CN106356425B - 一种光吸收增强的开口型硅薄膜球壳阵列结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种光吸收增强的开口型硅薄膜球壳阵列结构的制备方法，在基材表面制备一层金属材料，在金属层表面制备紧密排列的单层二氧化硅纳米的粒子阵列，然后在粒子阵列上沉积硅薄膜，在硅薄膜表面制备聚合物层，再将金属层利用酸溶液溶解使得硅膜结构与基材脱离，然后以聚合物层为基底，选择性刻蚀二氧化硅纳米粒子表面的硅薄膜并部分暴露出二氧化硅粒子阵列，最后用氢氟酸去除二氧化硅粒子，形成以聚合物层为基底的开口型硅薄膜球壳阵列结构，开口型硅薄膜球壳阵列结构能够实现硅膜吸收效率大幅提高。
Description
技术领域
本发明涉及硅薄膜结构技术领域，具体涉及一种光吸收增强的开口型硅薄膜球壳阵列结构的制备方法。
背景技术
为了能够最大程度吸收可见光波段的能量，目前大部分的太阳能电池仍然是以180um-300um的硅基作为载体，所以大量硅材料的消耗和其能量吸收效率不高仍然是硅太阳能产业的不足。一种可以减少材料消耗和制造成本的可能的制造方法是利用纳米薄膜硅作为吸收层。但是由于硅的介电常数和带隙宽度等因素，单纯的纳米硅薄膜对靠近带隙波段的能量吸收效率很低。所以如果能提高在长波段的太阳能的吸收效率，就可以得到高效，经济的太阳能吸收层。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光吸收增强的开口型硅薄膜球壳阵列结构的制备方法，开口型硅薄膜球壳阵列结构实现硅膜吸收效率大幅提高。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种光吸收增强的开口型硅薄膜球壳阵列结构的制备方法，包括以下步骤：
1)在基材表面制备一层金属材料，在金属层表面制备紧密排列的单层二氧化硅纳米的粒子阵列；
2)在粒子阵列上沉积硅薄膜；
3)在硅薄膜表面制备聚合物层；
4)将金属层利用酸溶液溶解使得硅膜结构与基材脱离；
5)以聚合物层为基底，选择性刻蚀二氧化硅纳米粒子表面的硅薄膜并部分暴露出二氧化硅粒子阵列；
6)用氢氟酸去除二氧化硅粒子，形成以聚合物层为基底的开口型硅薄膜球壳阵列结构。
所述的步骤1)中基材为非金属材料，包括玻璃、塑料或者硅片。
所述的步骤1)中金属材料是铝或者铬，厚度为200～500nm。
所述的步骤1)中紧密排列的单层二氧化硅纳米粒子阵列利用单层膜转移法或旋涂法制备。
所述的步骤2)中硅薄膜利用低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或磁控溅射方法制备。
所述的步骤3)中聚合物层材料是聚二甲基硅氧烷(PDMS)或者环氧树脂聚合物。
所述的步骤4)中酸溶液为稀硫酸或者稀盐酸，将金属层溶解。
所述的步骤6)中氢氟酸为体积分数3～7％的稀释溶液。
本发明的有益效果为：
(1)开口型硅薄膜球壳阵列结构可以提高硅薄膜吸收效率：当太阳光入射至开口型硅薄膜球壳阵列结构表面时，由于其上表面开口结构，所以可以使更多的入射能量进入硅薄膜球壳内，这种开口的硅空壳薄膜结构又可以看作一个近似的光学谐振腔，进入球壳内的特定波长的入射光会在球壳内形成稳定的共振模，这种共振模可以理解为回音壁模式(Whispering gallerymode)，由于球壳的直径是亚微米级，所以共振模是低品质因数的回音壁模式，球壳结构的顶端开口对共振模影响不大，所以该回音壁模式共振波长的入射能量在球壳中的有效光传播长度会大幅增加，而且由于球壳的密排阵列结构，相邻的球壳之间也会发生共振耦合，所以使得硅球壳对该共振波长的能量吸收也得到很大的增强，而且结合硅材料的介电常数和带隙宽度，共振增强在长波段更加明显，这也正好解决了大多数光吸收材料在长波段吸收效率低的问题。
