TWI420004B - Nano - porous crystalline silicon and its manufacturing method and device thereof - Google Patents

Description

奈米多孔性結晶矽及其製造方法及其裝置

本發明係有關一種奈米多孔性結晶矽及其製造方法及其裝置，旨在提供一種利用氧化還原反應來改變結晶矽之化學性質，再用濕蝕刻方式即可輕易且快速形成具有複數奈米孔洞之奈米多孔性結晶矽。

由於目前人類主要依賴的各種能源來源，如鈾、天然氣與石油等，在未來數十年之內皆會使用殆盡，科學家無不投入大量心力與金錢在開發替代能源的應用上，如太陽能、風力、波力及地熱，且都獲致不錯的成果。但是，風力、波力及地熱的運用皆具有其地域限制性，必須在某些環境才可以使用，如火山區或海岸邊，且其所使用的設備龐大，如風車及深海海水之取水管線。因此，科學家一致看好太陽能的應用並投入大量心力發展相關之轉換裝置，即太陽電池。

目前世界上各個研究單位利用各種材料並利用各種製程來製做太陽電池，而所得到之太陽電池的光電轉換效率並不盡相同；此外，太陽電池之材料可區分為單晶矽、多晶矽、非晶矽；三五族，包括砷化鎵、磷化銦、磷化鎵銦；二六族，包括碲化鎘、硒化銦銅等。而最高的光電轉換效率分別為：單晶矽24.7%、多晶矽19.8%：、非晶矽14.5%、砷化鎵25.7%、硒化銦銅18.8%。一般而言，實驗室階段的太陽電池的光電轉換效率已可達30%以 上，但是市面上所出售之量產階段的太陽能電池，其光電轉換效率一般低於20%，仍有進步的空間。而在成本及光電轉換效率的雙重考量下，目前以結晶矽的應用較多(包括單晶矽及多晶矽)，但在一些較低階的應用上，如太陽能計算機或太陽能手錶，則使用光電轉換效率較低但價格較便宜的非晶矽做為太陽電池的材料。

此外，由於太陽電池的整體價格太高，且矽晶片成本佔太陽電池的總成本一半以上。因此，科學家無不竭盡所能地想提高太陽電池的光電轉換效率並尋求有效降低成本之製程，以提高太陽電池的實用性。目前，科學家提高太陽電池的光電轉換效率的方法是提供光吸收的面積(如利用矽奈米線做為與入射光子反應的材料)或增加入射光子的數量(如設置抗反射層或形成粗糙表面而增加反射率)。但是，矽奈米線的製程繁雜，且需要使用金屬觸媒以促進矽奈米線的生長。這些金屬觸媒不僅額外增加成本，且對於矽奈米線而言，這些金屬觸媒為不純物且會阻礙電子於矽奈米線中的傳輸，影響太陽電池的光電轉換效率。此外，設置抗反射層必須利用複雜之光罩及蝕刻製程將矽晶片的表面蝕刻成三角錐狀，且利用蒸鍍方式於三角錐狀表面塗佈抗反射層。而這些製程都會增加太陽電池的價格且降低其生產良率，不利於大量生產以增加其市場佔有率。

再者，形成粗糙表面可利用濕蝕刻或乾蝕刻方式成型，其中，濕蝕刻製程一般係使用化學藥劑(例如酸性藥 劑)，將矽晶片的表面蝕刻成一個個的凹洞，複數個凹洞增加了矽晶片之表面積，進而增加了入射光子的數量；惟，該濕蝕刻製程僅能形成微米級的凹洞，而無法形成奈米級；另外，該乾蝕刻製程亦即使用光罩進行曝光、顯影、蝕刻等方式，於該矽晶片的表面形成一個個的凹洞，雖然可利用光罩之圖形來控制凹洞之大小(例如可形成微米級或奈米級之凹洞)，但其製程較為繁雜，且要製作精密度較高之光罩，成本較高。

有鑑於此，本發明即在提供一種利用氧化還原反應來改變結晶矽之化學性質，再用濕蝕刻方式即可輕易且快速形成具有複數奈米孔洞之奈米多孔性結晶矽。

為達上述目的，本發明中奈米多孔性結晶矽之製造方法，係藉由浸泡方式，使結晶矽浸泡於能在結晶矽表面形成複數金屬奈米微粒之酸性氧化劑中，由該金屬奈米微粒與結晶矽先進行氧化還原反應，使該結晶矽表面相對於各金屬微粒附著處，氧化形成SiO₂ 而容易被酸蝕刻，以形成具有複數奈米孔洞之奈米多孔性結晶矽。

為能使 貴審查委員清楚本發明之主要技術內容，以及實施方式，茲配合圖式說明如下：本發明「奈米多孔性結晶矽及其製造方法及其裝 置」，係將結晶矽浸泡於一酸性氧化劑中，該酸性氧化劑能在結晶矽表面形成複數金屬奈米微粒，該酸性氧化劑係由酸性溶液及化學活性較矽低之金屬化合物混合而成，該酸性氧化劑與該結晶矽形成氧化還原反應，使結晶矽表面還原析出複數金屬奈米微粒，以各金屬奈米微粒為氧化劑，於該結晶矽1表面形成複數奈米孔洞11，如第一圖所示，各奈米孔洞11增加了結晶矽1之表面積，進而增加了入射光子的吸收比例，使該結晶矽應用於太陽電池中，可增加其光電轉換效率。

