多晶硅表面金属催化化学腐蚀法制绒研究现状

在多晶硅太阳能电池的生产过程中,金刚线切割(Diamond wire sawing, DWS)技术具有切割速度快、精度高、原材料损耗少等优点,受到了广泛关注。金刚线切割多晶硅表面形成的损伤层较浅,与传统的酸腐蚀制绒技术无法匹配,金属催化化学腐蚀法应运而生。金属催化化学腐蚀法制绒具有操作简单、结构可控且易形成高深宽比的绒面等优点,具有广阔的应用前景。本文总结了不同类型的金属催化剂在制绒过程中的腐蚀机理及其形成的绒面结构,深入分析和讨论了具有代表性的银、铜的单一及复合催化腐蚀过程及绒面结构和电池片性能。最后对金刚线切割多晶硅片表面的金属催化化学腐蚀法存在的问题进行了分析,并展望了未来的研究方向。     

磁场方向对碱腐蚀构建多晶硅绒面结构的影响

在零磁场和2T、4T磁场中用NaOH溶液腐蚀制备多晶硅绒面结构,样品板平面分别平行和垂直于磁场放置。用电子天平称重表征硅片的腐蚀程度、用奥林巴斯LEXT OLS4100共聚焦显微镜观察多晶硅片形貌、用Ocean Optics USB4000光谱仪测量多晶硅片的反射率、用WT-1200硅片测试仪测量样品的少子寿命,研究了磁场方向对碱腐蚀构建多晶硅绒面结构的影响。结果表明：随着磁感应强度的提高多晶硅片的腐蚀程度严重,绒面结构变得均匀和细腻,反射率降低;在磁感应强度相同的条件下碱液中沿着磁场方向运动的OH^-离子不受磁场力作用,而运动方向与磁场方向不完全一致的OH^-离子受磁场产生的Lorenz力作用。Lorenz力使板平面垂直于磁场方向的硅片样品腐蚀程度更加严重、绒面和断层状结构细腻程度更加显著、少子的寿命更长、反射率更低。磁感应强度为4T时反射率降低到14.5%,在用碱液腐蚀制备多晶硅绒面结构过程中施加强磁场,板平面垂直磁场方向放置硅片减反射效果更加显著。     

用化学腐蚀制备多孔硅太阳电池减反射膜的研究

采用HF HNO3溶液化学腐蚀 ,在硅片上制备减反射效果优良的多孔硅太阳电池减反射膜 ,借助原子力显微镜 (AFM)和X光电子谱 (XPS)对其表面形貌和成分进行观察 ,发现该膜与电化学阳极腐蚀得到的多孔硅具有相似性 ,其主要成分为非化学配比的硅的氧化物SiOx(X <2 )。采用带积分球的光度分光计 ,测得形成多孔硅减反射膜后 ,硅片表面反射率大大下降 ,,在波长 330～ 80 0nm范围反射率只有 1 5～ 2 9%。研究指出这种强减反射作用 ,与多孔硅具有合适的折射率及其多孔特性的光陷阱作用有关     

醋酸铜辅助催化刻蚀制备金刚线切割多晶硅片绒面

金刚线切割多晶硅片表面减反射结构难以制备的问题阻碍着多晶硅光伏的进步。银辅助的酸腐蚀是解决这一问题的较好方法,但银的消耗和废液处理等增加了成本。本研究提出了醋酸铜辅助催化刻蚀金刚线切割多晶硅片方案,考察了刻蚀反应温度和时间对硅片表面形貌的影响,确定了最优的反应温度和时间分别为25℃和5 min。在此条件下,所获得的多晶硅在300～1100 nm波段的平均反射率为15.1%。按照标准太阳电池制备工艺流片后,所获太阳电池的光电转换效率为19.4%。     