(2)本发明制备的二氧化硅粒子并非绝对的单一直径，所以得到的硅球壳的内径也不是均匀统一，这使得入射光在硅球壳内的回音壁共振波长是一个较宽的频率带，而不是特定的单一波长的共振增强，所以更能提高硅球壳对长波段的能量吸收。
附图说明
图1是转移至基材上的二氧化硅粒子密排单层阵列的截面示意图。
图2是在二氧化硅球形粒子密排单层阵列沉积硅膜后截面示意图。
图3是在已沉积硅膜的样片表面做PDMS层的示意图。
图4是二氧化硅粒子和硅层被转移至PDMS表面后示意图。
图5是将二氧化硅粒子的上表面硅层去除部分后的横截面示意图。
图6是去除二氧化硅粒子后的开口型硅薄膜球壳阵列结构示意图。
图7是在二氧化硅粒子密排阵列表面进行等离子增强化学气相沉积硅膜后样片的实物图，其中图(a)是沉积硅膜之前图；图(b)是刻蚀后图。
图8是直径D＝400nm二氧化硅粒子密排阵列表面沉积50nm硅膜并转移至PDMS表面后进行刻蚀后得到的结构以及在有限时域差分软件FDTD solution中仿真该结构计算得到的吸收效率曲线和50nm单纯硅膜的实验吸收效率曲线。
图9是在图8中该结构的FDTD仿真计算的吸收曲线中标记为星形标记1位置波峰处波长λ＝775nm时开口硅薄膜球形壳结构沿对称轴的横截面的电场强度分布图。
图10是在图8中该结构的FDTD仿真计算的吸收曲线中标记为三角形标记2位置波峰处波长λ＝665nm时开口硅薄膜球形壳结构沿对称轴的横截面的电场强度分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。
实施例，一种光吸收增强的开口型硅薄膜球壳阵列结构的制备方法，包括以下步骤：
1)参照图1，首先以厚度为1mm的ITO载玻片作为基材1，并依次采用丙酮、乙醇和去离子水进行超声清洗，氮气吹干并在150℃烘箱中烘烤1h后，在载玻片1表面溅射厚度250nm～300nm的铝层2；然后准备直径D＝400±10nm的SiO2纳米球形粒子，超声清洗后将SiO2以质量分数15％的比例分散在正丁醇中，再超声使之均匀分散，取微量滴加在培养皿中水溶液表面上形成连续SiO2单层薄膜；最后将水面的粒子薄膜转移到铝层2表面并50℃干燥，得到在基材上的紧密排列的单层二氧化硅纳米的粒子阵列3；
2)参照图2，在粒子阵列3上利用等离子体增强化学气相沉积PECVD厚度50～60nm不定型硅薄膜4；
3)参照图3，将聚二甲基硅氧烷(PDMS)与固化剂按质量分数10：1配制的胶状物质涂于硅薄膜4表面，真空抽去气泡后固化形成覆盖于硅薄膜4表面的PDMS薄膜5；
4)参照图4，将铝层2利用酸溶液溶解使得硅膜结构与基材脱离：将样片置于体积分数8～10％盐酸(HCl)溶液中并在50℃烘箱环境中16～24小时后将铝层2腐蚀，使得硅膜结构与基材脱离，即将二氧化硅结构化的硅膜转移至PDMS表面；
5)参照图5，以聚合物层为基底，将已经转移的硅膜进行选择性的硅干法刻蚀，使得二氧化硅粒子阵列上表面的部分不定型硅薄膜4被刻蚀，暴露出二氧化硅粒子阵列；
