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本文研究了用兩步金屬輔助化學(xué)蝕刻(MACE)工藝制備的黑硅（b-Si）的表面形態(tài)學(xué)和光學(xué)性能，研究了銀膜低溫退火和碳硅片蝕刻時(shí)間短的兩步MACE法制備硼硅吸收材料。該過程包括銀薄膜沉積產(chǎn)生的鎵氮?dú)?，然后進(jìn)行低溫退火。采用不同的蝕刻劑濃度，在HF：h2o2：DI水溶液中進(jìn)行蝕刻70s，以體積比的形式表示。然后分析了蝕刻劑濃度對(duì)b-Si表面形態(tài)和光學(xué)性質(zhì)的影響。計(jì)算了最大電位短路電流密度（Jsc(max)），以相對(duì)估算在300-1100nm光譜區(qū)域內(nèi)b-Si的光耦合性能。一旦在優(yōu)化的b-si吸收材料上制備了太陽能電池，計(jì)算出的電位Jsc(max)可以用來預(yù)測最大可實(shí)現(xiàn)的光電流。
本實(shí)驗(yàn)采用電阻率為1-10Ω的p型單碳化硅晶片(250μm厚度)作為襯底，使用RCA技術(shù)預(yù)先清洗晶片，以去除污染，為了制備b-Si，采用射頻濺射法，用15nm的銀薄膜沉積c-Si晶片，為了生產(chǎn)銀NPs，晶片在N2大氣(流速為2L/min)下以230?C退火40min，然后將晶片蝕刻在含高頻（50%）：過氧化氫（30%）：DI水的水溶液中。該溶液的體積比為X：Y：Z，分別對(duì)應(yīng)于HF、過氧化氫和DI水的體積，本實(shí)驗(yàn)中使用的體積比分別為1：5：5、1：5：10和1：5：20，蝕刻工作在室溫下進(jìn)行，蝕刻時(shí)間為70s。
FESEM用于研究和表征b-硅納米孔的頂視圖和橫截面。利用FESEM圖像，利用ImageJ軟件分析晶片上b-Si納米孔的平均直徑、表面覆蓋范圍和粒間距離。為了研究b-Si的光學(xué)性質(zhì)，我們使用配有積分球的Cary5000UV-Vis-NIR分光光度計(jì)測量了半球形反射(R)。從反射測量結(jié)果中，利用方程A=100%-R-T計(jì)算了吸收(A)。由于晶片不透明，因此假設(shè)傳輸(T)為零。
圖1顯示了在不同蝕刻濃度下，通過兩步MACE工藝制備的c-Si參考片（未紋理）和b-Si晶片的圖像，體積比為1：5：5的碳硅晶片變成銀灰色，經(jīng)過MACE過程后，以1：5：10和1：5：20的體積比，c-Si晶片變成深黑色。為了更好地理解不同的蝕刻劑濃度如何影響晶片的表面形態(tài)特性，F(xiàn)ESEM圖像如下所示。
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圖1
為了獲得更多關(guān)于變化體積比對(duì)b-Si晶片表面形態(tài)特性的影響的信息，我們進(jìn)行了FESEM成像，蝕刻后，用硝酸去除AgNPs后，晶片表面可見致密的納米孔。圖3(a)和(b)顯示了在不同蝕刻濃度下蝕刻后的半球形全反射和吸收。采用碳化硅參考晶片進(jìn)行比較，經(jīng)過MACE過程后，體積比為1：5：10的b-Si晶片與c-Si相比，表現(xiàn)出更低的寬帶（300-1100波長區(qū)域）反射，當(dāng)波長為600nm時(shí)，反射率約為3%，這可以歸因于密集的b-Si納米孔對(duì)晶片上的折射率分級(jí)的影響，這導(dǎo)致了與c-Si吸收器的光耦合增加。這導(dǎo)致了在整個(gè)光譜區(qū)域的光吸收增強(qiáng)。
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圖3
圖4顯示了b-Si納米孔在不同濃度（即體積比）的HF：H2O2：DI水溶液中蝕刻后的平均粒間距離與反射(波長600nm)之間的關(guān)系，利用ImageJ軟件從俯視圖掃描電鏡圖像中提取b-Si納米孔的粒子間距離，從圖中可以看出，較長的粒子間距離（即納米孔尺寸越大）越大，600nm波長的反射就越高。在300-1100nm光譜區(qū)域具有最高的寬帶光吸收，圖像顯示，納米結(jié)構(gòu)在表面均勻形成，納米結(jié)構(gòu)的平均柱狀寬度約為50nm，高度約為300nm。由于入射光將表面視為折射率(n)逐漸增加的均勻介質(zhì)，從n=1的空氣到n=3.6的體積硅，因此紋理的尺寸導(dǎo)致進(jìn)入b-Si的光耦合增加，這導(dǎo)致了來自表面的低反射，并導(dǎo)致表面出現(xiàn)黑色。
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圖4
本文研究了不同蝕刻濃度制備的b-Si的表面形貌和光學(xué)性質(zhì)，該工作結(jié)合了兩步中Ag薄膜的低溫退火和c-Si的短蝕刻時(shí)間，在晶片上產(chǎn)生b-Si納米孔。從表面形態(tài)學(xué)結(jié)果來看，體積比為1：5：5的c-Si晶片顯示出平均直徑為101.2nm的納米孔，表面覆蓋率約為40%。晶圓片上的一些區(qū)域仍然沒有紋理，晶片表面的比例為1：5：10，被覆蓋成致密而隨機(jī)的b-Si納米孔，納米孔的平均直徑較低(84.1nm)，但表面覆蓋率增加到51%，蝕刻濃度為1：5：20的b硅晶片產(chǎn)生直徑為74.9nm的納米孔，表面覆蓋率為45%。在波長為600nm時(shí)，反射率為3%，這可以歸因于晶片表面致密的b-硅納米孔的折射率分級(jí)效應(yīng)。這增強(qiáng)了整個(gè)300-1100nm波長區(qū)域的光吸收。