硅片表面Ag纳米颗粒沉积技术研究
硅片表面Ag纳米颗粒沉积技术研究[20200408102623]
摘 要
黑硅作为一种新型的低反射率的材料，当今制备黑硅的方法越来越多样化，本文提供了一种制备方法，即Ag纳米颗粒沉积法制备黑硅。该方法简单易行，操作可控性强。本文还研究了在制备黑硅材料中不同实验参数对黑硅样品性能的影响，使用电子显微镜观察硅片表面形貌并进行对比，最终使用分光光度计测试黑硅对光的反射率。
(1) 改变Ag颗粒沉积时间制备黑硅。发现沉积时间过久，硅片表面的Ag颗粒在生长过程中产生了树枝状Ag晶粒，继续延长生长时间，枝晶逐渐长大。
(2) 改变AgNO3浓度。发现在Ag颗粒沉积时间不变时，AgNO3浓度越高，越容易产生树枝状Ag晶粒。
(3) 对黑硅样品进行退火。退火后，由于表面张力的作用，Ag晶粒会收缩成一个个单独的小颗粒，随退火温度的提高，Ag颗粒收缩逐渐完全，形成接近圆形的直径约100nm的Ag纳米颗粒。
(4) 综上实验得出制备黑硅最佳条件为：AgNO3浓度为0.005mol/L、Ag颗粒沉积时间为20s、退火温度为475℃，最终得出的黑硅在250-1100nm 波段对光的反射率降低到了不到5%，比普通硅片的反射率（60%）低得多。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:黑硅纳米结构扫描电子显微镜退火
目 录
1. 引言 1
1.1 黑硅研究的发展及概况 1
1.2 黑硅的制备方法 1
1.2.1 飞秒激光器照射法 2
1.2.2 反应离子刻蚀 2
1.2.3 金属离子辅助化学腐蚀法 2
1.3 课题研究的主要内容 2
1.4 课题的目的和意义 3
2. 实验原理简介 5
2.1 实验材料及设备 5
2.1.1 实验药品和仪器 5
2.1.2 测试仪器设备的介绍 5
2.2 实验方法 7
2.2.1 硅片的清洗： 8
2.2.2 硅片的去损伤： 8
2.2.3 Ag纳米颗粒沉积法制备黑硅的实验步骤 8
2.2.3 硅片的退火 9
3. 不同Ag颗粒沉积时间对硅片表面Ag颗粒形貌的影响 10
3.1 样品制备 10
3.1.1 当AgNO3浓度不同时，进行Ag颗粒的沉积反应 10
3.2 实验结果与分析 10
4. 不同AgNO3浓度对硅片表面Ag颗粒形貌的影响 14
4.1 样品制备 14
4.1.1 当Ag颗粒沉积时间不同时，进行Ag颗粒的沉积反应 14
4.2 实验结果与分析 14
5. 不同处理方法对硅片表面形貌的影响 17
5.1 样品制备 17
5.2 实验结果与分析 17
6. 结论 20
展望 21
参考文献： 22
致谢 22
1. 引言
1.1 黑硅研究的发展及概况
当今世界面临着能源危机以及大量化石类燃料的使用、不完全燃烧等所引发的温室效应、酸雨等环境问题，迫切需要科学家开发出大量安全污染低甚至无污染的新能源。
太阳能作为一个清洁高效的绿色无污染可持续再生能源，最后人们走上研究如何高效利用太阳能这条道路[1]。
经过加工制成太阳能电池的硅(Si)是极为常见的一种元素，大约占地壳元素所有含量的1/4，是第二丰富的元素，仅次于第一位的氧(O)，但是它却极少以单质的形式在自然界出现，而是经常以硅酸盐或者是二氧化硅的形式出现在地球上，。
晶体硅禁带宽度大，所以它不能够吸收波长大于1100nm的光波，普通的纯硅片对可见光波段的吸收率大概在60%左右，有40%左右的光由于硅片表面的高反射而被损失掉，即硅基太阳能电池产品对光的反射率较高，器件的实际效率被大大降低。
而黑硅[2]则是一种最新研究发现的能大幅度提高光电装换效率的电子材料。通俗地来说，黑硅就是把硅片表面一层通过各种反应来减少对光的反射，使硅片看起来呈现黑色。
普通硅片制成黑硅之后，对光极为敏感，在可见光波段对光的吸收率可以达到90%以上，甚至连红外线都能吸收；黑硅制成的材料大大降低了对光的反射率，提高产品的实际效率；另外，黑硅还可以减少光传感器的硅使用量，使产品更加轻便、便宜和小巧。
