蚀出锥体形貌，然后利用溅射-退火手段在锥体表面沉积一层非连续的银纳米颗粒的方法，得到了由银纳米颗粒与锥体结构复合的新型陷光结构。本发明结构在全太阳光谱范围内比单纯的锥体结构反射率降低3.4%。本发明采用了简单实用的硅片清洗与银纳米颗粒溅射沉积工艺过程，提出了一种更为有效的陷光结构的制备方法，利用常温湿法刻蚀手段，结合LSP效应，获得了比传统碱性刻蚀所得结构更高的减反射效果，该方法的设计与制备工艺为提高硅及硅薄膜太阳能电池的效率提供新的技术手段。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，特别涉及一种基于LSP效应陷光增效新型减反射结构的制备方法。
技术背景
硅是地壳上最丰富的半导体元素，冶炼提纯技术工艺比较成熟，因此成为固态电子器件的主要原料。目前，硅材料应用在光伏领域的增长率已高于它在集成电路领域的增长率。由于硅材料来源广泛，成本较低，在太阳能电池市场占据主导地位。随着太阳能电池技术的不断发展和进步，提高太阳能电池的转换效率和降低成本是太阳电池领域的研究重点。其中，减少电池表面对入射光的反射和提高入射光的吸收是提高太阳能电池光电转换效率的一种重要手段。传统的减反射措施主要是在硅衬底表面或电池的受光面制备TiOx(x≤2)、SiNx等减反射膜。这些方法一般需要复杂的设备，过程复杂、操作难度大，制备成本较高。而利用湿法刻蚀得到的硅片表面有很好的减反射效果，而且该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，相对于在Si表面制备减反射膜，刻蚀成本大大降低，而且能与太阳能电池制备工艺相结合，有利于工业化生产。在湿法刻蚀基础上，利用电镀、溅射、银镜反应、蒸镀或自组装等手段在硅片表面沉积一层均匀分布的纳米或亚微米级厚度、非连续的贵金属颗粒用于激发LSP效应，可以进一步提高太阳能电池的表面陷光效率。在这些技术手段中，由于溅射的方法简单、镀层均匀等特点，越来越受到人们的青睐。由此可见传统锥体表面陷光结构结合银纳米颗粒的LSP陷光增效，在太阳能电池表层陷光结构制备上具有非常现实的应用价值。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种基于LSP效应陷光增效新型减反射结构的制备方法。
一种基于LSP效应陷光增效新型减反射结构的制备方法，先利用碱刻蚀在单晶硅表面刻蚀出锥体形貌，然后利用溅射-退火手段在锥体表面沉积一层非连续的银纳米颗粒的方法，得到了由银纳米颗粒与锥体结构复合的新型陷光结构，具体步骤如下：
a. 将电阻率为8 Ω·cm~13 Ω·cm的(100)单晶硅片浸泡在丙酮溶液中，在35 ℃水浴中超声10 min~20 min；然后用去离子水冲洗干净后，超声10 min~15 min；取出样品，放在CP4A清洗液中常温浸泡3 min~5 min，所述CP4A清洗液为质量分数为40%的氢氟酸、乙酸、质量分数为65%~68%的硝酸及超纯水组成的混合溶液，其中质量分数为40%的氢氟酸、乙酸、质量分数为65%~68%的硝酸及超纯水的体积比为3:5:3:22；最后用质量分数为14%的氢氟酸溶液浸泡2 min~3 min后，取出用去离子水冲洗干净，然后用氮气吹干，放入干燥器中备用；
b. 用质量分数为3%的氢氧化钠、体积分数为8%的异丙醇配置刻蚀液，其中质量分数为3%的氢氧化钠与体积分数为8%的异丙醇溶液的体积比为25：2，在80 ℃水浴条件下刻蚀经步骤1处理好的样品30 min~50 min，在硅表面刻蚀出锥体结构；
c. 利用高分辨磁控离子溅射仪在已刻蚀的锥体结构表面镀银，溅射电流为15 mA~50 mA、溅射时间为15 s~30 s；
d. 步骤c所得锥体结构表面镀银样品在氮气保护下，在350 ℃~400℃条件下，退火2 h~3 h，待冷却后，在硅表面形成一层粒径在40 nm~100 nm之间的非连续银纳米颗粒，即得到基于LSP效应陷光增效新型减反射结构。
所述(100)单晶硅片的尺寸为2 cm×2 cm。
所述去离子水电阻率不小于16 Ω·cm。
所述锥体形貌为金字塔、方锥、圆锥和四面体结构形貌中的一种或多种。
本发明的有益效果为：
利用本发明的方法制备出硅表面陷光增效结构，通过表面覆盖非连续银纳米颗粒的方法，使得表面覆盖有非连续银纳米颗粒的锥体结构在全太阳光谱范围内陷光性能得到增效。具体的效果表现为：在全太阳光谱范围，表面镀有非连续银纳米颗粒锥体的陷光结构的反射率比单纯的锥体陷光结构低了3.4%。该方法为提高硅基太阳能电池的转换效率提供了新的有效技术手段，为太阳能电池的开发及产业化提供了新思路。本发明利用简单的湿法刻蚀手段，无特殊条件要求、操作容易、设备要求简单；银纳米颗粒溅射沉积工艺比化学合成方法简单、节省时间，得到的银纳米颗粒均匀，能够很好地激发LSP效应，从而保证了结构更高的减反射性能。
