一种具有超低反射率微纳复合结构的黑硅衬底制备方法技术

一种具有超低反射率微纳复合结构的黑硅衬底制备方法，本发明专利技术涉及低反射率黑硅衬底制备领域。本发明专利技术要解决现有硅衬底表面反射率高，导致太阳能电池效率低的问题。方法：利用Cu金属催化辅助的化学蚀刻法，采用CuNO

A preparation method of black silicon substrate with ultra-low reflectivity micro nano composite structure

【技术实现步骤摘要】
一种具有超低反射率微纳复合结构的黑硅衬底制备方法
本专利技术涉及低反射率黑硅衬底制备领域。
技术介绍
单晶硅太阳能电池作为目前光伏市场中转换效率最高、产业化效率最优的商业化太阳能电池，广泛应用于航空航天、农业、化工和能源等领域。然而，目前硅衬底表面的光学损失成为限制太阳能电池效率提升的主要因素。为提升太阳能电池的电池效率，必须降低硅衬底表面的光学损失。现阶段，降低衬底表面光学损失的方法主要有表面镀减反射涂层、采用栅电极以及表面粗化制绒处理，其中表面粗化制绒处理是最常采用的、最有效的方法降低硅衬底反射率，有助于实现高性能单晶硅太阳能电池。硅太阳能电池中常见图形化硅衬底结构表面为湿法蚀刻的正金字塔形、倒金字塔形结构以及干法蚀刻得到的柱状及台状结构。然而。利用具有上述常规微米结构的图形化硅衬底制备的太阳能电池表面的反射率仅能降至10％，光损失仍然严重。因此，在硅衬底表面制备具有超低反射率的图案陷光结构对太阳能电池效率的提升具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术要解决现有硅衬底表面反射率高，导致太阳能电池效率低的问题，而提供一种具有超低反射率微纳复合结构的黑硅衬底制备方法。一种具有超低反射率微纳复合结构的黑硅衬底制备方法，按以下步骤进行：一、采用温度为40～100℃的CuNO3、HF和H2O2混合溶液刻蚀硅衬底，控制刻蚀时间为1～60min，获得表面具有微米级陷光结构的硅衬底；二、将步骤一获得的硅衬底放入温度为20～100℃的AgNO3和HF混合溶液中，进行银纳米颗粒的沉积；三、将步骤二沉积后的硅衬底放入温度为20～100℃的HF和H2O2混合溶液中，蚀刻10～60min，获得表面具有微纳复合结构的硅衬底；四、将步骤三获得的硅衬底放入温度为20～100℃的HNO3溶液中，保持5～100min，然后采用去离子水冲洗，氮气吹干，制得所述具有超低反射率微纳复合结构的黑硅衬底。进一步的，步骤一中采用Cu催化蚀刻制备微米级陷光结构。进一步的，步骤四中采用HNO3溶液去除金属颗粒。本专利技术采用两步法制备银纳米颗粒和硅纳米孔阵列。本专利技术步骤一、步骤二、步骤三和步骤四均在聚四氟乙烯容器中进行反应。本专利技术的有益效果是：本专利技术制备的微纳图形阵列的硅衬底实现了超低的表面反射率，高效地制备微纳图形阵列结构，重复性高。本专利技术采用Cu金属催化化学蚀刻法在硅衬底表面制备微米级陷光结构，随后利用两步法Ag金属催化化学蚀刻法在衬底表面制备微纳复合结构的黑硅衬底。经扫描电子显微镜(SEM)表明所得黑硅衬底表面粗糙，纳米孔分布密集，该结构可对入射光进行多次反射吸收，具有优异的光捕获能力。由反射率测定结果显示，所得黑硅衬底的表面反射率低至2％；可显著提升300-1000nm波段太阳能电池外量子效率，外量子效率高达95％。另外本专利技术步骤一、步骤二、步骤三以及步骤四中使用聚四氟乙烯容器，能防止容器材料与溶液反应；通过控制步骤一中HF溶液浓度，可以有效地调控所得微米级陷光结构的尺寸、深度、占位比及黑硅衬底的表面反射率；通过控制步骤三中的蚀刻时间，能有效地调控所得纳米孔结构的深度、尺寸、密度及最终所得黑硅衬底的表面反射率；步骤四中采用HNO3溶液完全移除衬底表面的金属颗粒，避免了金属颗粒的存在影响反射率结果测定。本专利技术制备的具有超低反射率微纳复合结构的黑硅衬底用于太阳能电池中。附图说明图1为实施例一步骤一制得的具有微米级陷光结构的硅衬底表面的SEM平面图；图2为实施例一制得的具有超低反射率微纳复合结构的黑硅衬底表面的SEM平面图(低倍)；图3为实施例一制得的具有超低反射率微纳复合结构的黑硅衬底表面的SEM平面图(高倍)；图4为实施例一制得的具有超低反射率微纳复合结构的黑硅衬底断面的SEM平面图(低倍)；图5为实施例一制得的具有超低反射率微纳复合结构的黑硅衬底断面的SEM平面图(高倍)；图6为实施例一制备的具有超低反射率微纳复合结构的黑硅衬底与光滑硅衬底表面反射率对比图，其中曲线“1”为本实施例制备的黑硅衬底，曲线“2”为光滑硅衬底。具体实施方式本专利技术技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。具体实施方式一：本实施方式一种具有超低反射率微纳复合结构的黑硅衬底制备方法，该方法按以下步骤进行：一、采用温度为40～100℃的CuNO3、HF和H2O2混合溶液刻蚀硅衬底，控制刻蚀时间为1～60min，获得表面具有微米级陷光结构的硅衬底；二、将步骤一获得的硅衬底放入温度为20～100℃的AgNO3和HF混合溶液中，进行银纳米颗粒的沉积；三、将步骤二沉积后的硅衬底放入温度为20～100℃的HF和H2O2混合溶液中，蚀刻10～60min，获得表面具有微纳复合结构的硅衬底；四、将步骤三获得的硅衬底放入温度为20～100℃的HNO3溶液中，保持5～100min，然后采用去离子水冲洗，氮气吹干，制得所述具有超低反射率微纳复合结构的黑硅衬底。本实施方式制备的微纳图形阵列的硅衬底实现了超低的表面反射率，高效地制备微纳图形阵列结构，重复性高。本实施方式采用Cu金属催化化学蚀刻法在硅衬底表面制备微米级陷光结构，随后利用两步法Ag金属催化化学蚀刻法在衬底表面制备微纳复合结构的黑硅衬底。经扫描电子显微镜(SEM)表明所得黑硅衬底表面粗糙，纳米孔分布密集，该结构可对入射光进行多次反射吸收，具有优异的光捕获能力。由反射率测定结果显示，所得黑硅衬底的表面反射率低至2％；可显著提升太阳能电池性能。另外本实施方式通过控制步骤三中的蚀刻时间，能有效地调控所得纳米孔结构的深度、尺寸、密度及最终所得黑硅衬底的表面反射率；步骤四中采用HNO3溶液完全移除衬底表面的金属颗粒，避免了金属颗粒的存在影响反射率结果测定。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述CuNO3、HF和H2O2混合溶液中CuNO3的浓度为0.01～5.00mol/L、HF的浓度为1～10mol/L、H2O2的浓度为0.1～10mol/L。其它与具体实施方式一相同。本实施方式通过控制步骤一中HF溶液浓度，可以有效地调控所得微米级陷光结构的尺寸、深度、占位比及黑硅衬底的表面反射率。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中硅衬底为(100)面单晶硅。其它与具体实施方式一或二相同。具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中微米级陷光结构为尺寸为1～100μm的倒置微米级硅图形结构。其它与具体实施方式一至三之一相同。具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二所述AgNO3和HF混合溶液中AgNO3的浓度为0.01～10mol/L、HF的浓度为0.1～10mol/L。其它与具体实施方式一至四之一相同。...

