[發明專利]一種超疏水的金字塔-硅納米線復合陷光結構及其制備方法

有效

• 申請號: 201310412715.3
• 申請日: 2013-09-11
• 公開（公告）號: CN103500769A
• 公開（公告）日: 2014-01-08
• 發明（設計）人: 王波;李青柳;嚴輝;張銘;王如志;宋雪梅;侯育冬;朱滿康;劉晶冰;汪浩
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H01L31/055
• 分類號: H01L31/055;H01L31/18;B82Y40/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

技術領域

本發明屬于太陽能電池領域，具體的說，涉及的是一種具有優異減反、陷光性能以及疏水性能的硅表面金字塔-硅納米線結構的制備方法。

背景技術：

隨著氣候日益惡化和能源需求的不斷擴大，可再生能源技術的開發利用將成為解決這一問題的重要環節。在各種可再生能源（太陽能、水能、核能、風能和生物質能等）中，太陽能是一種取之不盡、用之不竭的能源形式，它具有綠色清潔、無污染和自由利用等特點。

降低成本和提高轉換效率是太陽能電池的研究重點，其中減少電池受光面上入射光的反射是提高太陽能電池光電轉換效率的重要手段之一。常規的硅表面陷光結構為金字塔，利用酸堿腐蝕制備獲得的微米級別陷光結構，波長范圍400nm～1100nm內，其反射率在12%～25%之間，這說明在照射到電池表面的太陽光中，仍有12%以上的光線被反射出去而浪費。為了更充分的利用太陽光，提高光電轉換效率，納米陷光結構的制備成為人們研究的熱點。其中硅納米線陣列可以增加入射光的陷光路徑長度，在寬光譜廣角度范圍內實現優異的減反射性能，長度為10μm的硅納米線陣列在300～800nm范圍內的平均反射率低于5%。其制備方法也很多，如反應離子刻蝕法、光刻法等等，但存在容易產生損傷層、生產成本的高的問題。

另外，當入射光照射到太陽能電池表面時，為了盡可能的將入射光吸收利用，需要保持電池表面的干凈度。若表面灰塵顆粒過多，同樣會對入射光造成散射，因此如何結合電池表面微結構，使其表現出超疏水的特征，從而提高電池表面清潔度同樣成為了研究的熱點。

發明內容

本發明的目的在于通過使用一種低成本的化學方法，在硅片表面制備金字塔-硅納米線復合陷光結構，增加電池對光的吸收，減少光的反射損失，同時通過復合結構提高電池表面疏水性，達到超疏水效果，從而提高電池的光電轉換效率。

本發明的太陽能電池表面金字塔-硅納米線復合結構的制備方法，主要包括以下幾個步驟：

（1）清洗硅片：將硅片分別在甲苯、丙酮以及酒精內進行超聲清洗，最后將硅片放在質量分數為5%-40%的HF酸溶液內2-5min，去除表面氧化層，最后用去離子水清洗后用氮氣吹干；

（2）金字塔結構制備：利用堿性溶液（NaOH、KOH等）在硅片表面進行刻蝕，制備金字塔結構。

將清洗好的硅片浸泡在含有異丙醇的堿性溶液（NaOH、KOH等）內10min-50min，其中堿性溶液的濃度在2.0wt%-4.0wt%范圍內，異丙醇體積分數為5%，反應溫度保持在70℃以上；

（3）硅納米線結構的制備：將步驟（2）堿性溶液刻蝕后的硅片表面覆蓋一層不連續的貴金屬顆粒（Au、Ag等），貴金屬顆粒粒徑在50nm-120nm范圍內；將覆蓋有不連續的貴金屬顆粒的硅片浸泡在HF和H₂O₂的混合溶液內，其中HF酸濃度在3mol/l-6mol/l之間，H₂O₂濃度在0.1mol/l-0.3mol/l之間，浸泡時間為1min-10min，得到金字塔-硅納米線復合陷光結構；

其中覆蓋不連續的貴金屬顆粒的方法主要包括化學還原反應、磁控濺射等。其中采用磁控濺射法為常規的方法，對Au靶或者Ag靶進行轟擊。化學還原反應法為常規的方法，以制備Ag顆粒為例，首先將硅片浸泡在AgNO₃和HF酸的混合溶液內，其中AgNO₃的濃度在0.01-0.05mol/l范圍內，HF酸濃度在3mol/l-6mol/l之間，浸泡時間在30s-100s之間，獲得的硅片表面的Ag金屬顆粒粒徑在50nm-120nm之間，相互之間不連續。

經過以上實驗后，可以在金字塔表面獲得不同直徑、長度的硅納米線，直徑范圍在50-150nm之間，長度在1-10μm之間。長度過長會導致金字塔結構被腐蝕掉。硅片表面呈黑色，宏觀上看出其反射明顯降低，在300-1100nm的入射光范圍內，測得其反射率明顯降低，在可見光范圍內可保持在4%以下。

（4）對獲得的復合陷光結構進行表面化學修飾：將步驟（3）獲得的金字塔-硅納米線復合陷光結構浸泡在氟硅烷溶液內，浸泡時間2h-8h，取出后在120℃下烘干后自然冷卻到室溫，得到具有超疏水性的金字塔-納米線復合結構。

氟硅烷主要優選自全氟辛基甲基二氯硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷等。

本發明所得超疏水性的金字塔-納米線復合結構接觸角在150°以上，滾動角在3℃以下，在可見光范圍內，其表面反射率降低到4%以下。

附圖說明