6)参照图6，将该结构化的薄膜置于体积分数3～7％HF溶液中，将二氧化硅粒子去除，形成以聚合物层为基底的开口型硅薄膜球壳阵列结构。
对于本实施例中二氧化硅粒子阵列中单个粒子直径D＝～400nm，如图7(a)所示；经厚度为60nm硅薄膜沉积，刻蚀后硅壳的截面半径d＝～200nm，如图7(b)。当二氧化硅粒子被去除后，形成的在PDMS表面的开口型硅薄膜球壳阵列结构。比较例为50nm单纯硅薄膜沉积在载玻片上。利用紫外可见分光光度计测试其反射率和透射率计算得到其吸收效率如图8所示，对比实施例实验测试吸收曲线和FDTD仿真计算的吸收效率，可以看出实验与仿真曲线变化趋势基本吻合，并且相比比较例中的50nm单纯硅薄膜吸收效率得到很大增强。实施例的仿真和实验曲线在波长λ＝775nm附近都出现了一个很明显的吸收峰，这是由于在波长λ＝775nm时，入射光在球壳中形成了六极的回音壁共振模式，如图9所示。而且由于实验中球壳内径在400nm附近有小范围的变化，所以实验测试的吸收曲线的共振峰半峰宽比仿真计算得到的曲线的半峰宽大。在计算得到的吸收曲线在λ＝665nm处还有一个明显的八极回音壁模式共振峰，如图10所示。实验测试曲线中这个共振峰值却不明显，这是由于在该波长处硅膜的介电常数已经虚部较大，而且由于球壳内径的变化，共振峰在该波长处表面为较宽波长的平缓的共振增强。
Claims (8)
1.一种光吸收增强的开口型硅薄膜球壳阵列结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在基材表面制备一层金属材料，在金属层表面制备紧密排列的单层二氧化硅纳米的粒子阵列；
2)在粒子阵列上沉积硅薄膜；
3)在硅薄膜表面制备聚合物层；
4)将金属层利用酸溶液溶解使得硅膜结构与基材脱离；
5)以聚合物层为基底，选择性刻蚀二氧化硅纳米粒子表面的硅薄膜并部分暴露出二氧化硅粒子阵列；
6)用氢氟酸去除二氧化硅粒子，形成以聚合物层为基底的开口型硅薄膜球壳阵列结构。
2.根据权利要求1所述的一种光吸收增强的开口型硅薄膜球壳阵列结构的制备方法，其特征在于：所述的步骤1)中基材为非金属材料，包括玻璃、塑料或者硅片。
3.根据权利要求1所述的一种光吸收增强的开口型硅薄膜球壳阵列结构的制备方法，其特征在于：所述的步骤1)中金属材料是铝或者铬，厚度为200～500nm。
4.根据权利要求1所述的一种光吸收增强的开口型硅薄膜球壳阵列结构的制备方法，其特征在于：所述的步骤1)中紧密排列的单层二氧化硅纳米粒子阵列利用单层膜转移法或旋涂法制备。
5.根据权利要求1所述的一种光吸收增强的开口型硅薄膜球壳阵列结构的制备方法，其特征在于：所述的步骤2)中硅薄膜利用低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或磁控溅射方法制备。
6.根据权利要求1所述的一种光吸收增强的开口型硅薄膜球壳阵列结构的制备方法，其特征在于：所述的步骤3)中聚合物层材料是聚二甲基硅氧烷(PDMS)或者环氧树脂聚合物。
7.根据权利要求1所述的一种光吸收增强的开口型硅薄膜球壳阵列结构的制备方法，其特征在于：所述的步骤4)中酸溶液为稀硫酸或者稀盐酸，将金属层溶解。
8.根据权利要求1所述的一种光吸收增强的开口型硅薄膜球壳阵列结构的制备方法，其特征在于：所述的步骤6)中氢氟酸为体积分数3～7％的稀释溶液。
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