[发明专利]由冶金级硅或精炼冶金级硅制造基于硅的纳米颗粒的方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于硅的纳米粉末/纳米颗粒的制造。

这样的基于硅的纳米粉末/纳米颗粒可具有不同的应用。例如，它们用于如下领域：伪造领域，作为用于物品的标记的鉴别手段；能量领域，用于氢气的储存和生产；或者光电领域，用于制造第三代太阳能电池。

背景技术

已知通过硅基材的化学或电化学蚀刻来制造基于硅的纳米结构体的不同方法。文献[G.Korotcenkov,B.K.Cho,Crit.Rev.Solid State&Mat.Sci.,第35卷,2010,第153-260页]描述了用于制造基于硅的纳米结构体的方法的实例。

用于制造硅纳米颗粒的方法的实例包括引入投到具有设置于其中的阳极和阴极的氢氟酸浴中的单晶硅晶片。施加电流并发生化学反应，这导致在该硅基材中形成孔隙。同时，硅纳米结构体发生氢化。然后，对该孔隙化的基材进行充分研磨以收取氢化的纳米粉末。例如，热活化或者归因于水的氧化反应能够释放出所述纳米粉末中包含的氢。

但是，本领域技术人员可列出前述方法中的若干局限：

-第一个局限涉及纳米结构体制造方法的相对高的能量消耗，

-第二个局限涉及释放氢气所必需的显著量的能量。

本发明目的在于减小所述方法的能量消耗且因此提高用于制造基于硅的纳米颗粒的方法的成本有效性并降低释放纳米粉末中包含的氢以使得所述纳米粉末更有效所必需的活化能。

发明内容

为了该目的，本发明提供基于硅的纳米粉末的制造方法，特征在于其包括对包含大于10重量ppm的杂质含量的冶金级或高纯冶金级(upgraded metallurgical-grade)Si的基材进行电化学蚀刻。

例如，本发明可涉及通过基材的电化学蚀刻来制造基于硅的纳米颗粒的方法，值得注意的是所述基材得自冶金级或高纯冶金级硅，所述冶金级或高纯冶金级硅包含大于0.001%的杂质含量，所述杂质至少包含硼、磷、钙和铝。

根据它们的杂质含量，可区分三种类型的基础硅(元素硅，elementary silicon)：

-冶金级或高纯冶金级硅，具有大于0.001%的杂质含量，

-太阳能级硅，具有0.001%-0.000001%的杂质含量，和

-微电子级硅，具有小于0.000001%的杂质含量。

本发明提供冶金级或高纯冶金级硅在制造基于硅的纳米粉末中的用途。

本发明人已经发现，由于在基材中存在能够降低基材阳极化电压的高的杂质浓度和结构缺陷密度，冶金级或高纯冶金级硅的使用能够降低制造纳米粉末所必需的能量的量。

进一步地，冶金级或高纯冶金级硅的使用能够降低所述方法中的制造成本，冶金级或高纯冶金级硅比太阳能或微电子级硅便宜。

根据本发明的方法具有以下优选的非限制性方面：

-所述基材包含硼，所述硼的浓度大于或等于5重量ppm、优选大于50重量ppm；

-所述杂质至少包含铝、铁、钙、磷和硼；

-铝、铁、钙、磷和硼杂质的各自浓度为1-10000重量ppm；

-所述基材包含：

·掺杂杂质，例如硼、磷和铝，

·金属杂质，例如铁、铜、钛、镍、铬和钨，

·结构缺陷，例如位错和晶界，其密度大于10⁴缺陷/cm²；

-用于所述基材的电化学蚀刻的电流为脉冲电流；

-用于所述基材的电化学蚀刻的电流密度为1mA/cm²-1A/cm²、优选1mA/cm²-500mA/cm²、优选1mA/cm²-250mA/cm²；

-所述方法可进一步包括所述基材的背侧掺杂步骤，所述背侧掺杂步骤包括如下子步骤：

·在基材背侧上沉积铝以获得包含铝层的基材，和

·对所述包含铝层的基材进行退火；

-所述铝层的厚度为10nm-10μm；

-所述方法进一步包括在所述退火步骤后移除所述铝层的步骤；

-所述方法进一步包括所述基材的前侧掺杂步骤，该步骤包括借助于产生光辐射的白光源照射所述基材的前侧。

本发明人还已经发现，由于存在能够降低活化能的高的杂质浓度和高的结构缺陷密度，冶金级硅的使用能够降低释放源自该冶金级或高纯冶金级硅的纳米粉末中包含的氢所必需的能量的量。