双周期金纳米孔洞阵列作为Si电池表面电极的制备方法技术

本发明专利技术提出的双周期金纳米孔洞阵列作为Si表面电极的制备方法。其步骤如下：(1)通过匀胶提拉法在Si p

【技术实现步骤摘要】
双周期金纳米孔洞阵列作为Si电池表面电极的制备方法


[0001]本专利技术是等离激元增强的Si电池，属于新型Si电池领域。

技术介绍

[0002]随着化石燃料的大量使用，地球面临的环境问题也越来越严峻。尤其是由此产生的温室效应，已经导致北极冰川的不断消融，极端天气现象如厄尔尼诺现象的频繁出现，这些现象都在不断地提醒我们要加强环境保护，积极开发清洁、低廉的、储量丰富的新能源。
[0003]在能源的开发中，太阳能是一种储量极其丰富的新能源，然而目前对太阳能的利用率却非常低，主要是由于大部分太阳能在到达地球表面后以热能的形式耗散，无法被有效利用。而光电转换器件，特别是Si电池，是目前在太阳能转换领域最具有潜力的技术之一。光电转换效率是限制Si太阳能电池的大规模应用。因此，设计开发有更高光电转换效率的Si太阳能电池结构，具有深远的研究意义。
[0004]金(银)的不同纳米构型可从可见光至近红外波段产生等离激元光电增强效应。等离子激元的聚光特性，可以在亚波长的近场范围内显著提高激子源与表面等离子激元结构之间的耦合与能量传递效率，此外，等离子激元效应还可以加速电池吸收太阳光并产生电子
‑
空穴对的速率。近年来对平面Si电池的等离子激元增强结构设计大多是在Si电池顶部设置如金属纳米球[1]、金属纳米点[2]、纳米线[3]、纳米金三角片[4]、纳米孔洞[5]等模式构成的阵列。在这些设计中，等离激元结构只是作为增强光吸收，不与硅直接接触，因此还保留原来的梳状电极，其面积占电池迎光面的7％，光生载流子传输到电极的平均距离约为1mm。本专利技术取消梳状电极，将金纳米等离激元孔洞阵列与硅接触作为表面电极使用,可增加电池吸光面积7％，并极大降低载流子输运距离约104倍。
[0005]本专利技术将是在Si电池顶部设置为双周期的金纳米等离激元孔洞阵列，并作为表面电极替代梳状电极。所形成的双周期结构如图4所示，大球之间形成第一个周期结构，周期单元边长为a；大球与小球、小球与小球之间形成第二个周期结构，周期单元边长为双周期孔洞阵列之间产生等离激元耦合效应极大的增强了光吸收，同时拓宽了吸收光谱，增强了光电转换效率；作为表面电极降低了光生载流子与电极之间的输运距离，削弱了光生载流子在传输过程中的复合效应。由于金和硅是肖特基接触，在接触面会产生接触势垒(如图1所示)，因此本专利技术在金与n型Si之间插入一层二维材料作为过渡层。二维材料石墨烯功函数比较小，插入石墨烯层后显著降低并接近消除肖特基势垒(如图2所示)，从而提高了载流子的输运效率。此外，本专利技术还为电池的设计提供了新思路，为未来的电池研究和开发提供了新的方向。