【技术保护点】
1.一种具有超低反射率微纳复合结构的黑硅衬底制备方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：/n一、采用温度为40～100℃的CuNO

【技术特征摘要】
1.一种具有超低反射率微纳复合结构的黑硅衬底制备方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
一、采用温度为40～100℃的CuNO3、HF和H2O2混合溶液刻蚀硅衬底，控制刻蚀时间为1～60min，获得表面具有微米级陷光结构的硅衬底；
二、将步骤一获得的硅衬底放入温度为20～100℃的AgNO3和HF混合溶液中，进行银纳米颗粒的沉积；
三、将步骤二沉积后的硅衬底放入温度为20～100℃的HF和H2O2混合溶液中，蚀刻10～60min，获得表面具有微纳复合结构的硅衬底；
四、将步骤三获得的硅衬底放入温度为20～100℃的HNO3溶液中，保持5～100min，然后采用去离子水冲洗，氮气吹干，制得所述具有超低反射率微纳复合结构的黑硅衬底。


2.根据权利要求1所述的一种具有超低反射率微纳复合结构的黑硅衬底制备方法，其特征在于步骤一所述CuNO3、HF和H2O2混合溶液中CuNO3的浓度为0.01～5.00mol/L、HF的浓度为1～10mol/L、H2O2的浓度为0.1～10mol/L。


3.根据权利要求1所述的一种具有超低反射率微纳复合结构的黑硅衬底制备方法，其特征在于步骤一中硅衬底为(100)面单晶硅。


4.根据权利要求1所述的一种具有超低反射率微纳复合结构的黑硅衬底制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：张丹，甘阳，申健，陈远东，汪郑扬，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23