一种多晶黑硅结构及其液相制备方法技术

本发明专利技术公开一种用于高效太阳电池的多晶黑硅结构及其液相制备方法。其制备方法包括：(1)对硅片进行预清洗；(2)利用金属辅助化学腐蚀(MACE)技术，在硅片表面制备黑硅结构；(3)采用NSR(Nano-Structure-Rebuilding)溶液对黑硅结构进行优化处理。最后形成一种易于钝化的均匀分布的倒金字塔结构。本发明专利技术是一种利用NSR溶液对黑硅结构进行优化处理的方法，在高转换效率的多晶黑硅太阳电池制备中有巨大的应用潜力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于高效太阳电池制作的多晶黑硅结构及其液相制备方法。
技术介绍
在众多提高太阳电池转换效率的方法中，降低硅片表面反射率是一种非常有效的方式。现有的生产技术中，单晶硅采用碱制绒制备微米级金字塔结构，多晶硅采用酸制绒制备微米级蠕虫状结构，单晶反射率控制在11%左右，多晶反射率控制在24%左右，反射率仍有较大大的优化空间。黑娃技术发现于20世纪90年代末，哈佛大学Eric Mazur教授等使用飞秒激光技术获得了对近紫外至近红外波段的光(0.25?2.5 μ m)几乎全部吸收的黑硅。黑硅的制备工艺主要包括飞秒激光法、反应离子刻蚀法(RIE)、电化学腐蚀法和金属辅助化学法(MACE，Metal Assisted Chemical Etching)，其中，飞秒激光法和RIE法属于干法刻蚀，电化学腐蚀法和MACE法属于湿法刻蚀。而这些方法飞秒激光法反应设备昂贵，且由于该方法中功率密度极高，很容易对衬底硅片造成破坏。反应离子刻蚀法，电化学腐蚀法和金属辅助化学法中最适合工业化生产的要属金属辅助化学法。研究发现，采用MACE法制备的硅表面结构的减反射效果极好。2009年，吉林大学的Lu等人采用Ag辅助化学腐蚀法直接对金字塔硅表面进行腐蚀，得到的黑硅样品在可见光至近红外波长范围内的反射率低于4%。同年，美国可再生能源实验室(NREL)的 Yuan 等人采用Au辅助化学腐蚀法制备了 500nm厚的单晶黑硅结构，同时采用该单晶黑硅作为衬底制备了太阳电池，转换效率为16.8%。研究结果中，随着刻蚀时间的增加，短波长范围的内量子效率减小，Yuan认为可能是高掺杂或者是高的表面复合率导致的。2011年，美国 NREL 的 Fatima Toor 等人将已制备金字塔结构的单晶硅片置于HAuC14、HF和比02的混合溶液中进行腐蚀制备了黑硅结构，并利用该减反结构制备的太阳电池效率达17.1%。同年，大连理工大学的刘爱民等人采用金字塔表面作为衬底，利用磁控溅射法在其上沉积了一层网状Ag膜，然后再置于HF和H2O2溶液中腐蚀，最后制备的黑硅表面反射率低于0.9% (250-1000nm)。黑硅有好的减反射效果，但制备态的黑硅表面不平整，且具有较大的深径比，即增大了表面积，孔径一般在50-150nm之间，深度可根据腐蚀时间来控制。黑硅在降低表面反射率的同时，因为具有了更大的比表面积以及引入了更多的缺陷，使得光生载流子在表面的复合增加，降低了少子寿命(τ eff)。目前的钝化工艺，PECVD沉积SixNy薄膜无法很好的钝化黑硅表面，成为制约黑硅电池效率的主要因素。2012年，美国NREL的Jihun Oh 对单晶黑硅结构采用四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液进行了扩孔处理，同时采用热氧化法对其进行了钝化，最后得到的单晶黑硅电池转换效率为18.2%。黑硅结构经过扩孔，结构变大，使比表面积减少，从而减少了表面复合。TMAH作为MEMS工艺中常用的刻蚀剂，刻蚀温度为80°C，在刻蚀过程中会形成表面小丘，影响表面光滑性。随后国内有研究采用低浓度NaOH作为刻蚀液对黑硅结构进行扩孔处理，苏大苏晓东等人在 80°C使用 NaOH 对黑石圭进行扩孔，得到准倒金字塔结构，能有效减少表面缺陷带来的载流子复合。在已发表的论文中，我们采用常温NaOH对黑硅进行扩孔，得到了 150-200nm孔径的黑硅结构。为了得到高转换效率的黑硅太阳电池，优化黑硅结构是有效手段。不论是TMAH或NaOH溶液，高温下才能得到较为理想的结构，且结构均匀性并不是那么好。倒金字塔结构是兼具减反射和低比表面积的优异结构，具有成为高效黑硅太阳电池结构的潜质，但需要一种有效且廉价的制备方法。本专利技术利用NSR(Nano-Structure-RebuiIding)溶液对娃的各向异性腐蚀作用，制备具有倒金字塔结构黑硅。
