增強廣譜吸收硅表面*

廖承菌, 楊培志, 李學(xué)銘

(1.可再生能源材料先進技術(shù)與制備教育部重點實驗室，云南 昆明 650092；2.云南師范大學(xué) 太陽能研究所，云南 昆明 650092)

晶體硅表面織構(gòu)是提高晶體硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率的重要手段之一.特別是通過堿溶液對晶體硅表面進行各向異性刻蝕以獲得金字塔這項技術(shù)手段已被廣泛用于工業(yè)化生產(chǎn)中，并為太陽電池的發(fā)展做出了重要貢獻[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，一種被稱作黑硅的材料因具有廣譜吸收特性(對可見光吸收率高達95%以上，對紅外光吸收也不低于80%)，被認(rèn)在開發(fā)光電探測器件，高效太陽電池等方面具有潛在應(yīng)用價值.通過激光刻蝕[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)刻蝕黑硅簡便易行、成本低廉、高效可靠，能與太陽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.為增強黑硅的寬光譜吸收性能，本文對金輔助濕法化學(xué)刻蝕方法進行改良.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單晶硅進行刻蝕，從而進一步增強了單晶硅表面的廣譜吸收性能.

1 實驗方法

本實驗采用同批次直拉(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，然后再通過金納米粒子輔助濕法化學(xué)方法[14]對絨面進一步刻蝕，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

硅片反射率的測量采用紫外—可見—近紅外分光光度計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，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太陽光譜范圍的吸收性能，對其反射率進行表征.

2.2 樣品反射率曲線

圖4為樣品表面反射率曲線，其中點線(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，實線(樣品2)代表增強廣譜吸收硅表面.

由圖4可以看出，樣品1和樣品2在對整個太陽光譜區(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.這說明在金字塔絨面基礎(chǔ)上通過金屬輔助濕法化學(xué)刻蝕是非常有效的一種方法.接下來對不同樣品在不同光譜區(qū)域的平均反射率作了計算，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

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，就整個太陽光譜，樣品2比樣品1平均反射率低約2.5%，對吸收限以內(nèi)的光譜，樣品2比樣品1平均反射率稍低，對吸收限以外的光譜，樣品2比樣品1平均反射率低約3%.因此，樣品2進一步增強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，進一步對其微觀結(jié)構(gòu)進行了表征.

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)刻蝕后生長出許多納米級尺度的小孔(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尺度微結(jié)構(gòu)(如圖a所示)一樣，使樣品2實現(xiàn)對納米光子和微米光子的分級吸收.因此，納米/微米雙尺寸結(jié)構(gòu)比單獨的金字塔微米級結(jié)構(gòu)表面或者是單一孔洞狀納米級結(jié)構(gòu)表面具有更強的光捕獲能力.

3 結(jié)論

通過表面堿織構(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)的增強廣譜吸收硅表面.

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