[发明专利]基于蚀刻硅的器件及其制备方法

说明书

一种具有混合界面结构的用于将辐射转换成电能的器件，包括经蚀刻的Si表面和连接于其上的有机层。本发明提供用于制备所述经蚀刻的硅表面和所述混合界面的方法。

背景技术

近年来，由于人们越来越关注气候变化和化石燃料的可持续性，因此太阳能电池出于在可再生能源技术中的应用而吸引了越来越多的目光。硅(Si)由于其高效的光捕集和载流子收集能力而被研究作为下一代太阳能电池的潜在候选者。然而，基于Si(特别是纳米Si)的太阳能电池需要能源密集型半导体工艺，包括高温热扩散、电极的热退火和高真空化学沉积过程，所有这些工艺均使Si基太阳能电池系统的制造成本增加。

薄膜太阳能电池比基于体硅(bulk silicon)的电池性价比更高，但是，众所周知，已报道的基于纳米Si的太阳能电池的实验效率仍然显著低于其估计的理论效率以及常规Si太阳能电池的效率。这种低效率的原因之一来自薄膜技术中使用的处理和制造方法，这些方法需要克服基于基础材料的限制，以便释放不同技术的全部效率和成本节省潜力。

一种已知的与Si相关的基于材料的限制是SiO₂层。该氧化物层的特征在于具有通常为5-18cm²V^-1S^-1的低载流子迁移率，这是因为带隙中包含大量多余的、不受控制的界面态。氧化物层包含Si-O键，已知其将表面态引入带隙，增加复合率并降低太阳能电池的整体性能。另外，Si-O键降低表面键的稳定性。因此，就改善从发生电荷分离的介质(通常是基于有机的聚合物)到用于能量捕集过程的硅衬底的电荷载流子迁移率而言，消除此类Si-O键是有益的。此外，光捕集过程的效率很大程度上取决于基于有机的聚合物与硅衬底之间的距离，因此结(junction)的几何结构和体系结构起着重要作用，并影响系统的整体性能。关于几何结构对硅基光伏电池整体性能影响，应当注意的是，尽管增加硅的表面积可以使入射光更有效地吸收，但这也会导致更高的表面复合和通常更大的结面积，而更大的结面积会导致电荷劣化。

因此，需要一种具有有效Si-有机结的光捕集器件以及简便的方法来克服就电池几何结构的不利折衷(tradeoff)，从而能够以简单和低成本的方式制备有效器件。

发明内容

本发明提供一种用于制备硅混合(hybrid)界面结构的方法，包括如下步骤：提供表面具有Si-H键的经蚀刻的Si衬底；a)使步骤(a)的硅表面暴露于含氯气体，同时用光照射所述表面；和b)用一种或多种有机反应物处理步骤(b)的Si衬底，以产生共价键合至所述硅表面的第一有机层。步骤(a)中提供的Si衬底是特征在于具有纳米线(NW)形态的经蚀刻的硅衬底。

通过蚀刻程序提供步骤(a)的衬底，所述蚀刻程序包括如下步骤：使H-封端的Si表面经受包含可氧化的聚集剂(aggregation agent)和酸的溶液，使所述表面氧化以移除在所述Si衬底上形成的被聚集的材料，和洗涤所述表面。

在本发明所述的蚀刻程序之前和之后为表面处理，所述表面处理包括以下步骤：a)借助HF/NH₄F溶液移除Si氧化物层，b)使新的Si氧化物层热生长，和c)移除所述新生长的Si氧化物层以获得H-封端的Si表面。

用于所述第一有机层的有机反应物选自胺、醇、卤化物和烷基化试剂。这些反应物的特征在于具有至少一个官能基团，使得所述基团与Si表面原子反应。

本发明进一步包括使其上具有第一有机层的Si表面与第二有机反应物反应以提供第二功能层的步骤，所述第二有机层共价结合或物理吸附至第一有机层。