金属辅助化学刻蚀法制备硅纳米线的研究进展

硅纳米线(Si NWs)由于具有独特的一维结构、热电导率、光电性质、电化学性能等特点,被广泛应用于热电与传感器件、光电子元器件、太阳能电池、锂离子电池等领域。金属辅助化学刻蚀法(MACE)是制备Si NWs的常用方法之一,具有操作简便、设备简单、成本低廉和高效等优点,可大规模商业化应用,因而近年来被广泛研究。金属辅助化学刻蚀制备硅纳米线的过程可以分为两步:首先在洁净的硅衬底表面沉积一层金属(Ag、Au、Pt等)纳米颗粒,以催化、氧化它附近的硅原子;然后利用HF溶解氧化层,从而对硅晶片进行刻蚀,形成纳米线阵列。然而,这种简单高效的制备硅纳米线的方法存在一些难以控制的缺点:(1)金属纳米颗粒聚集、相连后造成Si NWs之间的缝隙比较大,从而导致Si NWs密度较低;(2)由于金属纳米颗粒沉积的随机性,在硅晶片表面分布不均匀,不仅导致刻蚀出的纳米线直径范围(50～200 nm)较宽,而且使制得的纳米线阵列排列无序且间距不易调控;(3)当刻蚀出的硅纳米线太长时,范德华力等作用会造成纳米线顶端出现严重的团簇现象。针对常规法存在的一些问题以及不同的器件对硅纳米线的形貌、类型和直径等的要求,近年来的研究主要集中在如何减少纳米线顶端团簇、调控纳米表面粗糙度和直径、低成本制备有序硅纳米线等方面。目前一些改进常规金属辅助化学刻蚀的方法取得了进展,比如:(1)用酸溶液或UV/Ozone对硅晶片预处理,在表面形成氧化层,可以使纳米线的均匀性得到改善并增大其密度(从18%提高到38%);(2)使用物理气相沉积法在硅晶片表面沉积一层金属纳米薄膜,然后再刻蚀,这种方法能够减少纳米线顶端团簇和有效调控纳米线直径;(3)利用模板法(聚苯乙烯小球模板、氧化铝模板、二氧化硅模板和光刻胶模板等)可以制备出有序的硅纳米线阵列。本课题组用离子束刻蚀的方法制备了直径范围可以控制在30～90 nm的聚苯乙烯小球模板,为小尺寸有序硅纳米线的制备打下了坚实的基础。本文简要介绍了常规MACE的原理和制备流程,总结了硅晶片的类型、刻蚀溶液的浓度、温度和刻蚀时间等因素对Si NWs形貌、尺度、表面粗糙度、刻蚀方向以及刻蚀速率的影响,用相关的机制解释了H2O2过量时刻蚀路径偏离垂直方向的机理以及刻蚀速率随溶液浓度变化的原因,重点综述了氧化层预处理、物理法沉积贵金属纳米薄膜、退火处理和模板法等改进方法在减少纳米线顶部团簇、改善均匀性、制备有序且直径和间距可控纳米线中的研究进展。     

等离子体辅助铝诱导纳米硅制备多晶硅的研究

以超白玻璃为衬底,利用热丝化学气相沉积和磁控溅射法制备了Glass/nc-Si/Al叠层结构,置入管式退火炉中进行等离子体辅助退火.样品在氢等离子体氛围下进行了400,425和450℃不同温度,5h的诱导退火,用光学显微镜和拉曼光谱对样品进行了性能表征.结果表明随着诱导温度升高,样品的Si(111)择优取向越来越显著;晶粒尺寸不断增大,在450℃诱导温度下获得了最大晶粒尺寸约500μm的连续性多晶硅薄膜,且该温度下薄膜晶化率达97％;薄膜的结晶质量也随着温度的升高而不断提高.样品经450℃诱导后的载流子浓度p为5.8× 1017 cm-3,薄膜霍尔迁移率μH为74 cm2/Vs.还从氢等离子体钝化的角度分析了等离子体环境下铝诱导纳米硅的机理.     

电催化金属辅助化学刻蚀法制备硅纳米线/多孔硅复合结构

量子限制效应使硅纳米线具有良好的场致发射特性,结合多孔硅的准弹道电子漂移模型可提高场发射器件的性能。传统的金属辅助化学刻蚀法制备硅纳米线的效率较低,本研究在传统方法的基础上引入恒流源,提出电催化金属辅助化学刻蚀法,高效制备了硅纳米线/多孔硅复合结构。在外加30mA恒定电流的条件下,硅纳米线的平均制备速率可达308nm/min,较传统方法提升了173%。研究了AgNO₃浓度、刻蚀时间和刻蚀电流对复合结构形貌的影响规律;测试了采用电催化金属辅助化学刻蚀法制备样品的场发射特性。结果显示样品的阈值场强为10.83 V/μm,当场强为14.16 V/μm时,电流密度为64μA/cm²。     

基于金属催化化学腐蚀的硅纳米线可控制备

硅纳米线由于其独特的光电特性,被认为是最具前景的光电材料之一。本文关注于使用金属催化化学腐蚀法制备硅纳米线当中各种可控参数的影响,成功地完成了硅纳米线制备。研究发现,高电镀液浓度与长电镀时间都会形成小密度的硅纳米线阵列;而腐蚀液浓度控制着腐蚀速率与硅纳米线的形貌。腐蚀时间对硅纳米线长度和密度都具有一定的影响;而使用氮气干燥能够改善硅纳米线的聚集情况。     

玻璃表面纳米钌金属薄膜的湿化学制备研究

采用柠檬酸盐作为胶体颗粒的稳定剂,制备出稳定性能良好的金属钌薄膜前躯体溶液。当稳定剂和起始金属钌离子物质的量比为5:1时,制备的前躯体溶液中纳米金属颗粒具有较好的分散性,这种在低于200oC的温度下通过湿化学方法在玻璃表面制备出金属钌薄膜透过率可达80.54%,方块电阻为6×103Ω/cm2,金属钌薄膜在可见光范围内没有选择性吸收。薄膜厚度增加时,薄膜的方块电阻下降。     

