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)境越來越惡化，保護人類賴以生存的自然環(huán)境和自然資源成為當今世界共同關(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《可再生能源法》正式頒布，國家加大了發(fā)展新能源的工作力度，推出各項相關(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，進一步將可再生能源特別是太陽能的發(fā)展列為重點優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域。從世界范圍來看，光伏發(fā)電已開始進入批量生產(chǎn)和規(guī)模應(yīng)用階段，但離太陽能的大規(guī)模應(yīng)用還有一定的局限性。這主要來自電池的光電轉(zhuǎn)換效率不夠高和電池成本高，尋找廉價、高效太陽電池的材料始終是各國研宄的重要領(lǐng)域。
[0003]由于硅的原料儲量豐富，制備的太陽能電池具有較高的轉(zhuǎn)換效率，材料無毒性，對環(huán)境不會造成污染，因而成為一種比較理想的太陽能電池材料。硅太陽能電池主要包括晶體硅太陽能電池和薄膜硅太陽能電池。晶體硅太陽能電池轉(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電池主要目標就是為了降低電池成本，而且近年來人們開始嘗試利用價格低廉的多晶硅、甚至冶金級硅來制作太陽能電池。但這些電池的關(guān)鍵問題是，其中的電子擴散長度太短而無法將光生載流子順利輸運至空間電荷區(qū)，從而未能被電極有效收集。為解決這一問題，美國加州理工學院研宄組提出采用徑向p-n結(jié)的硅納米線太陽電池將光吸收和載流子輸運的方向進行正交化，利用較長的納米線軸向來吸收光子，而在徑向上可以有助于收集光生載流子。理論計算表明，電子擴散長度為10nm的徑向硅納米線太陽電池效率可達11%，遠高于平板結(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電池方面有很大的潛力。除此之外，該研宄組采用電化學腐蝕法在晶體硅上制作大孔納米線，初步實現(xiàn)了徑向硅納米線陣列太陽電池，用這種技術(shù)制作的徑向太陽電池與傳統(tǒng)平板晶體硅太陽電池相比，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。非晶硅納米線強的光吸收和有效的減反作用將進一步促使硅薄膜太陽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，具有制備工藝簡便易行，成本較低，可規(guī)?；a(chǎn)等優(yōu)點，可以廣泛應(yīng)用于太陽電池等多個行業(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ITO進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氣相沉積(PECVD)技術(shù)生長娃納米線(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，停止抽真空，開始磁控濺射，磁控濺射時間為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ITO進行刻蝕的方法為:
[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，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長為lOmin，得到納米尺寸量級的銦金屬顆粒；
[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氣相沉積(PECVD)技術(shù)生長硅納米線的方法為:
[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，起輝進行娃納米線生長，生長條件如下: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氣相沉積系統(tǒng)，處理過程簡便易行，低溫低能耗，并且硅納米線的生長和硅薄膜的沉積互相兼容，非常方便進一步制作硅薄膜器件。
[0019]2、不同于目前廣泛采用的金催化，采用金屬銦進行催化，可使生長出來的硅納米線避免深能級雜質(zhì)的污染，光電性能更優(yōu)異，因而在太陽電池當中具有很好的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0020]圖1為實施例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。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0024]實施例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ITO進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氣相沉積(PECVD)技術(shù)生長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，停止抽真空，開始磁控濺射，磁控濺射時間為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