[发明专利]一种在柔性衬底上制备硅纳米线阵列的方法

说明书

技术领域

本发明涉及新能源中薄膜太阳电池的技术领域，尤其涉及一种在柔性衬底上制备硅纳米线阵列的方法。

背景技术

化石能源燃烧产生大量的废气，严重污染、破坏了地球的生态环境使人类的生存环境越来越恶化，保护人类赖以生存的自然环境和自然资源成为当今世界共同关心的全球性问题。发展高效、清洁能源技术是世界能源的发展战略。2006年，中国《可再生能源法》正式颁布，国家加大了发展新能源的工作力度，推出各项相关的倾斜政策大力支持发展、开发可再生能源。在“十二五”发展规划中，进一步将可再生能源特别是太阳能的发展列为重点优先发展的领域。从世界范围来看，光伏发电已开始进入批量生产和规模应用阶段，但离太阳能的大规模应用还有一定的局限性。这主要来自电池的光电转换效率不够高和电池成本高，寻找廉价、高效太阳电池的材料始终是各国研究的重要领域。

由于硅的原料储量丰富，制备的太阳能电池具有较高的转换效率，材料无毒性，对环境不会造成污染，因而成为一种比较理想的太阳能电池材料。硅太阳能电池主要包括晶体硅太阳能电池和薄膜硅太阳能电池。晶体硅太阳能电池转换效率较高，技术也最为成熟。但晶体硅材料成本较高，制备过程中需要消耗大量的材料和能量。一直备受人们关注的非晶硅薄膜太阳电池主要目标就是为了降低电池成本，而且近年来人们开始尝试利用价格低廉的多晶硅、甚至冶金级硅来制作太阳能电池。但这些电池的关键问题是，其中的电子扩散长度太短而无法将光生载流子顺利输运至空间电荷区，从而未能被电极有效收集。为解决这一问题，美国加州理工学院研究组提出采用径向p-n结的硅纳米线太阳电池将光吸收和载流子输运的方向进行正交化，利用较长的纳米线轴向来吸收光子，而在径向上可以有助于收集光生载流子。理论计算表明，电子扩散长度为100nm的径向硅纳米线太阳电池效率可达11％，远高于平板结构的1.5％，因此这种新概念电池结构在制作低成本材料太阳电池方面有很大的潜力。除此之外，该研究组采用电化学腐蚀法在晶体硅上制作大孔纳米线，初步实现了径向硅纳米线阵列太阳电池，用这种技术制作的径向太阳电池与传统平板晶体硅太阳电池相比，效率只是略微下降一些，人们可以利用此技术在低品质硅材料上制作径向硅纳米线太阳电池，从而降低电池的材料成本。另一方面，这种径向结构的硅纳米线在非晶硅薄膜电池上也得到了初步应用。非晶硅纳米线强的光吸收和有效的减反作用将进一步促使硅薄膜太阳能电池效率的提高和成本的降低。由此可见，硅纳米线用于光伏器件的前景是很受期待的。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种在柔性衬底上制备硅纳米线阵列的方法，该方法能够改善硅纳米线的光电性能，具有制备工艺简便易行，成本较低，可规模化生产等优点，可以广泛应用于太阳电池等多个行业领域。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明涉及一种在柔性衬底上制备硅纳米线阵列的方法，该方法的步骤为：

1)在不锈钢柔性衬底上采用磁控溅射方法沉积一层掺锡氧化铟(ITO)薄膜；

2)将步骤1)得到的不锈钢柔性衬底转移至反应腔室，利用氢气等离子体刻蚀方法对ITO进行刻蚀处理而得到铟金属的纳米颗粒；

3)在步骤2)得到的不锈钢柔性衬底上采用等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)技术生长硅纳米线(包括i型、p型和n型硅纳米线)。

上述步骤1)中磁控溅射方法沉积一层掺锡氧化铟(ITO)薄膜的具体方法为：

首先在沉积之前，将不锈钢柔性衬底去除油污、用去离子水沸煮及超声清洗处理并烘干；将清洗过的不锈钢柔性衬底放入到磁控溅射反应腔室中，使磁控溅射的腔室的本底真空度优于1.0×10^-3Pa，使不锈钢柔性衬底的温度为100℃，此时，停止抽真空，开始磁控溅射，磁控溅射时间为1min，沉积掺锡氧化铟(ITO)薄膜的厚度为10nm；其中，磁控溅射所用靶材为99.9％纯度(可更高)的ITO靶材；

上述的步骤2)中利用氢气等离子体刻蚀方法对ITO进行刻蚀的方法为：

将覆盖有ITO的不锈钢柔性衬底转移到PECVD腔室中，腔室本底真空度为1×10^-3-2×10^-3Pa，腔室中的不锈钢柔性衬底的温度为400℃，此时，停止抽真空，并通入氢气，氢气流量为6×10^-3m³/h，腔室压力为200Pa，射频电源的辉光功率500mW/cm²，氢等离子体刻蚀处理时长为10min，得到纳米尺寸量级的铟金属颗粒；