一种太阳电池纳米陷光结构的制备方法

提出了一种利用石墨纳米颗粒作为掩膜,通过金属辅助刻蚀来制备具有低反射率的太阳电池纳米陷光结构的方法。用该方法制得了一种表面覆盖有纳米线和纳米孔的太阳电池纳米陷光结构。结合金属辅助刻蚀的机制和这种陷光结构的形成原理,分析了石墨纳米颗粒和H2O2浓度对陷光结构形貌的影响,并讨论了陷光结构的形貌对样品陷光性能的影响。最后,制得了在300～1100nm波长范围内平均反射率仅为3.6%的太阳电池陷光层。     

多晶硅太阳能电池片的回收再利用研究

从废弃的太阳能电池片中回收多晶硅原材料对于环境保护和材料的循环再利用具有重要意义。本文研究了用化学溶解和超声清洗回收电池片的最佳条件。分别对实验样品进行EDS、SEM、XPS分析, 得出结论: 电池片与质量分数为10%的氢氧化钠溶液反应18 min完全去除铝电极, 且硅晶片的损失率较小; 将完全去除铝电极的电池片在40 kHz超声清洗20 min后银电极完全剥落; 电池片与40%氢氟酸溶液反应10 min可以去除氮化硅膜。本研究对质量为8.9068 g的单片电池片进行了定量分析, 除去的铝电极质量为1.1102 g, 回收得到了0.0766 g的银电极和7.7169 g的硅晶片。     

碳化硅纳米线的湿腐蚀研究

使用湿腐蚀法即氢氟酸和硝酸的混合酸(体积比为3:1),于100℃对所制备的具有周期性孪晶结构的碳化硅纳米线进行腐蚀,采用SEM、HRTEM、FTIR、PL对所得的样品进行表征,并讨论了纳米线腐蚀的反应机理.结果表明,混合酸对具有周期性孪晶结构纳米线的腐蚀具有选择性,形成了不同于原材料的特殊形貌.同时,腐蚀改变了纳米线的光致发光性能.     

化学刻蚀两步法制备硅纳米线(英文)

采用化学刻蚀两步法制备硅纳米线。在制作过程的不同阶段,通过金相显微镜,扫描电子显微镜及透射电子显微镜分别对其表面形态进行观察。结果表明,通过两步法制作的硅纳米线比传统刻蚀方法制作的样品具有更细的直径。光致发光的测量结果表明,两步法制备的硅纳米线在可见光领域有较强的红光发射。     

Wafer-Scale Fabrication of Hierarchically Porous Silicon and Silica by Active Nanoparticle-Assisted Chemical Etching and Pseudomorphic Thermal Oxidation (Small 22/2023)

Many biological materials exhibit a multiscale porosity with small, mostly nanoscale pores as well as large, macroscopic capillaries to simultaneously achieve optimized mass transport capabilities and lightweight structures with large inner surfaces. Realizing such a hierarchical porosity in artificial materials necessitates often sophisticated and expensive top-down processing that limits scalability. Here, an approach that combines self-organized porosity based on metal-assisted chemical etching (MACE) with photolithographically induced macroporosity for the synthesis of single-crystalline silicon with a bimodal pore-size distribution is presented, i.e., hexagonally arranged cylindrical macropores with 1 µm diameter separated by walls that are traversed by pores 60 nm across. The MACE process is mainly guided by a metal-catalyzed reduction–oxidation reaction, where silver nanoparticles (AgNPs) serve as the catalyst. In this process, the AgNPs act as self-propelled particles that are constantly removing silicon along their trajectories. High-resolution X-ray imaging and electron tomography reveal a resulting large open porosity and inner surface for potential applications in high-performance energy storage, harvesting and conversion or for on-chip sensorics and actuorics. Finally, the hierarchically porous silicon membranes can be transformed structure-conserving by thermal oxidation into hierarchically porous amorphous silica, a material that could be of particular interest for opto-fluidic and (bio-)photonic applications due to its multiscale artificial vascularization.     

非晶硅太阳能电池研究现状

综述了非晶硅太阳能电池的研究现状,讨论了非晶硅太阳能电池的制备方法,发展及趋势,总结了影响非晶硅太阳能电池性能的一些因素。     

Metal‐Assisted Chemical Etching of Silicon: A Review

This article presents an overview of the essential aspects in the fabrication of silicon and some silicon/germanium nanostructures by metal‐assisted chemical etching. First, the basic process and mechanism of metal‐assisted chemical etching is introduced. Then, the various influences of the noble metal, the etchant, temperature, illumination, and intrinsic properties of the silicon substrate (e.g., orientation, doping type, doping level) are presented. The anisotropic and the isotropic etching behaviors of silicon under various conditions are presented. Template‐based metal‐assisted chemical etching methods are introduced, including templates based on nanosphere lithography, anodic aluminum oxide masks, interference lithography, and block‐copolymer masks. The metal‐assisted chemical etching of other semiconductors is also introduced. A brief introduction to the application of Si nanostructures obtained by metal‐assisted chemical etching is given, demonstrating the promising potential applications of metal‐assisted chemical etching. Finally, some open questions in the understanding of metal‐assisted chemical etching are compiled.