对硅表面进行制绒以形成用于光伏应用的黑硅的方法技术

通过在熔融盐中对硅上的一个二氧化硅层进行电化学还原，对硅表面进行制绒以形成纳米-微米尺度的黑硅。该二氧化硅层可以是一个涂层，或者是一个由硅的氧化导致的层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种生产制绒的硅表面的方法，该方法特别用于但不仅仅用于光伏(PV)应用。
技术介绍
制绒是在硅表面形成粗糙度以便形成入射到该表面的光的多次反射，从而在材料内形成更大的光吸收。这导致了该表面的光反射率的降低以及入射光在硅内传播的光路长度增加。总的效果增加了将光转化为电的效率。现有技术 近年来，世界光伏发电经历了指数增长。然而，当与从化石或核燃料产生的电力相比时，太阳能转化仍然较昂贵。因此，降低光电成本被PV工程师以及材料科学家提上议事日程。绝大多数的太阳能电池由硅生产，并且由于裸硅反射超过30%的入射光，对其表面进行制绒并且对其涂覆抗反射涂层[1，2]。黑硅提供了一个有效的方法以减少光反射损失。这种类型的硅在太阳能驱动的从水制氢中也是引人注目的，其中硅电极的光效率受光吸收的限制[3]。作为一种多孔材料，黑硅在许多领域引人注目，其中高的硅表面与体积比尤为重要活体内药物输送[4，5]、电化学电池[6-11]以及作为各种传感器——化学和生物传感器[1，12-15]、微流量传感器[16]、压力传感器、温度传感器[17]、气体传感器[18]以及磁传感器[19]的一个平台。黑硅表现出对于间接半导体(如硅)而言并非典型的光学性质，因为它在太赫兹范围内显示出发射[20]。来自黑色表面的可见和近红外光致发光同样得以确定，这在传感器相关的应用中是非常重要的[21]。近来对各种表面工程技术进行了研究以得到黑硅。在微米和纳米尺度的表面粗糙度是通过飞秒激光工程[21，22-25]以及随后的样品蚀刻[22]、真空退火[21]或用热氧化物氯烷基硅烷层进行涂覆[25]形成的。通过使用热原子层沉积法沉积的透明导电氧化物提高了光吸收性能[26]。各种表面蚀刻技术已经被应用于使用氧气抑制脉冲的反应性离子深度蚀刻[27]、使用纳米粒子(Au)催化剂的化学蚀刻[28，29]、电感耦合等离子体和低温蚀刻[30]。还研究了使用Au作为催化剂和硅烷作为硅源的气-液-固反应[31]。然而，这些技术大多数过于昂贵且在技术上是复杂的以致不能被用于硅的大批量生产。此外，蚀刻通常涉及有毒和侵蚀性的化学品(如氢氟酸)，并且在某些情况下涉及昂贵的催化剂。
技术实现思路
根据本专利技术的一个广义方面，提供了一种在纳米-微米尺度上对硅表面进行制绒的方法，包括在熔融盐中对硅上的二氧化硅层进行电化学还原。这样的方法能够在硅上形成球形的亚微米构造、孔以及精细的纳米结构。在另一个广义方面，提供了一种用于形成能够有效地吸收光的制绒的表面的方法，该方法通过施加一个足以还原二氧化硅但是不沉积来自电解池中的盐电解质的阳离子的电位对硅上的二氧化硅膜进行还原而形成该制绒的表面。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种生产制绒的硅表面的方法，包括提供一个具有二氧化硅表面层的硅衬底；将一个电导体附接或耦合到该二氧化硅表面层以提供一个二氧化硅/电导体连接；提供一个包括熔融盐电解质的电解池或电化学池，该二氧化硅/电导体连接形成一个电极的至少一部分；以及向该电导体施加一个足以还原该二氧化硅表面层而不使来自该熔融盐电解质的阳离子沉积的电位。本申请人发现通过以这种方式还原二氧化硅表面层，形成了一种制绒的表面。该二氧化硅/电导体连接可以包括该电导体与该二氧化硅表面层之间的直接接触，也许在它们之间形成一个界面。可以通过确定该电解池中的阳离子沉积开始的沉积电位并且确保所施加的电位不超过该淀积电位避免来自该熔融盐电解质的阳离子沉积。该方法可以进一步包括通过用二氧化硅涂覆该硅衬底来形成该二氧化硅表面层。可替代地，该方法可以进一步包括通过氧化该硅衬底来形成该二氧化硅表面层。 该电导体可以由在该熔融盐电解质中稳定的一种材料组成。例如，该电导体可以选自下组，该组由钥和钨组成。可替代地，该电导体可以由其他金属或者甚至金属合金形成。该熔融盐电解质可以被加热到从500°C到1000°C的温度。该熔融盐电解质可以包括或者由钙、钡、锶或锂的卤化物组成。例如，该熔融盐电解质可以为氯化钙，并且可以被加热到850°C的温度。可替代地，该熔融盐电解质可以具有低于100°C的熔点，如约18°C到25°C的室温。