一種超疏水的金字塔-硅納米線復(fù)合陷光結(jié)構(gòu)及其制備方法
【專利摘要】一種超疏水的金字塔-硅納米線復(fù)合陷光結(jié)構(gòu)及其制備方法，屬于太陽(yáng)能電池領(lǐng)域。硅片表面的清潔，利用堿性刻蝕在其表面制備金字塔結(jié)構(gòu)，利用化學(xué)反應(yīng)還原原理在硅片表面沉積非連續(xù)的貴金屬顆粒，利用貴金屬顆粒作為催化劑刻蝕制備硅納米線進(jìn)而獲得金字塔-硅納米線復(fù)合雙結(jié)構(gòu)，利用氟硅烷對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行化學(xué)修飾獲得超疏水性能。在可見光范圍內(nèi)，其表面反射率降低到4%以下，且經(jīng)過表面化學(xué)修飾后，表面接觸角大于150°。
【專利說明】一種超疏水的金字塔-硅納米線復(fù)合陷光結(jié)構(gòu)及其制備方 法【技術(shù)領(lǐng)域】[0001]本發(fā)明屬于太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，具體的說，涉及的是一種具有優(yōu)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(jié)構(gòu)的制備方法。【背景技術(shù)】:[0002]隨著氣候日益惡化和能源需求的不斷擴(kuò)大，可再生能源技術(shù)的開發(fā)利用將成為解 決這一問題的重要環(huán)節(jié)。在各種可再生能源(太陽(yáng)能、水能、核能、風(fēng)能和生物質(zhì)能等)中，太 陽(yáng)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(diǎn)。[0003]降低成本和提高轉(zhuǎn)換效率是太陽(yáng)能電池的研究重點(diǎn)，其中減少電池受光面上入射 光的反射是提高太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率的重要手段之一。常規(guī)的娃表面陷光結(jié)構(gòu)為金字 塔，利用酸堿腐蝕制備獲得的微米級(jí)別陷光結(jié)構(gòu)，波長(zhǎng)范圍400nm?IlOOnm內(nèi)，其反射率在 12%?25%之間，這說明在照射到電池表面的太陽(yáng)光中，仍有12%以上的光線被反射出去而 浪費(fèi)。為了更充分的利用太陽(yáng)光，提高光電轉(zhuǎn)換效率，納米陷光結(jié)構(gòu)的制備成為人們研究的 熱點(diǎn)。其中硅納米線陣列可以增加入射光的陷光路徑長(zhǎng)度，在寬光譜廣角度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)優(yōu) 異的減反射性能，長(zhǎng)度為10 μ m的硅納米線陣列在300?800nm范圍內(nèi)的平均反射率低于 5%ο其制備方法也很多，如反應(yīng)離子刻蝕法、光刻法等等，但存在容易產(chǎn)生損傷層、生產(chǎn)成本 的高的問題。[0004]另外，當(dāng)入射光照射到太陽(yáng)能電池表面時(shí)，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(huì)對(duì)入射光造成散射，因此如何結(jié)合電 池表面微結(jié)構(gòu)，使其表現(xiàn)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(diǎn)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的在于通過使用一種低成本的化學(xué)方法，在娃片表面制備金字塔-娃 納米線復(fù)合陷光結(jié)構(gòu)，增加電池對(duì)光的吸收，減少光的反射損失，同時(shí)通過復(fù)合結(jié)構(gòu)提高電 池表面疏水性,達(dá)到超疏水效果，從而提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。[0006]本發(fā)明的太陽(yáng)能電池表面金字塔-硅納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法，主要包括以下 幾個(gè)步驟:[0007](I)清洗硅片:將硅片分別在甲苯、丙酮以及酒精內(nèi)進(jìn)行超聲清洗，最后將硅片放 在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%-40%的HF酸溶液內(nèi)2-5min，去除表面氧化層，最后用去離子水清洗后用氮 氣吹干；[0008](2)金字塔結(jié)構(gòu)制備:利用堿性溶液(NaOH、KOH等)在硅片表面進(jìn)行刻蝕，制備金 字塔結(jié)構(gòu)。