1999 年Scientific American 杂志、Discover ， 2000 年Los-Angles 时报科学版， 2001 年New Scientist 杂志等都发表专栏文章， 阐述了黑硅的发现以及黑硅潜在的应用性， 认为它在遥感、光通讯及微电子等领域都具有重要的潜在应用价值。
1.2 黑硅的制备方法
黑硅作在太阳能电池、光电探测器、发光器件等领域有着广泛的用途，经过多年研究，其制备方法也是越来越多样化，现主要制备黑硅的方法有三种：飞秒激光器照射法[3-5]、反应离子刻蚀法[6-7]、化学腐蚀法[8-12]。
1.2.1 飞秒激光器照射法
飞秒激光器照射法[13]是在SF6或者Cl2气体的氛围下，用飞秒激光照射单晶硅表面会产生一种特殊的、微米量级的、针状或者柱状结构的黑硅。黑硅的针尖状结构只与激光的入射方向有关，跟硅片是何种晶向结构无关。
飞秒激光器照射法制备黑硅用时较短，且制得的黑硅在可见光范围内的吸收率高达97%，但银飞秒激光器实验设备昂贵，难以制备大面积黑硅。
1.2.2 反应离子刻蚀
反应离子刻蚀法[14]是在高频电场的作用下，利用特定压强下的刻蚀气体辉光放电产生等离子体，通过被电场加速的活性基团对被刻蚀的硅片进行离子轰击和化学反应，产生挥发性气体，在低压真空中抽走反应产物来事先对硅片的刻蚀，最终在硅片表面得到微米量级的、针状或者柱状结构的黑硅。
最终得到的针状或柱状结构在800nm处最低反射率仅为5%，但会对硅片造成离子损伤。
1.2.3 金属离子辅助化学腐蚀法
利用Au，Ag，Pt，Pd等贵金属纳米颗粒辅助化学腐蚀，通过调节金属颗粒的大小、形状和产生腐蚀反应的溶液浓度等方法，制备孔洞结构或者纳米线结构，从而使得硅片表面对光的反射率大大降低。
该方法制备黑硅成本低，可以大面积、工业化生产，但其方法制备的黑硅微结构依赖于晶向。
1.3 课题研究的主要内容
本文针对Ag离子辅助化学腐蚀法制备黑硅过程中，Ag纳米颗粒的沉积工艺进行了一系列的探索，研究了AgNO3浓度、Ag纳米颗粒沉积时间及退火工艺对硅片表面沉积Ag纳米颗粒表面形貌的影响，并在此基础上采用不同形貌的Ag纳米颗粒制备了黑硅减反射结构，研究了不同形貌的Ag纳米颗粒对所制备黑硅的表面微结构及光学性能的影响
1.4 课题的目的和意义
普通硅太阳能电池单就其光电转换效率来讲单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟，但单晶硅太阳能电池在我们实验室中最高的转换效率为24.7%，在工厂里大规模生产时的效率更低，仅为15%，对太阳能的利用率太低。
而黑硅材料带隙比单晶硅小得多，对光的敏感性也比单晶硅提高了数百倍，这使得黑硅材料对波长为250～2500nm的入射光波的吸收率高达90%。正是基于黑硅材料这奇特的光电性质和物理性质[7]，黑硅材料制备的太阳能电池的光电转换率比普通单晶硅制备的太阳能电池要高得多。根据光吸收效率、激子光量子效率、化学电势效率以及填充因子来计算总的光电转换率，普通硅太阳能电池光电转换效率只有15%，而基于具有纳米结构的黑硅材料的太阳能电池转换效率有望达50%～60%，对太阳能的利用率大幅提升。
黑硅作为一种及其重要的硅材料，经过多年的研究，其制备方法也是越来越多样化，现在正在研究的方法主要有飞秒激光器照射法，反应离子刻蚀法和金属离子辅助化学腐蚀法这三种方法。由1.2中介绍可知，在这个三种制备方法中，金属离子辅助化学腐蚀法制备黑硅具有方法简单、成本低的优点。
2. 实验原理简介
2.1 实验材料及设备
2.1.1 实验药品和仪器
实验药品：AgNO3，洗衣粉溶液，去离子水，超纯水，5% HF溶液，25% NaOH溶液，30% NH4OH溶液。
仪器：超声波清洗仪，恒温水浴箱，真空退火仪器，分光光度计，扫描电子显微镜，烧杯若干，镊子等。
2.1.2 测试仪器设备的介绍