技术实现思路

[0006]本专利技术提出的双周期金纳米孔洞阵列作为Si太阳能表面电极的制备方法。其步骤如下：(1)制备两种不同直径的PS小球；(2)通过匀胶提拉法在Si p
‑
n结的n型表面第一次密
排直径为600nm的小球，形成单周期PS小球模板；(3)第一次退火，使密排小球相对固定，不易脱落；(4)通过反应离子刻蚀使小球直径缩小1/4左右，使其形成一定的间隙；(5)第二次密排直径约240nm的PS小球，在模板间隙处填充小球，形成双周期模板；(6)第二次退火，使小球相对固定，不易脱落；(7)通过蒸镀法在双周期模板表面蒸镀一层30nm厚的金膜；(8)超声去除小球模板，形成双周期Au纳米孔洞阵列；(9)在惰性气氛下进行快速退火处理，形成双周期等离激元孔洞阵列电极。本专利技术提出的新型Si电池结构，其模型如图3所示。双周期Au纳米孔洞如图4所示，孔洞阵列产生的等离激元效应以及双周期之间的耦合效应(如图5所示)极大的增强了光吸收，同时拓宽了吸收光谱，增强了光电转换效率；作为表面电极降低了光生载流子与电极之间的输运距离，削弱了光生载流子在传输过程中的复合效应。
[0007]为了实现本专利技术的目的，本专利技术提供的双周期金纳米孔洞阵列作为Si电池表面电极的制备方法，制备流程如图9所示，其包括如下步骤：
[0008](1)Sip
‑
n结n型表面预处理
[0009]通过双氧水对p
‑
n结n型表面进行快速氧化处理，使其形成极薄的SiO
x
钝化面，以去除表面态。
[0010](2)制备石墨烯过渡层
[0011]采用化学气相沉积(CVD)法在Cu基片生长单层石墨烯，再将石墨烯经转印法转移到n
‑
Si表面，形成石墨烯过渡层。
[0012](3)制备两种不同直径的PS小球
[0013]将过硫酸钾溶于去离子水中，在温控磁力搅拌器中搅拌，设置温度在50～90℃。向溶液中加入甲醇和苯乙烯，搅拌12
‑
24h，得到含有杂质的PS小球悬浊液。设置不同的离心转速，获得不同直径的小球，然后将洗涤后的PS小球分散在乙醇溶液中。
[0014](4)第一次密排小球
[0015]通过匀胶提拉法在Si p
‑
n结的n型表面第一次密排形成单周期的PS小球模板，第一次密排更大直径的小球。
[0016](5)第一次退火固定小球
[0017]在惰性气体气氛下做快速热退火，使小球位置固定、不易移位和脱落。
[0018](6)刻蚀小球
[0019]通过反应离子刻蚀使小球直径缩小1/4左右，使其形成一定的间隙。
[0020](7)第二次密排小球
[0021]再次经匀胶提拉法在刻蚀后模板的间隙处填充小直径的PS小球，形成双周期模板。
[0022](8)第二次退火固定小球
[0023]同样的在在惰性气体气氛下做快速热退火，使小球位置固定、不易移位和脱落。
[0024](9)蒸镀金属膜
[0025]通过蒸镀法在双周期模板表面蒸镀一层Au(Ag)膜。
[0026](10)去除小球模板
[0027]通过超声去除小球模板，即形成双周期Au纳米孔洞阵列。
[0028](11)退火形成双周期等离激元孔洞阵列电极
[0029]在惰性气体气氛下做快速热退火，使Au孔洞阵列与石墨烯和n
‑
Si密切接触，形成
双周期等离激元孔洞阵列电极。
[0030]步骤(1)所述配置双氧水浓度为10％～30％，氧化1～2min，形成SiO
x
钝化面。
[0031]步骤(3)所述制备PS小球时需在溶液中通氩气以排出水中的气体分子。
[0032]步骤(3)所述制备PS小球甲醇和苯乙烯的体积比为1～2，去离子水与甲醇的体积比为5～10，过硫酸钾与苯乙烯的摩尔比为1～2。
[0033]步骤(4)所述调节匀胶机的转速在2000～3000rpm，在Si表面形成致密的PS小球，再将Si片倾斜放入去离子水中10s迅速拉起来，以去除表面堆积的小球，获得单层的单周期PS小球阵列。
[0034]步骤(5)和步骤(8)所述，第一次和第二次固定小球退火温度80～120℃。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.双周期金纳米孔洞阵列作为表面电极的新型Si电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)制备两种不同直径的PS小球将过硫酸钾溶于去离子水中，在温控磁力搅拌器中搅拌，设置温度在50～90℃。向溶液中加入甲醇和苯乙烯，搅拌12
‑
24h，得到含有杂质的PS小球悬浊液。设置不同的离心转速，获得不同直径的小球，然后将洗涤后的PS小球分散在乙醇溶液中；(2)第一次密排小球通过匀胶提拉法在Sip
‑
n结的n型表面第一次密排形成单周期的PS小球模板，第一次密排大直径的小球；(3)第一次退火使密排小球相对固定、不易脱落；(4)刻蚀小球通过反应离子刻蚀使小球直径缩小1/4左右，使其形成一定的间隙；(5)第二次密排小球再次经匀胶提拉法在刻蚀后模板的间隙处填充小直径的PS小球，形成双周期模板；(6)第二次退火使密排小球相对固定、不易脱落；(7)蒸镀金属膜通过蒸镀法在双周期模板表面蒸镀一层20
‑
40nm厚的Au(Ag)膜；(8)去除小球模板经超声去除小球模板，即形成双周期Au(Ag)纳米孔洞阵列；(9)第三次退火形成双周期等离激元孔洞阵列电极在惰性气体气氛下做快速热退火，使Au(Ag)孔洞阵列与石墨烯和n
‑
Si密切接触，形成双周期等离激元孔洞阵列电极。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述制备PS小球时需在溶液中通氩气以排出水中的气体分子。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述制备PS小球甲醇和苯乙烯的体积比为1～2，去离子水与甲醇的体积比为5～10，过硫酸钾与苯乙烯的摩尔比为1～2，分级离心，设置离心转速为2000rpm和10000rpm，可以分离出直径分别为500
‑
650纳米和200
‑
250纳米两种小球。4.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱立新，许小亮，曾令辉，江大亨，马长丘，
申请(专利权)人：安徽医科大学第一附属医院，
类型：发明
国别省市：