[0009]將清洗好的硅片浸泡在含有異丙醇的堿性溶液(Na0H、K0H等)內(nèi)10min_50min，其 中堿性溶液的濃度在2.0wt%-4.0wt%范圍內(nèi)，異丙醇體積分?jǐn)?shù)為5%，反應(yīng)溫度保持在70°C以上；[0010](3)硅納米線結(jié)構(gòu)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(xù)的貴金屬顆粒(Au、Ag等),貴金屬顆粒粒徑在50nm-120nm范圍內(nèi)；將覆蓋有不連續(xù)的貴 金屬顆粒的硅片浸泡在HF和H2O2的混合溶液內(nèi)，其中HF酸濃度在3m0l/l-6m0l/l之間， H2O2濃度在0.lmol/1-0.3mol/l之間，浸泡時(shí)間為Imin-1Omin,得到金字塔-娃納米線復(fù)合 陷光結(jié)構(gòu)；[0011]其中覆蓋不連續(xù)的貴金屬顆粒的方法主要包括化學(xué)還原反應(yīng)、磁控濺射等。其中 采用磁控濺射法為常規(guī)的方法，對(duì)Au靶或者Ag靶進(jìn)行轟擊?；瘜W(xué)還原反應(yīng)法為常規(guī)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(nèi)，其中AgNO3的濃度 在0.01-0.05mol/l范圍內(nèi)，HF酸濃度在3mol/l-6mol/l之間，浸泡時(shí)間在30s_100s之間， 獲得的娃片表面的Ag金屬顆粒粒徑在50nm-120nm之間,相互之間不連續(xù)。[0012]經(jīng)過以上實(shí)驗(yàn)后，可以在金字塔表面獲得不同直徑、長(zhǎng)度的硅納米線，直徑范圍在 50_150nm之間，長(zhǎng)度在1-ΙΟμπι之間。長(zhǎng)度過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致金字塔結(jié)構(gòu)被腐蝕掉。娃片表面呈 黑色，宏觀上看出其反射明顯降低，在300-1100nm的入射光范圍內(nèi)，測(cè)得其反射率明顯降 低，在可見光范圍內(nèi)可保持在4%以下。[0013](4)對(duì)獲得的復(fù)合陷光結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面化學(xué)修飾:將步驟(3)獲得的金字塔-硅納米 線復(fù)合陷光結(jié)構(gòu)浸泡在氟硅烷溶液內(nèi)，浸泡時(shí)間2h-8h，取出后在120°C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(fù)合結(jié)構(gòu)。[0014]氟硅烷主要優(yōu)選自全氟辛基甲基二氯硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷等。[0015]本發(fā)明所得超疏水性的金字塔-納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)接觸角在150°以上，滾動(dòng)角在 3°C以下，在可見光范圍內(nèi)，其表面反射率降低到4%以下?！緦＠綀D】

【附圖說明】[0016]1、圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中制備獲得的金字塔-硅納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)；[0017]2、圖2為金字塔-硅納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)制備原理圖；[0018]3、圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中獲得的不同結(jié)構(gòu)的反射率對(duì)比；[0019]4、圖4為本發(fā)明實(shí)施例1中表面修飾后硅片表面接觸角。【具體實(shí)施方式】[0020]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，單本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。 清洗硅片:硅片表面的清洗為:將硅片分別在甲苯、丙酮以及酒精內(nèi)進(jìn)行超聲清洗，最后將 硅片放在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%-40%的HF酸溶液內(nèi)2-5min，去除表面氧化層，最后用去離子水清洗 后用氮?dú)獯蹈?。