廖承菌, 楊培志, 李學(xué)銘

(1.可再生能源材料先進(jìn)技術(shù)與制備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650092；2.云南師范大學(xué) 太陽(yáng)能研究所，云南 昆明 650092)

晶體硅表面織構(gòu)是提高晶體硅太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的重要手段之一.特別是通過(guò)堿溶液對(duì)晶體硅表面進(jìn)行各向異性刻蝕以獲得金字塔這項(xiàng)技術(shù)手段已被廣泛用于工業(yè)化生產(chǎn)中，并為太陽(yáng)電池的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)[1]，但是金字塔織構(gòu)抗反射特性還不夠理想.為了降低晶體硅表面反射，一種被稱(chēng)作黑硅的材料因具有廣譜吸收特性(對(duì)可見(jiàn)光吸收率高達(dá)95%以上，對(duì)紅外光吸收也不低于80%)，被認(rèn)在開(kāi)發(fā)光電探測(cè)器件，高效太陽(yáng)電池等方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值.通過(guò)激光刻蝕[2-4]、電化學(xué)刻蝕[5-7]、反應(yīng)離子刻蝕[8-10]、金屬納米粒子輔助濕法化學(xué)刻蝕[11-16]、等離子體侵沒(méi)離子注入[1]等方法均能制備出黑硅.金屬輔助濕法化學(xué)刻蝕黑硅簡(jiǎn)便易行、成本低廉、高效可靠，能與太陽(yáng)電池用晶體硅表面織構(gòu)工藝兼容，具有良好的發(fā)展前景[17].其中，在HF/H2O2混合溶液中添加金納米粒子作為催化劑，是金屬輔助濕法化學(xué)刻蝕最成熟的方法.金屬納米粒子不僅可以通過(guò)向HF/H2O2混合溶液中添加金化合物以自組裝的方式獲得[14-15,18]，也可以由真空蒸發(fā)[12-13]，磁控濺射[18]等獲得.為增強(qiáng)黑硅的寬光譜吸收性能，本文對(duì)金輔助濕法化學(xué)刻蝕方法進(jìn)行改良.首先在單晶硅表面制備出金字塔絨面，接著向HF/H2O2混合溶液中添加金化合物對(duì)單晶硅進(jìn)行刻蝕，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了單晶硅表面的廣譜吸收性能.

1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用同批次直拉(CZ)單晶硅片，電阻率為0.5～3 Ω·cm，樣品尺寸為20×20 mm.樣品1制備流程如圖1所示，直接通過(guò)金納米粒子輔助濕法化學(xué)刻蝕[14]，然后將其侵入硝酸(HNO3)水溶液[20]中以去除表面膜狀物，獲得黑硅.樣品2制備流程如圖2所示，首先采用NaOH(wt 3%)/IPA(vol 6.5%)溶液體系在80～82 ℃下，腐蝕硅片30 min制得金字塔絨面，然后再通過(guò)金納米粒子輔助濕法化學(xué)方法[14]對(duì)絨面進(jìn)一步刻蝕，最后侵入HNO3水溶液[20]去除表面膜狀物，以獲得增強(qiáng)廣譜吸收硅表面.

圖1 樣品1制備流程

圖2 樣品2制備流程

硅片反射率的測(cè)量采用紫外—可見(jiàn)—近紅外分光光度計(jì)U-4100，表面微結(jié)構(gòu)形貌的觀察采用掃描電子顯微鏡ZEISS表征.

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品表面形貌

圖3給出了所有樣品的數(shù)碼照片：樣品1(左)，樣品2(右).

圖3 樣品圖片

由圖3可見(jiàn)，樣品1和樣品2均呈現(xiàn)出暗黑色，并且色澤都比較均勻.其中，樣品1是單純采用金屬輔助濕法化學(xué)方法制備的黑硅，樣品2是在金字塔絨布基礎(chǔ)上采用金屬輔助濕法化學(xué)方法制備的黑硅.為了研究樣品在整個(gè)太陽(yáng)光譜范圍的吸收性能，對(duì)其反射率進(jìn)行表征.

2.2 樣品反射率曲線(xiàn)

圖4為樣品表面反射率曲線(xiàn)，其中點(diǎn)線(xiàn)(樣品1)代表直接采用金屬納米粒子輔助濕法化學(xué)刻蝕制備的黑硅，實(shí)線(xiàn)(樣品2)代表增強(qiáng)廣譜吸收硅表面.

由圖4可以看出，樣品1和樣品2在對(duì)整個(gè)太陽(yáng)光譜區(qū)域均顯示出了良好的減反射特性，特別是樣品2的減反射能力更為突出.這說(shuō)明在金字塔絨面基礎(chǔ)上通過(guò)金屬輔助濕法化學(xué)刻蝕是非常有效的一種方法.接下來(lái)對(duì)不同樣品在不同光譜區(qū)域的平均反射率作了計(jì)算，給出了樣品1與樣品2在不同波段的平均反射率值.

圖4 樣品反射率曲線(xiàn)

不同樣品在不同波段的平均反射率如表1所示.

表1 不同樣品在不同波段的平均反射率

由表1可以看出，就整個(gè)太陽(yáng)光譜，樣品2比樣品1平均反射率低約2.5%，對(duì)吸收限以?xún)?nèi)的光譜，樣品2比樣品1平均反射率稍低，對(duì)吸收限以外的光譜，樣品2比樣品1平均反射率低約3%.因此，樣品2進(jìn)一步增強(qiáng)了硅表面的廣譜吸收性能.為了弄清樣品2出色的吸收性能與其微觀形貌之間的關(guān)系，進(jìn)一步對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征.

2.3 樣品表面形貌

樣品微結(jié)構(gòu)形貌如圖5所示(a代表樣品1的斷面圖，b、c分別代表樣品2的斷面圖和局部頂視圖).

圖5 樣品的SEM圖

由圖5可以看出，樣品2表面首先是分布許多微米級(jí)尺度的金字塔結(jié)構(gòu)(如圖b所示)，即金字塔結(jié)構(gòu)在金屬輔助濕法化學(xué)刻蝕后仍然存在，差別在于金字塔表面經(jīng)金屬輔助濕法化學(xué)刻蝕后生長(zhǎng)出許多納米級(jí)尺度的小孔(如圖c所示)，這些小孔如同樣品1表面分布著柱體或小孔等納米級(jí)尺度微結(jié)構(gòu)(如圖a所示)一樣，使樣品2實(shí)現(xiàn)對(duì)納米光子和微米光子的分級(jí)吸收.因此，納米/微米雙尺寸結(jié)構(gòu)比單獨(dú)的金字塔微米級(jí)結(jié)構(gòu)表面或者是單一孔洞狀納米級(jí)結(jié)構(gòu)表面具有更強(qiáng)的光捕獲能力.

3 結(jié)論

通過(guò)表面堿織構(gòu)，再采用金納米粒子輔助濕法化學(xué)刻蝕晶體硅表面，獲得了在350～2 500 nm波段平均反射率低于5.5%、具有納米/微米雙尺寸陷光結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)廣譜吸收硅表面.

參 考 文 獻(xiàn):

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