[发明专利]基于隧穿钝化接触技术的硅基光电化学制氢光阳极制备方法

说明书

本发明公开了一种基于隧穿钝化接触技术的硅基光电化学制氢光阳极制备方法，包括选择双面抛光的n型单晶硅衬底进行清洗处理，将处理后的n型单晶硅片放入使用碱性制绒溶液中进行各向异性的腐蚀，将腐蚀后的处理后的n型单晶制绒片进行单面的反应离子刻蚀处理，对处理后的n型单晶硅基体背面进行抛光处理，处理后的n型单晶硅基体的背面沉积隧穿氧化层，本发明使用反应离子刻蚀技术和碱湿法制绒结合，可以制备出微纳复合的陷光纹理表面，克服了纯纳米黑硅结构机械鲁棒性差、表面复合速率高的缺点，更适合工业化大规模生产。

技术领域

本发明涉及光电化学的光电极领域，具体涉及一种基于隧穿钝化接触技术的硅基光电化学制氢光阳极制备方法。

背景技术

光电化学分解水制氢是利用光照射半导体产生空穴和电子，随后分别流向正、负极与水反应生成氧气和氢气的技术，被视作为一种理想的绿色清洁能源；晶体硅半导体材料由于价格低廉、吸收系数高、载流子扩散距离长、易掺杂改性等优势，是一种极具潜力的光电化学分解水制氢的电极材料。一般来说，磷掺杂n型硅用以制备析氧反应的光电化学阳极，并且为了进一步降低析氧反应过电位，还使用TiO2、Fe2O3和WO3等催化保护层涂覆再n型硅表面。然而由于平面硅的表面反射损失较大(平均反射率30％)、表面复合速率高(悬挂键密度7×1014eV-1cm-2)，尤其是单晶硅与催化保护层间的晶格失配严重，严重阻碍了硅基光电化学阳极的应用。

为了增强硅电极的光电流密度，研究人员利用光刻法、金属辅助刻蚀法制备了高深宽比的纳米柱或纳米多孔黑硅电极，可以极大地降低太阳光的反射率(平均反射率2％)，但是由于表面积的急剧增加，表面复合速率的急剧增加抵消掉了光生电流增益，成为限制纳米黑硅光电极应用的阻碍。另一方面，为了提高催化钝化层的质量，研究人员尝试利用原子层沉积和电化学沉积等方式在n型硅表面沉积TiO2、NiO、CoC等保护层；但仍未解决晶格失配的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种基于隧穿钝化接触技术的硅基光电化学制氢光阳极制备方法，包括以下步骤：

S1、选择双面抛光的n型单晶硅衬底进行清洗处理，对双面抛光的n型单晶硅基体依次进行HF1#溶液清洗、SC1#溶液清洗、SC2#溶液清洗和HF2#溶液清洗；

S2、将步骤S1处理后的n型单晶硅片放入使用碱性制绒溶液中进行各向异性的腐蚀，得到随机分布的微米级金字塔表面；

S3、将步骤S2处理后的n型单晶制绒片进行单面的反应离子刻蚀处理，在微米金字塔硅表面纵向刻蚀出均匀、致密的纳米孔洞结构；

经过上述步骤处理后，得到的微纳复合陷光结构硅一面为正面，仍为随机分布的微纳金字塔结构硅一面为背面；其中，所述得到的纳米孔洞结构的内径宽度在100～250nm，深度为150～300nm。

S4、将步骤S3处理后的n型单晶硅基体放入到刻蚀缓冲溶液中进行扩孔清洗处理，以去除等离子损伤层和调节纳米孔尺寸；

经过上述步骤处理后，扩孔清洗后的纳米孔洞结构的内径宽度在150～300nm，深度为200～350nm；

S5、对步骤S4处理后的n型单晶硅基体背面进行抛光处理，以得到平整的硅表面；

经过上述步骤处理后，硅片的背面的反射率为35～40％；

S6、将第五步处理后的n型单晶硅基体的背面沉积隧穿氧化层，接着在背面隧穿氧化层上沉积掺杂非晶硅层，然后进行高温热退火处理；

S7、在步骤S6处理后的n型单晶硅的背面掺杂多晶硅层上沉积金属电极；

S8、在步骤S7处理后的n型单晶硅正面的微纳复合陷光纹理上进行隧穿SiO2层和催化保护层的制备，完成硅基光电化学分解水制氢的光阳极的制备工作。

本发明与现有技术相比的优点在于：