[0021]實(shí)施例1[0022]1、實(shí)驗(yàn)選取P型(100 )硅片，首先對(duì)其表面進(jìn)行清洗。[0023]2、制備金字塔結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)過程為:將已經(jīng)清洗處理過后的硅片放入NaOH、異丙醇 的混合水溶液內(nèi)40min，其中NaOH的濃度3.0%，異丙醇體積分?jǐn)?shù)為5%。反應(yīng)溫度保持在 85°C左右。[0024]3、制備硅納米線結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)過程為:首先將硅片浸泡在AgNO3和HF酸的混合溶液內(nèi)，其中AgNO3的濃度為0.01mol/l，HF酸濃度為4.8mol/l，浸泡30s，獲得的硅片表面的貴 金屬顆粒粒徑在50nm-120nm之間，相互之間不連續(xù)。將覆蓋有不連續(xù)的貴金屬顆粒的娃 片浸泡在HF和H2O2的混合溶液內(nèi)，其中HF酸濃度為4.8mol/l, H2O2濃度為0.1mol/，浸泡 lmin。[0025]經(jīng)過以上實(shí)驗(yàn)后，可以在金字塔表面獲得直徑范圍在50_150nm之間，長(zhǎng)度在2 μ m 左右的硅納米線。具體如附圖1所示。硅片表面呈黑色，宏觀上看出其反射明顯降低，在 300-1 IOOnm的入射光范圍內(nèi)，測(cè)得其反射率明顯降低，在可見光范圍內(nèi)可保持在4%以下。 具體如附圖2所示。[0026]4、最后將獲得的具有金字塔-硅納米線復(fù)合陷光結(jié)構(gòu)浸泡在氟硅[0027]烷溶液內(nèi)浸泡6h，取出后在120°C下烘干后自然冷卻到室溫，就可以得到具有超 疏水性的金字塔-納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)。接觸角在150°以上，滾動(dòng)角在:TC以下。具體如附圖 3所示。[0028]實(shí)施例2[0029]1、實(shí)驗(yàn)選取P型(100 )硅片，首先對(duì)其表面進(jìn)行清洗。[0030]2、制備金字塔結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)過程為:將已經(jīng)清洗處理過后的硅片放[0031]A NaOH、異丙醇的混合溶液內(nèi)30min，其中NaOH的濃度4.0%,異丙醇體積分?jǐn)?shù)為 5%ο反應(yīng)溫度保持在85 °C左右。[0032]3、制備硅納米下結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)過程為:首先將硅片浸泡在AgNO3和HF酸的混合溶液 內(nèi)，其中AgNO3的濃度為0.02mol/l,HF酸濃度為4.8mol/l，浸泡40s，獲得的硅片表面的貴 金屬顆粒粒徑在70nm-120nm之間,相互之間不連續(xù)。將覆蓋有不連續(xù)的貴金屬顆粒的娃片 浸泡在HF和H2O2的混合溶液內(nèi)，其中HF酸濃度為5mol/l，H2O2濃度為0.1mol/,浸泡2min。[0033]經(jīng)過以上實(shí)驗(yàn)后，可以在金字塔表面獲得直徑范圍在50_150nm之間，長(zhǎng)度在4μ m 左右的硅納米線。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(nèi)，測(cè)得其反射率明顯降低，在可見光范圍內(nèi)可保持在5%以下。[0034]4、最后將獲得的具有金字塔-硅納米線復(fù)合陷光結(jié)構(gòu)浸泡在氟硅烷溶液內(nèi)浸泡 8h，取出后在120°C下烘干后自然冷卻到室溫，就可以得到具有超疏水性的金字塔-納米線 復(fù)合結(jié)構(gòu)。接觸角在150°以上，滾動(dòng)角在:TC以下。[0035]實(shí)施例3[0036]1、實(shí)驗(yàn)選取P型(100 )硅片，首先對(duì)其表面進(jìn)行清洗。[0037]2、制備金字塔結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)過程為:將已經(jīng)清洗處理過后的硅片放[0038]A NaOH、異丙醇的混合溶液內(nèi)50min，其中NaOH的濃度4.0%，異丙醇體積分?jǐn)?shù)為 5%ο反應(yīng)溫度保持在75 °C左右。[0039]3、制備硅納米下結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)過程為:首先將硅片浸泡在AgNO3[0040]和HF酸的混合溶液內(nèi)，其中AgNO3的濃度為0.03mol/l,HF酸濃度為5.5mol/l，浸 泡50s,獲得的娃片表面的貴金屬顆粒粒徑在90nm-120nm之間,相互之間不連續(xù)。