增强广谱吸收硅表面*
2014-08-02廖承菌杨培志李学铭
廖承菌, 杨培志, 李学铭
(1.可再生能源材料先进技术与制备教育部重点实验室，云南 昆明 650092；2.云南师范大学 太阳能研究所，云南 昆明 650092)
晶体硅表面织构是提高晶体硅太阳电池转换效率的重要手段之一.特别是通过碱溶液对晶体硅表面进行各向异性刻蚀以获得金字塔这项技术手段已被广泛用于工业化生产中，并为太阳电池的发展做出了重要贡献[1]，但是金字塔织构抗反射特性还不够理想.为了降低晶体硅表面反射，一种被称作黑硅的材料因具有广谱吸收特性(对可见光吸收率高达95%以上，对红外光吸收也不低于80%)，被认在开发光电探测器件，高效太阳电池等方面具有潜在应用价值.通过激光刻蚀[2-4]、电化学刻蚀[5-7]、反应离子刻蚀[8-10]、金属纳米粒子辅助湿法化学刻蚀[11-16]、等离子体侵没离子注入[1]等方法均能制备出黑硅.金属辅助湿法化学刻蚀黑硅简便易行、成本低廉、高效可靠，能与太阳电池用晶体硅表面织构工艺兼容，具有良好的发展前景[17].其中，在HF/H2O2混合溶液中添加金纳米粒子作为催化剂，是金属辅助湿法化学刻蚀最成熟的方法.金属纳米粒子不仅可以通过向HF/H2O2混合溶液中添加金化合物以自组装的方式获得[14-15,18]，也可以由真空蒸发[12-13]，磁控溅射[18]等获得.为增强黑硅的宽光谱吸收性能，本文对金辅助湿法化学刻蚀方法进行改良.首先在单晶硅表面制备出金字塔绒面，接着向HF/H2O2混合溶液中添加金化合物对单晶硅进行刻蚀，从而进一步增强了单晶硅表面的广谱吸收性能.
1 实验方法
本实验采用同批次直拉(CZ)单晶硅片，电阻率为0.5～3 Ω·cm，样品尺寸为20×20 mm.样品1制备流程如图1所示，直接通过金纳米粒子辅助湿法化学刻蚀[14]，然后将其侵入硝酸(HNO3)水溶液[20]中以去除表面膜状物，获得黑硅.样品2制备流程如图2所示，首先采用NaOH(wt 3%)/IPA(vol 6.5%)溶液体系在80～82 ℃下，腐蚀硅片30 min制得金字塔绒面，然后再通过金纳米粒子辅助湿法化学方法[14]对绒面进一步刻蚀，最后侵入HNO3水溶液[20]去除表面膜状物，以获得增强广谱吸收硅表面.
图1 样品1制备流程
图2 样品2制备流程
硅片反射率的测量采用紫外—可见—近红外分光光度计U-4100，表面微结构形貌的观察采用扫描电子显微镜ZEISS表征.
2 结果与讨论
2.1 样品表面形貌
图3给出了所有样品的数码照片：样品1(左)，样品2(右).
图3 样品图片
由图3可见，样品1和样品2均呈现出暗黑色，并且色泽都比较均匀.其中，样品1是单纯采用金属辅助湿法化学方法制备的黑硅，样品2是在金字塔绒布基础上采用金属辅助湿法化学方法制备的黑硅.为了研究样品在整个太阳光谱范围的吸收性能，对其反射率进行表征.
2.2 样品反射率曲线
图4为样品表面反射率曲线，其中点线(样品1)代表直接采用金属纳米粒子辅助湿法化学刻蚀制备的黑硅，实线(样品2)代表增强广谱吸收硅表面.
由图4可以看出，样品1和样品2在对整个太阳光谱区域均显示出了良好的减反射特性，特别是样品2的减反射能力更为突出.这说明在金字塔绒面基础上通过金属辅助湿法化学刻蚀是非常有效的一种方法.接下来对不同样品在不同光谱区域的平均反射率作了计算，给出了样品1与样品2在不同波段的平均反射率值.
图4 样品反射率曲线
不同样品在不同波段的平均反射率如表1所示.
表1 不同样品在不同波段的平均反射率
由表1可以看出，就整个太阳光谱，样品2比样品1平均反射率低约2.5%，对吸收限以内的光谱，样品2比样品1平均反射率稍低，对吸收限以外的光谱，样品2比样品1平均反射率低约3%.因此，样品2进一步增强了硅表面的广谱吸收性能.为了弄清样品2出色的吸收性能与其微观形貌之间的关系，进一步对其微观结构进行了表征.
2.3 样品表面形貌
样品微结构形貌如图5所示(a代表样品1的断面图，b、c分别代表样品2的断面图和局部顶视图).
图5 样品的SEM图
由图5可以看出，样品2表面首先是分布许多微米级尺度的金字塔结构(如图b所示)，即金字塔结构在金属辅助湿法化学刻蚀后仍然存在，差别在于金字塔表面经金属辅助湿法化学刻蚀后生长出许多纳米级尺度的小孔(如图c所示)，这些小孔如同样品1表面分布着柱体或小孔等纳米级尺度微结构(如图a所示)一样，使样品2实现对纳米光子和微米光子的分级吸收.因此，纳米/微米双尺寸结构比单独的金字塔微米级结构表面或者是单一孔洞状纳米级结构表面具有更强的光捕获能力.
3 结论
通过表面碱织构，再采用金纳米粒子辅助湿法化学刻蚀晶体硅表面，获得了在350～2 500 nm波段平均反射率低于5.5%、具有纳米/微米双尺寸陷光结构的增强广谱吸收硅表面.
参 考 文 献:
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