摘 要
黑硅作为一种新型的低反射率的材料，当今制备黑硅的方法越来越多样化，本文提供了一种制备方法，即Ag纳米颗粒沉积法制备黑硅。该方法简单易行，操作可控性强。本文还研究了在制备黑硅材料中不同实验参数对黑硅样品性能的影响，使用电子显微镜观察硅片表面形貌并进行对比，最终使用分光光度计测试黑硅对光的反射率。
(1) 改变Ag颗粒沉积时间制备黑硅。发现沉积时间过久，硅片表面的Ag颗粒在生长过程中产生了树枝状Ag晶粒，继续延长生长时间，枝晶逐渐长大。
(2) 改变AgNO3浓度。发现在Ag颗粒沉积时间不变时，AgNO3浓度越高，越容易产生树枝状Ag晶粒。
(3) 对黑硅样品进行退火。退火后，由于表面张力的作用，Ag晶粒会收缩成一个个单独的小颗粒，随退火温度的提高，Ag颗粒收缩逐渐完全，形成接近圆形的直径约100nm的Ag纳米颗粒。
(4) 综上实验得出制备黑硅最佳条件为：AgNO3浓度为0.005mol/L、Ag颗粒沉积时间为20s、退火温度为475℃，最终得出的黑硅在250-1100nm 波段对光的反射率降低到了不到5%，比普通硅片的反射率（60%）低得多。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:黑硅纳米结构扫描电子显微镜退火
目 录
1. 引言 1
1.1 黑硅研究的发展及概况 1
1.2 黑硅的制备方法 1
1.2.1 飞秒激光器照射法 2
1.2.2 反应离子刻蚀 2
1.2.3 金属离子辅助化学腐蚀法 2
1.3 课题研究的主要内容 2
1.4 课题的目的和意义 3
2. 实验原理简介 5
2.1 实验材料及设备 5
2.1.1 实验药品和仪器 5
2.1.2 测试仪器设备的介绍 5
2.2 实验方法 7
2.2.1 硅片的清洗： 8
2.2.2 硅片的去损伤： 8
2.2.3 Ag纳米颗粒沉积法制备黑硅的实验步骤 8
2.2.3 硅片的退火 9
3. 不同Ag颗粒沉积时间对硅片表面Ag颗粒形貌的影响 10
3.1 样品制备 10
3.1.1 当AgNO3浓度不同时，进行Ag颗粒的沉积反应 10
3.2 实验结果与分析 10
4. 不同AgNO3浓度对硅片表面Ag颗粒形貌的影响 14
4.1 样品制备 14
4.1.1 当Ag颗粒沉积时间不同时，进行Ag颗粒的沉积反应 14
4.2 实验结果与分析 14
5. 不同处理方法对硅片表面形貌的影响 17
5.1 样品制备 17
5.2 实验结果与分析 17
6. 结论 20
展望 21
参考文献： 22
致谢 22
1. 引言
1.1 黑硅研究的发展及概况
当今世界面临着能源危机以及大量化石类燃料的使用、不完全燃烧等所引发的温室效应、酸雨等环境问题，迫切需要科学家开发出大量安全污染低甚至无污染的新能源。
太阳能作为一个清洁高效的绿色无污染可持续再生能源，最后人们走上研究如何高效利用太阳能这条道路[1]。
经过加工制成太阳能电池的硅(Si)是极为常见的一种元素，大约占地壳元素所有含量的1/4，是第二丰富的元素，仅次于第一位的氧(O)，但是它却极少以单质的形式在自然界出现，而是经常以硅酸盐或者是二氧化硅的形式出现在地球上，。
晶体硅禁带宽度大，所以它不能够吸收波长大于1100nm的光波，普通的纯硅片对可见光波段的吸收率大概在60%左右，有40%左右的光由于硅片表面的高反射而被损失掉，即硅基太阳能电池产品对光的反射率较高，器件的实际效率被大大降低。
而黑硅[2]则是一种最新研究发现的能大幅度提高光电装换效率的电子材料。通俗地来说，黑硅就是把硅片表面一层通过各种反应来减少对光的反射，使硅片看起来呈现黑色。
普通硅片制成黑硅之后，对光极为敏感，在可见光波段对光的吸收率可以达到90%以上，甚至连红外线都能吸收；黑硅制成的材料大大降低了对光的反射率，提高产品的实际效率；另外，黑硅还可以减少光传感器的硅使用量，使产品更加轻便、便宜和小巧。