这种低温离子熔融物，有时被称为室温离子液体，包括I-丁基-I-甲基吡咯烷鎗以及I-乙基-3-甲基咪唑，两者中的任何一个都可以适用于根据本专利技术的硅脱氧。该方法可以进一步包括保持该施加的电位直至形成一个具有球形结构的表面形貌，该球形结构包括单独的纳米球体。该表面形貌可以包括孔，每个孔的直径为至少50nm，甚至可能为至少lOOnm。该二氧化硅表面层在其于该电解池中还原之前可以具有约IOnm或以上的厚度。例如，该二氧化硅表面层的厚度可以在IOnm至IOiim的范围内，并且可以为约2 iim。该电解池还包括一个阳极，并且该阳极可以由一种惰性材料(如石墨)形成。附图说明现在参照附图通过举例来描述本专利技术的实施方案，其中图I示出了在钥线框架中的Si-SiO2晶片和矩形样品a)抛光面；b)未抛光面；c)还原后(左)和原始样品(右)；图2示意性展示了在实施本专利技术的一个方面的方法中使用的电化学池；图3示出了 SEM图(a)具有2 ii m SiO2层的原始样品的侧视图；(b)在850 °C和-I. OV下于熔融的CaCl2中进行脱氧3min后，该具有2 u m SiO2前体的样品的俯视图；(c)在-1.25V下进行脱氧17min后，该样品的俯视图；(d)通过类似于(c)制备的样品的侧视图[(c)和(d)的比例尺为200nm]；图4示出了表面反射光谱(a)裸硅；(b)-(e)在850°C和相对于石墨为-1.25V下于熔融的 CaCl2 中脱氧的 2 ii m SiO2 层。电解时间(b) lh, (c) 17min ； (d)-(e)3min ；图5示出了通过进行脱氧3min(其他条件如同附图3中给出的)从IOnmSiO2层获得的硅表面，并且测量出该样品在宽的可见区内的反射率为6% ;以及图6是一个流程图，展示了一种生产制绒的硅衬底的方法。具体实施例方式已知二氧化硅容易形成在硅的表面上，即使是在室温下。二氧化硅对于每一个硅原子而言含有两个氧原子，从而氧的去除可能导致空位，这些空位可以扩散以形成孔。能够去除作为氧离子或氧原子的氧而不形成另一种化合物是重要的。二氧化硅是一种稳定的氧化物，它不易被包含氢或碳的气体(如一氧化碳)还原。氢是一种弱还原性气体，并且尽管含碳气体可以在非常高的温度下还原二氧化硅，产物可能被碳污染而损害光学性质。发现了一种还原金属氧化物的电化学方法，其中将该氧化物制成在氯化钙或类似稳定盐浴中的阴极，并且施加一个阴极电位「32，331。在所施加的电位下，氧原子在盐中电离并且溶解而不是从盐中沉积阳离子。许多报告表明，这对于二氧化硅板或者球粒是可能的「33-391。 图6示意性展示了根据本专利技术的一个实施方案生产制绒的硅衬底的方法10。在步骤12中，提供了硅晶片形式的硅衬底。该硅衬底具有一个二氧化硅表面层。可以通过许多不同的方式将二氧化硅膜形成于硅晶片的表面，例如，通过用二氧化硅涂覆，或者通过在室温或高温下暴露在空气中。该“如所收到的(asreceived)”硅晶片的表面上有一个二氧化硅薄层。也可以在溶液中(如在抛光浆料中)形成感兴趣本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.06.26 GB 1010772.01.一种用于生产制绒的娃表面的方法，包括 提供一个具有二氧化娃表面层的娃衬底； 将一个电导体附接到该二氧化硅表面层以提供一个二氧化硅/电导体连接； 提供一个包括熔融盐电解质的电解池，所述二氧化硅/电导体连接形成一个电极的至少一部分； 向该电导体施加一个足以还原该二氧化硅表面层而不使来自该熔融盐电解质的阳离子沉积的电位。2.根据权利要求I所述的方法，进一步包括通过用二氧化硅涂覆该硅衬底形成该二氧化娃表面层。3.根据权利要求I所述的方法，进一步包括通过氧化该硅衬底形成该二氧化硅表面层。4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中该电导体在该熔融盐电解质中是稳定的。5.根据权利要求4所述的方法，其中该电导体选自下组，该组由钥和钨组成。6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中该熔融盐电解质处于从500°C到1000°C的温度。7.根据上述权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·J·弗雷，E·朱泽刘那斯，
申请(专利权)人：D·J·弗雷，E·朱泽刘那斯，
类型：
国别省市：