如第二圖所示，本發明之製造方法係包含有下列步驟：步驟A、於溶液槽中配製酸性氧化劑，請同時參閱第二圖之製造裝置，係於溶液槽21中容設有酸性氧化劑22，該酸性氧化劑22係由酸性溶液及化學活性較矽低之金屬化合物混合而成，該酸性溶液係選自硫酸、磷酸、硝酸、氫氟酸、醋酸至少一種或以上的酸任意混合之溶液，或者可以如圖所示之實施例中為硝酸銀221及氫氟酸222之混合；步驟B、將結晶矽浸泡於該溶液槽中，其中，該製造裝置進一步設有夾持件24，且該夾持件24可以為真空吸引方式，請同時參閱第三圖及第四圖所示，以對該結晶矽1進行挾持，將結晶矽1浸泡於該溶液槽21中，如第五圖所示；步驟C、該酸性氧化劑22與該結晶矽1形成氧化還 原反應，使結晶矽1表面還原析出複數金屬奈米微粒，該金屬奈米微粒23可以為銀，各金屬奈米微粒23附著於結晶矽1表面上，如第六圖所示，以各金屬奈米微粒為氧化劑，並於該處進行氧化還原反應，該結晶矽表面1被各金屬奈米微粒23附著處形成氧化還原反應後，則成為SiO₂ ；步驟D、進行酸蝕刻，請同時參閱第七圖所示，使該結晶矽1表面相對於各金屬微粒附著處形成複數奈米孔洞11。

其中，該金屬奈米微粒之含量，可決定結晶矽表面奈米孔洞之密度，當然若金屬奈米微粒之含量越高，則結晶矽表面之奈米孔洞數量較多則密度較高；且該結晶矽浸泡於該溶液槽中之深度，可決定形成奈米孔洞之範圍，例如浸泡於該溶液槽中之深度僅接觸該結晶矽上表面，則僅於該結晶矽之上表面形成奈米孔洞，若將該結晶矽全部浸泡於該溶液槽中，則該結晶矽各個表面均形成有奈米孔洞。

本發明利用氧化還原反應來改變結晶矽之化學性質，再用濕蝕刻方式即可輕易且快速形成具有複數奈米孔洞之奈米多孔性結晶矽，不僅製程簡便成本較低且加工時間短，且各奈米孔洞增加了結晶矽之表面積，進而增加了入射光子的數量，使該結晶矽應用於太陽電池中，可增加其光電轉換效率。

如上所述，本發明提供奈米多孔性結晶矽一種較佳可行之製造方法及其裝置，爰依法提呈發明專利之申請； 惟，以上之實施說明及圖式所示，係本發明較佳實施例者，並非以此侷限本發明，是以，舉凡與本發明之構造、裝置、特徵等近似、雷同者，均應屬本發明之創設目的及申請專利範圍之內。

結晶矽‧‧‧1

奈米孔洞‧‧‧11

溶液槽‧‧‧21

酸性氧化劑‧‧‧22

硝酸銀‧‧‧221

氫氟酸‧‧‧222

金屬奈米微粒‧‧‧23

夾持件‧‧‧24

第一圖係為本發明中奈米多孔性結晶矽之結構立體圖。

第二圖係為本發明中奈米多孔性結晶矽之製造流程示意圖。

第三圖係為本發明中於溶液槽中製備酸性溶液之結構示意圖。

第四圖係為本發明中奈米多孔性結晶矽製造裝置之結構示意圖。

第五圖係為本發明中將結晶矽浸泡於溶液槽之結構示意圖。

第六圖係為本發明中金屬奈米微粒附著於結晶矽表面進行氧化還原反應之結構示意圖。

第七圖係為本發明中結晶矽表面進行酸蝕刻後之結構示意圖。

結晶矽‧‧‧1

奈米孔洞‧‧‧11

Claims (7)

1. 一種奈米多孔性結晶矽之製造方法，其包含：配製一酸性氧化劑於一溶液槽中；浸泡一結晶矽於該溶液槽中，其中多個金屬奈米微粒附著於該結晶矽之表面上，並於該結晶矽之表面上進行氧化還原反應；以及以該酸性氧化劑對該結晶矽進行酸蝕刻，使該結晶矽表面相對於該多個金屬奈米微粒附著處形成多個奈米孔洞。
2. 如請求項1所述之奈米多孔性結晶矽之製造方法，其中，該酸性氧化劑係選自硫酸、磷酸、硝酸、氫氟酸、醋酸至少一種的混合溶液。
3. 如請求項1所述之奈米多孔性結晶矽之製造方法，其中，該多個金屬奈米微粒可以為銀。
4. 如請求項1所述之奈米多孔性結晶矽之製造方法，其中，該酸性氧化劑可以為硝酸銀及氫氟酸之混合。
5. 如請求項1所述之奈米多孔性結晶矽之製造方法，其中，該多個金屬奈米微粒之含量，可決定該多個結晶矽表面奈米孔洞之密度。
6. 如請求項1所述之奈米多孔性結晶矽之製造方法，其中，該結晶矽之表面被該多個金屬奈米微粒附著處經過氧化還原反應後，則成為SiO2。
7. 如請求項1所述之奈米多孔性結晶矽之製造方法，其中，該結晶矽浸泡於該溶液槽中之深度，可決定形成該多個奈米孔洞之範圍。