1999 年Scientific American 杂志、Discover ， 2000 年Los-Angles 时报科学版， 2001 年New Scientist 杂志等都发表专栏文章， 阐述了黑硅的发现以及黑硅潜在的应用性， 认为它在遥感、光通讯及微电子等领域都具有重要的潜在应用价值。
1.2 黑硅的制备方法
黑硅作在太阳能电池、光电探测器、发光器件等领域有着广泛的用途，经过多年研究，其制备方法也是越来越多样化，现主要制备黑硅的方法有三种：飞秒激光器照射法[3-5]、反应离子刻蚀法[6-7]、化学腐蚀法[8-12]。
1.2.1 飞秒激光器照射法
飞秒激光器照射法[13]是在SF6或者Cl2气体的氛围下，用飞秒激光照射单晶硅表面会产生一种特殊的、微米量级的、针状或者柱状结构的黑硅。黑硅的针尖状结构只与激光的入射方向有关，跟硅片是何种晶向结构无关。
飞秒激光器照射法制备黑硅用时较短，且制得的黑硅在可见光范围内的吸收率高达97%，但银飞秒激光器实验设备昂贵，难以制备大面积黑硅。
1.2.2 反应离子刻蚀
反应离子刻蚀法[14]是在高频电场的作用下，利用特定压强下的刻蚀气体辉光放电产生等离子体，通过被电场加速的活性基团对被刻蚀的硅片进行离子轰击和化学反应，产生挥发性气体，在低压真空中抽走反应产物来事先对硅片的刻蚀，最终在硅片表面得到微米量级的、针状或者柱状结构的黑硅。
最终得到的针状或柱状结构在800nm处最低反射率仅为5%，但会对硅片造成离子损伤。
1.2.3 金属离子辅助化学腐蚀法
利用Au，Ag，Pt，Pd等贵金属纳米颗粒辅助化学腐蚀，通过调节金属颗粒的大小、形状和产生腐蚀反应的溶液浓度等方法，制备孔洞结构或者纳米线结构，从而使得硅片表面对光的反射率大大降低。
该方法制备黑硅成本低，可以大面积、工业化生产，但其方法制备的黑硅微结构依赖于晶向。
1.3 课题研究的主要内容
本文针对Ag离子辅助化学腐蚀法制备黑硅过程中，Ag纳米颗粒的沉积工艺进行了一系列的探索，研究了AgNO3浓度、Ag纳米颗粒沉积时间及退火工艺对硅片表面沉积Ag纳米颗粒表面形貌的影响，并在此基础上采用不同形貌的Ag纳米颗粒制备了黑硅减反射结构，研究了不同形貌的Ag纳米颗粒对所制备黑硅的表面微结构及光学性能的影响
1.4 课题的目的和意义
普通硅太阳能电池单就其光电转换效率来讲单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟，但单晶硅太阳能电池在我们实验室中最高的转换效率为24.7%，在工厂里大规模生产时的效率更低，仅为15%，对太阳能的利用率太低。
而黑硅材料带隙比单晶硅小得多，对光的敏感性也比单晶硅提高了数百倍，这使得黑硅材料对波长为250～2500nm的入射光波的吸收率高达90%。正是基于黑硅材料这奇特的光电性质和物理性质[7]，黑硅材料制备的太阳能电池的光电转换率比普通单晶硅制备的太阳能电池要高得多。根据光吸收效率、激子光量子效率、化学电势效率以及填充因子来计算总的光电转换率，普通硅太阳能电池光电转换效率只有15%，而基于具有纳米结构的黑硅材料的太阳能电池转换效率有望达50%～60%，对太阳能的利用率大幅提升。
黑硅作为一种及其重要的硅材料，经过多年的研究，其制备方法也是越来越多样化，现在正在研究的方法主要有飞秒激光器照射法，反应离子刻蚀法和金属离子辅助化学腐蚀法这三种方法。由1.2中介绍可知，在这个三种制备方法中，金属离子辅助化学腐蚀法制备黑硅具有方法简单、成本低的优点。
2. 实验原理简介
2.1 实验材料及设备
2.1.1 实验药品和仪器
实验药品：AgNO3，洗衣粉溶液，去离子水，超纯水，5% HF溶液，25% NaOH溶液，30% NH4OH溶液。
仪器：超声波清洗仪，恒温水浴箱，真空退火仪器，分光光度计，扫描电子显微镜，烧杯若干，镊子等。
2.1.2 测试仪器设备的介绍
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