技术实现思路
本
技术实现思路
提供一种用于高效太阳电池的黑硅结构及其液相制备方法，目的在于提供一种低成本制备多晶黑硅的同时，得到倒金字塔结构黑硅，以得到高转换效率的多晶黑硅电池。为此，本专利技术提供了如下技术方案:(I)、采用标准清洗工艺处理多晶硅片(2)、在硅片表面浸入溶液一中沉积一层银纳米颗粒，纳米颗粒大小为50nm左右，溶液温度为室温。(3)、将沉积完银纳米颗粒的硅片浸入溶液二中进行腐蚀(MACE)，得到孔径50-100nm，孔深500nm的纳米孔洞结构，溶液温度为室温。(4)、将腐蚀完的黑硅片浸入溶液三中进行清洗，去除残留银纳米颗粒，溶液温度为室温。(5)、将制备好的黑硅浸入溶液四中进行刻蚀，制备得到边长200nm，深度300nm的倒金字塔黑硅结构。所述的多晶硅片电阻率1-3Ω.cm，厚度200±20μπι。所述工艺中所用的试剂纯度均不小于99.99%。对于第⑵步中溶液一组成为0.001-0.02MAgN03+0.1-10MHF，反应时间在10_60so对于第⑵步中溶液二组成为0.1-1MH202+1-10MHF，反应时间在30-300S。对于第(3)步中溶液三组成为H2O2: NH4OH=I: 3，反应时间在180s。对于第(4)步中溶液四为NSR溶液，其组成为NH4F (40% ): H2O2= I: 1-1: 4，浓度为50% -100%，反应温度为30-60°C，反应时间60-600s。本专利技术原理由于硅的电负性为1.90，当比硅的电负性高的金属元素(Pt、Au、Ag等)和硅接触并处于HF和H2O2的混合溶液中时，在接触的区域会形成一个原电池，金属与硅接触的区域为阳极，而阴极则为电负性高的金属元素。(I)在贵金属的催化作用下，腐蚀液中的氧化剂(如H2O2)优先在贵金属表面被还原;(2)由于氧化剂被还原所产生的空穴通过贵金属扩散并注入到与贵金属接触的Si中致使其被氧化成S12;(3) HF沿着Si和贵金属的界面处将S12去除，生成的副产物又沿着Si和贵金属的界面处扩散到溶液中；(4)在Si和贵金属界面处的空穴浓度是有上限的，因此，和贵金属接触的Si被腐蚀的速度远大于没有和贵金属接触的Si的腐蚀速度；(5)当Si和贵金属界面处的空穴的消耗速度比此处的空穴注入速度小时，在贵金属底部的空穴将会扩散到没有贵金属的区域或者腐蚀孔壁上，导致这部分区域也会被腐蚀或形成微孔硅结构。制备态的多晶黑娃结构细小且粗糖，对于制备太阳电池具有尚复合的缺点，因此使用NSR溶液进行扩孔。在NSR溶液中，双氧水作为氧化剂，对硅片有各向异性腐蚀作用，氟化氨能够动态的调节溶液中F离子的浓度，因此蚀刻率较稳定。而晶硅由于其各向异性，在一定温度下尤为明显，碱性如NaOH或TMAH溶液在80 °C时各向异性表现较好，而在NSR溶液中，50°C即体现良好各向异性，将多晶黑硅从纳米孔结构扩孔成为倒金字塔结构。有益效果与现有黑硅制备技术相比，本专利技术有如下优点:I)采用廉价的MACE液相制备技术，无需大型高成本真空设备支持，溶液成本低，可重复性高。2)采用新型NSR酸性溶液扩孔技术，制备反射率低的且易于钝化的倒金字塔结构，结构大小均一，有利于提高黑硅转化效率。3)扩孔技术所需温度低，无需碱性试剂如NaOH或TMAH等需要80°C才能体现较好的各向异性。【附图说明】图1:实施例1提供的黑硅制备态S本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于高效太阳电池多晶黑硅结构，其特征在于该结构为纳米级均匀分布的倒金字塔结构，在具备优异减反射效果的同时易于钝化，可用于制备高效黑硅太阳电池。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：沈鸿烈，蒋晔，王威，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32