附图说明
图1 为(100)单晶硅刻蚀35分钟后得到的表面锥体陷光结构的电镜照片；
图2 为在锥体结构表面镀上一层非连续银纳米颗粒的电镜照片；
图3 为全太阳光谱范围内表面镀有银颗粒的锥体陷光结构与单纯锥体陷光结构反射率的比较曲线。
具体实施方式
本发明提供了一种基于LSP效应陷光增效新型减反射结构的制备方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例1
1. 把电阻率为12 Ω·cm的(100)单晶硅片切割成2×2 cm的样品，然后浸泡在丙酮溶液中，在35 ℃水浴中超声10 min；然后用去离子水冲洗3次后浸泡在去离子水中超声10 min；取出样品，放在CP4A清洗液中常温浸泡5 min；最后用质量分数为14%的氢氟酸溶液浸泡2min后，取出样品，用去离子水冲洗3次，然后用氮气吹干，放入干燥器中备用。
2. 用刻蚀液在80 ℃水浴条件下刻蚀经步骤1处理好的样品40 min，得到表面锥体结构的硅片，在刻蚀过程中可观察到大量气泡在硅片的表面和周围生成，光亮的硅表面随着刻蚀时间的增加逐渐变暗失去光泽。刻蚀结束后，用去离子水冲洗刻蚀后的样品，然后用去离子水超声10 min，再用去离子水冲洗3次，最后用氮气吹干。
3. 利用高分辨磁控离子溅射仪镀银：溅射电流为30 mA、溅射时间为30 s，在经过步骤2刻蚀后的硅片样品表面镀上一层银膜。
4. 氮气氛退火：在氮气氛保护的环境下，在温度为400 ℃的温度下退火3 h，使得样品表面的银膜团聚成纳米颗粒，从而在锥体陷光结构表面形成一层非连续的银纳米颗粒，如图2所示。
5. 反射率的测试对比，在全太阳光谱范围内表面镀有银颗粒的锥体陷光结构比单纯的锥体陷光结构低3.4%，如图3所示。
本发明采用(100)单晶硅片，利用简单的硅片清洗工艺，获得表面清洁的样品，避免了传统清洗方法的耗时、工艺复杂、效率较低、且设备要求苛刻的缺点。对于清洗后的单晶硅片，先用氢氧化钠与异丙醇的混合溶液对样品进行刻蚀，反应过程中可观察到硅片周围和表面有气泡生成，随着刻蚀的进行，硅片表面的金属光泽消失。刻蚀后在单晶硅表面形成了锥体陷光结构；然后溅射一层银膜，通过退火工艺，在锥体陷光结构的表面形成一层非连续分布的银纳米颗粒，最终得到由银纳米颗粒与锥体结构复合的新型陷光结构。
Claims (4)
1.一种基于LSP效应陷光增效新型减反射结构的制备方法，其特征在于，先利用碱刻蚀在单晶硅表面刻蚀出锥体形貌，然后利用溅射-退火手段在锥体表面沉积一层非连续的银纳米颗粒的方法，得到了由银纳米颗粒与锥体结构复合的新型陷光结构，具体步骤如下：
a. 将电阻率为8 Ω·cm~13 Ω·cm的(100)单晶硅片浸泡在丙酮溶液中，在35 ℃水浴中超声10 min~20 min；然后用去离子水冲洗干净后，超声10 min~15 min；取出样品，放在CP4A清洗液中常温浸泡3 min~5 min，所述CP4A清洗液为质量分数为40%的氢氟酸、乙酸、质量分数为65%~68%的硝酸及超纯水组成的混合溶液，其中质量分数为40%的氢氟酸、乙酸、质量分数为65%~68%的硝酸及超纯水的体积比为3:5:3:22；最后用质量分数为14%的氢氟酸溶液浸泡2 min~3 min后，取出用去离子水冲洗干净，然后用氮气吹干，放入干燥器中备用；
b. 用质量分数为3%的氢氧化钠、体积分数为8%的异丙醇配置刻蚀液，其中质量分数为3%的氢氧化钠与体积分数为8%的异丙醇溶液的体积比为25：2，在80 ℃水浴条件下刻蚀经步骤1处理好的样品30 min~50 min，在硅表面刻蚀出锥体结构；
c. 利用高分辨磁控离子溅射仪在已刻蚀的锥体结构表面镀银，溅射电流为15 mA~50 mA、溅射时间为15 s~30 s；
d. 步骤c所得锥体结构表面镀银样品在氮气保护下，在350 ℃~400℃条件下，退火2 h~3 h，待冷却后，在硅表面形成一层粒径在40 nm~100 nm之间的非连续银纳米颗粒，即得到基于LSP效应陷光增效新型减反射结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述(100)单晶硅片的尺寸为2 cm×2 cm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述去离子水电阻率不小于16 Ω·cm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述锥体形貌为金字塔、方锥、圆锥和四面体结构形貌中的一种或多种。
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