[发明专利]一种基于金属辅助化学刻蚀技术制备硅纳米线阵列的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体纳米材料的制备方法，特别是涉及一种基于金属辅助化学刻蚀技术制备硅纳米线阵列的方法。

背景技术

纳米线又被称为量子线，它是一种在横向上被限制在100nm以下，纵向上没有限制的一维半导体材料。在纳米线中，电子（或空穴）在横向上的运动受到限制，这将产生一系列的量子效应，如表面效应、库伦阻塞效应、量子限制效应、小尺寸效应及陷光性能等。以上效应均有利于纳米线太阳能电池的设计，其中表面效应和小尺寸效应使得纳米线对光的反射系数显著下降，这将显著提升对光谱的吸收率，导致纳米线具有优异的陷光性能。因此，纳米线具有的优异陷光性能可以成为设计硅纳米线太阳能电池可行性的重要理论依据。

获得高光电转换效率硅纳米线太阳能电池的最关键技术是制作分布均匀、长度均一且小于载流子扩散距离的硅纳米线。在硅纳米线太阳能电池中，纳米线的长度和均匀性对光生载流子的数目及利用率有很大影响。为了制备长度均匀且合适的硅纳米线，有课题组报道采用反应离子束刻蚀、光刻机刻蚀、AAO模板刻蚀来制备分布均匀、长度均一的硅纳米线。与上述工艺进行比较，基于金属辅助化学刻蚀技术制备尺寸可控的硅纳米线阵列具有操作简单、工艺简便、制作成本低等特点，有利于硅纳米线产业化推广。

发明内容

本发明目的在于提供一种成本低、工艺简单、制备效率高且易于产业化的一种基于金属辅助化学刻蚀技术制备硅纳米线阵列的方法。

基于本发明设计的硅纳米线太阳能电池可用于解决目前太阳能电池普遍存在的光电转换效率低的缺点，并且可以在一定程度上解决其他方法制备硅纳米线太阳能电池存在的工艺繁琐、设备要求高、制备成本高等问题。

本发明通过下列技术方案实现：

（1）清洗：使用硅片标准清洗步骤除去硅基底上的污染物，再置于3％～5％的氢氟酸（HF）溶液中浸泡60～90s，最后用去离子水清洗2～3次，用N₂吹干；

（2）沉积Ag纳米颗粒：在避光处，将步骤（1）得到的硅片放入超声处理过的氢氟酸（HF）和硝酸银（AgNO₃）混合溶液中，静置90s～120s，沉积Ag纳米颗粒；

（3）刻蚀：将步骤（2）得到的硅片放入氢氟酸（HF）和双氧水（H₂O₂）混合溶液中，在温度为20～30℃条件下刻蚀2～10min；

（4）除去Ag颗粒：将步骤（3）得到的硅片放入稀硝酸溶液中浸泡60～90min，去除硅表面剩余的Ag颗粒；

（5）除去氧化层：将步骤（4）得到的硅片用去离子水漂洗2～3次，然后在3％～5％的HF溶液中浸泡1～2min，去除硅表面的氧化层；

（6）干燥纳米线：将步骤（5）得到的样品用去离子水漂洗2～3次，然后放入温度为50～60℃的干燥箱中，保温20～30min，即得到长度为2～14μm、宽度为50～150nm的硅纳米线阵列。

所述的Si片为（100）方向，可以选自P型掺杂、N型掺杂、本征型Si片中的一种。

所述的步骤（2）中HF和AgNO₃混合溶液配比为，HF:AgNO₃=x:y（4 mol/L ≤ x ≤ 5 mol/L; 0.005 mol/L ≤ y ≤ 0.01 mol/L）等体积混合。

所述的步骤（2）中超声混合溶液的频率为40KHz，时间为3～5min。

所述的步骤（3）中HF和H₂O₂混合溶液配比为，40％氢氟酸（HF）:30％双氧水（H₂O₂）=x:y（4 mL ≤ x ≤ 8 mL; 1 mL ≤ y ≤ 2 mL）。

所述的步骤（4）中稀硝酸溶液的配比为，HNO₃:H₂O=x:y（5mL ≤ x ≤ 10 mL; 5 mL ≤ y ≤ 10 mL）。

附图说明

图1为本发明所述基于金属辅助化学刻蚀方法制备硅纳米线阵列的流程示意图；

图2为本发明实施实例1制备的硅纳米线截面SEM图；

图3为本发明实施实例1制备的硅纳米线截面SEM放大图；

图4为本发明实施实例2制备的硅纳米线截面SEM图；

图5为本发明实施实例3制备的硅纳米线截面SEM图。

具体实施方式

实施例1：