[发明专利]在多晶硅上形成倒金字塔型多孔表面纳米织构的方法及制备短波增强型太阳电池的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅晶体的表面处理方法及其后续制备太阳能光伏电池的方法，特别是涉及一种利用金属催化化学腐蚀法工艺制备纳米多孔黑硅形成硅晶体的表面织构的方法及进行硅晶体太阳能电池制备方法，应用于太阳能光伏电池技术领域。

背景技术

未经处理的原始多晶体硅表面的反射率是非常高的，那么，直接用这种材料制备的多晶体硅太阳能电池的光学损失是相当大的，极大地限制了电池的光电转换效率。为了增加入射光的吸收率，传统的各向异性/同性的化学腐蚀方法是工业上比较成熟的方法，可以制备微米级的太阳能电池绒面。另外，像SiN_x和SiO_x这类光学减反膜也可以在某一波长的范围极大地减少太阳能电池的表面反射率。然而，即使采用最优化配置的化学腐蚀法和光学减反膜，多晶体硅太阳能电池仍然有相当高的表面反射率，因此限制了其光电转化效率。

为了降低多晶硅片的表面反射率，增大电池的光生电流密度，研究界纷纷提出许多实验方法，比如反应离子刻蚀法，电化学腐蚀法，等离子织构法，飞秒激光织构法和金属催化化学腐蚀法。其中，金属催化化学腐蚀法工艺简单，操作方便，成本低廉，并具备以下优点：

（1）利用贵金属粒子，如Au, Ag, Pt, Pd等的催化活性，这种快速和湿法化学腐蚀法可以很容易制备随机分布、大小和形状都比较均匀的纳米多孔黑硅（nanoporous black silicon, nb-Si）结构；

（2）该nb-Si结构在宽波段上具有极低的表面反射率<5%，远低于未经处理前原始硅片的反射率，或是太阳能电池制造工业上目前比较成熟的微米尺度绒面的反射率；

（3）这种纳米织构的表面处理方法可以方便地整合到常规的标准晶体硅太阳能电池的后续制备流程中，易于实现工业化生产，具有良好的发展前景。

但是，这种nb-Si结构所制备的太阳能电池的短波量子效率较低，复合损失严重，大大地降低其光生电流和光电转换效率，是一个急需解决的难题。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的缺陷，提供一种在多晶硅上形成倒金字塔型多孔表面纳米织构的方法及制备短波增强型太阳电池的方法，进行多晶体硅材料表面化学处理，制备一种随机形成的准规则纳米织构，并将表面织构化处理后的多晶体硅进行低表面反射率、高短波光谱响应的太阳能电池制备，本发明方法工艺简单，操作方便，成本低廉，适于工业生产。

为达到上述发明创造目的，本发明的构思如下：利用金属催化化学腐蚀法，通过HF, AgNO₃、H₂O₂和HNO₃等溶液在多晶硅片上形成纳米多孔表面结构；然后将部分样品放入0.1-1%的NaOH腐蚀液中进行纳米倒金字塔的表面修饰，形成纳米倒金字塔硅（inverted pyramid silicon, IP-Si）结构，其微结构形貌更均匀和平整，有效少数载流子寿命极大地提高；最终在纳米织构表面结构上，通过改变太阳能电池制备工艺中氮化硅层的厚度（50-90 nm），制备出低表面反射率、高短波光谱响应的多晶硅太阳能光伏电池。

根据以上发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种在多晶硅上形成倒金字塔型多孔表面纳米织构的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）硅片选择和表面去损伤：选用多晶硅作为硅片材料，然后利用与硅不发生化学反应的溶剂对硅片进行超声清洗，去除硅片表面的有机物残余物质，再将硅片在HF和HNO₃的混合溶液中进行化学腐蚀，去除硅片表面的机械损伤层，得到表面光洁的多晶硅硅片；

（2）金属催化硅片表面化学腐蚀：将在上述步骤中制备的硅片先浸入HF和AgNO₃的混合水溶液中，在室温下反应，当硅片表面沉积纳米银颗粒后，再将硅片放置于HF和H₂O₂的混合水溶液中，在室温条件下进行硅片表面化学腐蚀，在硅片表面上形成纳米多孔黑硅织构，然后再将硅片在浓HNO₃溶液中浸泡，而后用去离子水硅对具有纳米多孔黑硅织构的硅片进行冲洗，从而去除硅片上多余的纳米银颗粒，得到纳米多孔黑硅样品备用；

（3）硅片表面再修饰：将在步骤（2）中制备的纳米多孔黑硅样品先浸入稀HF溶液中去除其表面氧化层，然后立即浸入0.1～1%的NaOH腐蚀液中进行表面修饰，在室温下反应3～9分钟，最终在多晶硅上形成倒金字塔型多孔表面纳米织构。