[0041]將覆蓋有不連續(xù)的貴金屬顆粒的硅片浸泡在HF和H2O2的混合溶液內(nèi)，其中HF酸 濃度為5mol/l, H2O2濃度為0.1mol/,浸泡2min。[0042]經(jīng)過以上實(shí)驗(yàn)后，可以在金字塔表面獲得直徑范圍在50_150nm之間，長(zhǎng)度在5 μ m 左右的硅納米線。硅片表面金字塔結(jié)構(gòu)幾乎被刻蝕掉，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(nèi)，測(cè)得其反射率明顯降低，在可見光范圍內(nèi)可保 持在6%以下。[0043]4、最后將獲得的具有金字塔-硅納米線復(fù)合陷光結(jié)構(gòu)浸泡在氟硅[0044]烷溶液內(nèi)浸泡5h，取出后在120°C下烘干后自然冷卻到室溫，就可以得到具有超 疏水性的金字塔-納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)。接觸角在150°以上，滾動(dòng)角在:TC以下。
【權(quán)利要求】
1.太陽(yáng)能電池表面金字塔-硅納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法，，其特征在于，包括以下幾 個(gè)步驟:(1)清洗硅片:將硅片分別在甲苯、丙酮以及酒精內(nèi)進(jìn)行超聲清洗，最后將硅片放在質(zhì) 量分?jǐn)?shù)為5%-40%的HF酸溶液內(nèi)2-5min，去除表面氧化層，最后用去離子水清洗后用氮?dú)獯?干;(2)金字塔結(jié)構(gòu)制備:利用堿性溶液在硅片表面進(jìn)行刻蝕，制備金字塔結(jié)構(gòu)。將清洗好的硅片浸泡在含有異丙醇的堿性溶液內(nèi)10min-50min，其中堿性溶液的濃度在2.0wt%-4.0wt%范圍內(nèi)，異丙醇體積分?jǐn)?shù)為5%，反應(yīng)溫度保持在70°C以上；(3)硅納米線結(jié)構(gòu)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(xù)的 貴金屬顆粒，貴金屬顆粒粒徑在50nm-120nm范圍內(nèi)；將覆蓋有不連續(xù)的貴金屬顆粒的娃片 浸泡在HF和H2O2的混合溶液內(nèi)，其中HF酸濃度在3mol/l-6mol/l之間，H2O2濃度在0.1mol/ 1-0.3mol/l之間,浸泡時(shí)間為Imin-1Omin,得到金字塔-娃納米線復(fù)合陷光結(jié)構(gòu)。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的堿性溶液為NaOH或KOH溶液。
3.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，貴金屬顆粒為Au或Ag。
4.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，覆蓋不連續(xù)的貴金屬顆粒的方法主要包 括化學(xué)還原反應(yīng)、磁控濺射。
5.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，制備Ag顆粒的方法:首先將硅片浸泡在 AgNOJP HF酸的混合溶液內(nèi)，其中AgNO3的濃度在0.01-0.05mol/l范圍內(nèi)，HF酸濃度在 3mol/l-6mol/l之間，浸泡時(shí)間在30s_100s之間，獲得的娃片表面的Ag金屬顆粒粒徑在 50nm-120nm之間，相互之間不連續(xù)。
6.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，氟硅烷主要優(yōu)選自全氟辛基甲基二氯硅 烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷。
7.按照權(quán)利要求1-6所述的任一方法制備得到的太陽(yáng)能電池表面金字塔-硅納米線復(fù) 合結(jié)構(gòu)的。
【文檔編號(hào)】H01L31/055GK103500769SQ201310412715
【公開日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2013年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月11日
【發(fā)明者】王波, 李青柳, 嚴(yán)輝, 張銘, 王如志, 宋雪梅, 侯育冬, 朱滿康, 劉晶冰, 汪浩 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)