一種在柔性襯底上制備硅納米線陣列的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及新能源中薄膜太陽(yáng)電池的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種在柔性襯底上制備硅納米線陣列的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]化石能源燃燒產(chǎn)生大量的廢氣，嚴(yán)重污染、破壞了地球的生態(tài)環(huán)境使人類的生存環(huán)境越來(lái)越惡化，保護(hù)人類賴以生存的自然環(huán)境和自然資源成為當(dāng)今世界共同關(guān)心的全球性問題。發(fā)展高效、清潔能源技術(shù)是世界能源的發(fā)展戰(zhàn)略。2006年，中國(guó)《可再生能源法》正式頒布，國(guó)家加大了發(fā)展新能源的工作力度，推出各項(xiàng)相關(guān)的傾斜政策大力支持發(fā)展、開發(fā)可再生能源。在“十二五”發(fā)展規(guī)劃中，進(jìn)一步將可再生能源特別是太陽(yáng)能的發(fā)展列為重點(diǎn)優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域。從世界范圍來(lái)看，光伏發(fā)電已開始進(jìn)入批量生產(chǎn)和規(guī)模應(yīng)用階段，但離太陽(yáng)能的大規(guī)模應(yīng)用還有一定的局限性。這主要來(lái)自電池的光電轉(zhuǎn)換效率不夠高和電池成本高，尋找廉價(jià)、高效太陽(yáng)電池的材料始終是各國(guó)研宄的重要領(lǐng)域。
[0003]由于硅的原料儲(chǔ)量豐富，制備的太陽(yáng)能電池具有較高的轉(zhuǎn)換效率，材料無(wú)毒性，對(duì)環(huán)境不會(huì)造成污染，因而成為一種比較理想的太陽(yáng)能電池材料。硅太陽(yáng)能電池主要包括晶體硅太陽(yáng)能電池和薄膜硅太陽(yáng)能電池。晶體硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率較高，技術(shù)也最為成熟。但晶體硅材料成本較高，制備過程中需要消耗大量的材料和能量。一直備受人們關(guān)注的非晶硅薄膜太陽(yáng)電池主要目標(biāo)就是為了降低電池成本，而且近年來(lái)人們開始嘗試?yán)脙r(jià)格低廉的多晶硅、甚至冶金級(jí)硅來(lái)制作太陽(yáng)能電池。但這些電池的關(guān)鍵問題是，其中的電子擴(kuò)散長(zhǎng)度太短而無(wú)法將光生載流子順利輸運(yùn)至空間電荷區(qū)，從而未能被電極有效收集。為解決這一問題，美國(guó)加州理工學(xué)院研宄組提出采用徑向p-n結(jié)的硅納米線太陽(yáng)電池將光吸收和載流子輸運(yùn)的方向進(jìn)行正交化，利用較長(zhǎng)的納米線軸向來(lái)吸收光子，而在徑向上可以有助于收集光生載流子。理論計(jì)算表明，電子擴(kuò)散長(zhǎng)度為10nm的徑向硅納米線太陽(yáng)電池效率可達(dá)11%，遠(yuǎn)高于平板結(jié)構(gòu)的1.5%，因此這種新概念電池結(jié)構(gòu)在制作低成本材料太陽(yáng)電池方面有很大的潛力。除此之外，該研宄組采用電化學(xué)腐蝕法在晶體硅上制作大孔納米線，初步實(shí)現(xiàn)了徑向硅納米線陣列太陽(yáng)電池，用這種技術(shù)制作的徑向太陽(yáng)電池與傳統(tǒng)平板晶體硅太陽(yáng)電池相比，效率只是略微下降一些，人們可以利用此技術(shù)在低品質(zhì)硅材料上制作徑向硅納米線太陽(yáng)電池，從而降低電池的材料成本。另一方面，這種徑向結(jié)構(gòu)的硅納米線在非晶硅薄膜電池上也得到了初步應(yīng)用。非晶硅納米線強(qiáng)的光吸收和有效的減反作用將進(jìn)一步促使硅薄膜太陽(yáng)能電池效率的提高和成本的降低。由此可見，硅納米線用于光伏器件的前景是很受期待的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了提供一種在柔性襯底上制備硅納米線陣列的方法，該方法能夠改善硅納米線的光電性能，具有制備工藝簡(jiǎn)便易行，成本較低，可規(guī)?；a(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)電池等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0006]本發(fā)明涉及一種在柔性襯底上制備硅納米線陣列的方法，該方法的步驟為:
[0007]I)在不銹鋼柔性襯底上采用磁控濺射方法沉積一層摻錫氧化銦(ITO)薄膜；
[0008]2)將步驟I)得到的不銹鋼柔性襯底轉(zhuǎn)移至反應(yīng)腔室，利用氫氣等離子體刻蝕方法對(duì)ITO進(jìn)行刻蝕處理而得到銦金屬的納米顆粒；
