[发明专利]光滑表面硅纳米线阵列的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种纳米材料制备技术领域的方法，具体是一种长度可控的光滑表面硅纳米线阵列的制备方法。

背景技术

目前，大规模开发和利用太阳能光伏发电的核心所在是降低太阳电池的生产成本和提高电池的光电转换效率。硅纳米线由于能将光吸收和载流子的分离垂直正交化(即光吸收沿着硅纳米线的轴向而载流子在纳米线的径向分离)，与传统平板硅电池相比既增强了光吸收又提高了载流子的收集效率，从而就有可能在载流子扩散长度较短、成本低廉的硅材料中实现较高效率的太阳电池。所以，硅纳米线在降低太阳电池成本、提高光电转换效率方面具有重要的应用前景。目前，硅纳米线的制备方法主要包括气-液-固三相法、反应离子刻蚀法和金属辅助化学刻蚀法等；在这些方法中，金属辅助化学刻蚀法是成本最低、最简单可行的制备方法，它在未来硅纳米线制备和光伏应用中将具有重要的作用。

经对现有硅纳米线制备方面文献的检索发现，Peng等人在《先进材料》(Advanced Materials)2002年，14卷，1164-1167页上报道了一种在温度为50℃下氢氟酸和硝酸银水溶液中制备硅纳米线的化学方法，并将该方法总结为金属辅助纳米电化学方法。到目前为止，通过对该方法制备硅纳米线的大量研究，人们已经实现利用金属辅助化学刻蚀的方法制备硅纳米线阵列。然而利用金属辅助化学刻蚀技术制备的硅纳米线表面具有大量的缺陷，同时对其金属催化的具体机理和氧化剂作用理解也不是非常明确。表面缺陷增加了载流子在表面的复合损失并严重限制了硅纳米线太阳电池的光电转换效率和在光伏中的应用。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种长度可控的光滑表面硅纳米线阵列的制备方法，通过在化学刻蚀体系中简单调节氧化剂双氧水的浓度和刻蚀时间而实现了长度可控的光滑表面硅纳米线的制备，从而解决了在金属辅助化学刻蚀中制备表面缺陷较少硅纳米线的技术难题。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过首先对硅片进行湿化学清洗，然后在含有氢氟酸和硝酸银的混合溶液中利用无电化学沉积法在硅片表面沉积银纳米颗粒层，经含有氢氟酸和双氧水的混合溶液进行化学刻蚀，最后用硝酸去除银纳米颗粒得到硅纳米线阵列。

所述的硅片是指：电阻率为0.01-0.03Ω·cm的p型(100)晶向电子级硅片；

所述的湿化学清洗是指：将硅片先依次用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗各15分钟，然后依次用体积比为1∶1∶5的氨水∶双氧水∶水在85℃下煮15分钟，在质量分数为3％的氢氟酸中浸泡1分钟，再在体积比为1∶1∶5的盐酸∶双氧水∶水85℃下煮15分钟，最后依次用去离子水和稀氢氟酸溶液冲洗得到疏水表面的硅片。

所述的利用无电化学沉积法在硅片表面沉积银纳米颗粒层是指：将硅片在放入室温下浓度为4.0摩尔/升的氢氟酸和15.0毫摩尔/升的硝酸银的水溶液中60-120秒后迅速取出，使得硅片表面均匀沉积一层银纳米颗粒。

所述的化学刻蚀是指：将沉积好银纳米颗粒层的硅片先在去离子水中浸洗，然后浸入含有氢氟酸和双氧水的混合溶液中进行刻蚀，其中：氢氟酸的浓度为5.0摩尔/升，双氧水的浓度为0.02到8.0摩尔/升，整个反应在室温条件下进行并在光致发光的表征中利用波长为514.5纳米的激光作为激发光。

所述的用硝酸去除银纳米颗粒是指：先用质量分数为65％硝酸溶液淋洗硅片以去掉其表面的银纳米颗粒，然后再用去离子水冲洗并在烘箱中60℃烘干。

本发明通过无电化学法在硅片表面沉积银纳米颗粒层，以此作为催化模板在双氧水氧化处理的氢氟酸溶液中刻蚀，通过调节双氧水的浓度来控制硅纳米线的表面形貌和发光性质，结合高分辨率电镜和光致发光观察获得合适浓度的双氧水，成功制备表面光滑、缺陷较少的硅纳米线阵列。由于制备硅纳米线是在室温条件下通过简单的化学反应就可以实现，而且硅纳米线的长度可以通过反应时间来控制，同时该方法适用于大面积硅片级的纳米线阵列制备，所以这为低成本、大规模制备高质量硅纳米线提高了重要的参考，在材料制备和光伏应用中具有重要的意义。

附图说明

图1为实施例效果示意图1；

图中：(a，c)为0.4和0.1摩尔/升的双氧水浓度下制备好的样品的低倍透射电镜图；(b，d)为对应于(a，c)中虚线框处的高倍透射电镜图；(e)不同双氧水浓度下硅纳米线的发光光谱。

图2为实施例效果示意图2；

图中：(a-c)在0.1摩尔/升的双氧水浓度下，反应时间分别为10，30和60分钟的光滑表面硅纳米线阵列的扫描电镜图；(d)硅纳米线长度随刻蚀时间的变化关系。

具体实施方式