[0009]3)在步驟2)得到的不銹鋼柔性襯底上采用等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)生長(zhǎng)娃納米線(包括i型、P型和η型娃納米線)。
[0010]上述步驟I)中磁控濺射方法沉積一層摻錫氧化銦(ITO)薄膜的具體方法為:
[0011]首先在沉積之前，將不銹鋼柔性襯底去除油污、用去離子水沸煮及超聲清洗處理并烘干；將清洗過的不銹鋼柔性襯底放入到磁控濺射反應(yīng)腔室中，使磁控濺射的腔室的本底真空度優(yōu)于1.0X10_3Pa，使不銹鋼柔性襯底的溫度為100 °C，此時(shí)，停止抽真空，開始磁控濺射，磁控濺射時(shí)間為lmin，沉積摻錫氧化銦(ITO)薄膜的厚度為1nm;其中，磁控濺射所用靶材為99.9%純度(可更高)的ITO靶材；
[0012]上述的步驟2)中利用氫氣等離子體刻蝕方法對(duì)ITO進(jìn)行刻蝕的方法為:
[0013]將覆蓋有ITO的不銹鋼柔性襯底轉(zhuǎn)移到PECVD腔室中，腔室本底真空度為I X 10_3-2 X 10_3Pa，腔室中的不銹鋼柔性襯底的溫度為400 °C，此時(shí)，停止抽真空，并通入氫氣，氫氣流量為6X 10_3m3/h，腔室壓力為200Pa，射頻電源的輝光功率500mW/cm2，氫等離子體刻蝕處理時(shí)長(zhǎng)為lOmin，得到納米尺寸量級(jí)的銦金屬顆粒；
[0014]上述步驟3)中在不銹鋼柔性襯底上采用等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)生長(zhǎng)硅納米線的方法為:
[0015]在柔性襯底上獲得銦金屬納米顆粒之后，對(duì)PECVD反應(yīng)腔室抽真空，使其真空度為I X 10_3-2 X 10?,然后往腔室通入硅烷和氫氣或者通入硅烷、氫氣和摻雜氣體，其中，η型娃納米線的摻雜氣體為磷燒，P型娃納米線的摻雜氣體為硼燒，起輝進(jìn)行娃納米線生長(zhǎng)，生長(zhǎng)條件如下:不銹鋼柔性襯底溫度為400°C，硅烷流量為3.6X 10_4m3/h，氫氣流量為3.6X 10_3m3/h，反應(yīng)腔室壓力為200Pa，射頻電源的輝光功率500mW/cm2，沉積時(shí)間為20_40mino
[0016]上述步驟中，若沉積η型硅納米線，其中摻雜氣體磷烷的流量控制為3.6Χ 10_4m3/h ;若沉積P型硅納米線，其中摻雜氣體硼烷的流量為3.6X 10_4m3/h。
[0017]有益效果
[0018]1、本發(fā)明提出的這種在柔性襯底上制備硅納米線陣列的方法，采用等離子體輔助化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，處理過程簡(jiǎn)便易行，低溫低能耗，并且硅納米線的生長(zhǎng)和硅薄膜的沉積互相兼容，非常方便進(jìn)一步制作硅薄膜器件。
[0019]2、不同于目前廣泛采用的金催化，采用金屬銦進(jìn)行催化，可使生長(zhǎng)出來(lái)的硅納米線避免深能級(jí)雜質(zhì)的污染，光電性能更優(yōu)異，因而在太陽(yáng)電池當(dāng)中具有很好的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為實(shí)施例1在不銹鋼柔性襯底上沉積的本征硅納米線的掃描電子顯微鏡圖像；
[0021]圖2為實(shí)施例2在不銹鋼柔性襯底上沉積的摻雜硅納米線的掃描電子顯微鏡圖像；
[0022]其中掃描電子顯微鏡為JOEL儀器，放大倍數(shù)為10000倍，電壓為15kv。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0024]實(shí)施例1:沉積本征硅納米線的方法
[0025]I)在2cmX2cmX0.5mm的不銹鋼柔性襯底上采用磁控派射方法沉積1nm厚的摻錫氧化銦(ITO)薄膜；
[0026]2)將步驟I)得到的不銹鋼柔性襯底轉(zhuǎn)移至反應(yīng)腔室，利用氫氣等離子體刻蝕方法對(duì)ITO進(jìn)行刻蝕處理而得到銦金屬的納米顆粒；
[0027]3)在步驟2)得到的不銹鋼柔性襯底上采用等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)生長(zhǎng)i型娃納米線。
[0028]上述步驟I)中磁控濺射方法沉積一層摻錫氧化銦(ITO)薄膜的具體方法為:
[0029]首先在沉積之前，將不銹鋼柔性襯底去除油污、用去離子水沸煮及超聲清洗處理并烘干；將清洗過的不銹鋼柔性襯底放入到磁控濺射反應(yīng)腔室中，使磁控濺射的腔室的本底真空度優(yōu)于1.0X10_3Pa，使不銹鋼柔性襯底的溫度為100 °C，此時(shí)，停止抽真空，開始磁控濺射，磁控濺射時(shí)間為lmin，沉積摻錫氧化銦(ITO)薄膜的厚度為1nm;其中，磁控濺射所用靶材為99.9%純度的ITO靶材；
[0030]上述的步驟2)中利用氫氣等離子體刻蝕方