电泳沉积实验方案

关于使用电泳沉积法在硅上沉积Al2O3钝化层的实验方案

实验目的：

使用电泳沉积的方法在硅的表面生长一层Al2O3钝化层以减少硅表面的悬挂键，进而降低表面态密度，能使表面态对太阳能电池中光生载流子的吸收减少，从而提高太阳能电池的性能。

实验原理：

电泳沉积（Electrophoretic deposition,EPD）是一个复杂的电化学过程，主要包括电泳、电沉积、电解、电渗四个同时进行的过程。

1.电泳：在胶体溶液中分散在介质中的分散带电胶体粒子，在直流电

场的的作用下向着带一种电荷的点击方向移动。

2.电解：当直流电场施加于含电解质的水溶液中，水在电场中发生电

解，在阳极区析出氧气，阴极区析出氢气。

3.电沉积：在电泳中,当带电荷的胶体粒子在直流电场作用下到达电极

时，即发生电沉积反应。

4. 电渗：在电场的影响下，带电荷的液体对携带相反电荷的固定介质

进行相对运动的现象。可以改变带电离子在电泳中的移动速度甚至

方向。由于吸附于阳极上涂层中的水化正离子受电场作用,产生向负

电极运动的内渗力,从而穿透沉积的涂层,使涂层中的含水量显著减

少, 约为5—15%,可直接烘烤而得到结构致密,平整光滑的涂层。

从简单方面来说，EPD实验装置是一个两电极的电化学系统。沉积过程可以分为两个阶段。首先，在外加电场下带电粒子向其电性相反电极移动，这一过程叫做电泳过程。然后粒子在电极表面沉积，形成均匀致密的薄膜。这一过程称为沉积过程。任何可以制成细小微粒（粒径<~30μm）或溶胶的固体材料，都可以进行电泳沉积。

目前，关于EPD 机制和沉积动力学的研究很多。但是，迄今为止其机制尚

未清楚，沉积参数与沉积产物之间的联系尚未明确。目前已有的电泳沉积机制有：DLVO机制、双电层结构变形-减薄机制、以及其他一些新机制[1]。

实验仪器和材料：

仪器：电泳槽、电泳仪（直流稳压电源）、电极、磁力搅拌器、超声波清洗仪、精密酸度计、恒温箱、马弗炉、电子天平、烧杯若干、其他。

化学试剂：异丙醇铝、硝酸、乙醇、丙酮、去离子水等。

关于化学试剂的选择说明：在电泳之前先要制备氧化铝溶胶（AlOOH），制备氧化铝溶胶（AlOOH）的方法中通常有以异丙醇铝（Al［（CH3）2CHO］3）为原料的有机盐法、以氯化铝（AlCl3）或硝酸铝（Al（NO3）3）为原料的无机盐法和以SB粉为原料的粉体分散法。其中有机盐法相对于无机盐法和粉体分散法可以制得纯度高、比表面大、粒度分布均匀的溶胶。此方法适用于制备纯度要求高的氧化铝粉体。因此本实验使用异丙醇铝为原料制备铝溶胶[2]。

胶溶剂:通常向水解产物中加人酸作为胶溶剂，既可以促进水解过程，又可以使胶粒表面吸附H+ 形成双电层，使粒子间产生相互作用，有利于体系的分散和稳定。实验发现硫酸和大部分有机酸都不能用作胶溶剂，而硝酸和盐酸的溶胶效果最佳且效果相近。由于加人酸的同时引人了阴离子，因此在酸的选取时还要考虑到后期阴离子的除去问题，一般采用HNO3作为胶溶剂[3]。

实验过程：

整个实验过程可以大致分为以下六步：

1. 载体预处理：使用乙醇、丙酮和去离子水对硅片进行清洗处理并干燥。

2. 硅表面刻蚀：若在普通硅片上长Al2O3钝化层，为了增强材料间的吸附力，在电泳前应对硅表面进行刻蚀处理[4]。

3. 溶胶制备：将去离子水加热到设定温度（一般大于80℃），边搅拌边将预先磨好的异丙醇铝缓缓加入其中，加完后回流搅拌1小时使其完全水解，形成Al（OH）3沉淀；在搅拌条件下加热蒸发沉积物至反应产生的异丙醇铝完全挥发

掉；然后加入一定量的溶胶剂使沉淀溶胶；最后使胶体在回流搅拌的条件下过夜陈化，制得稳定的AlOOH溶胶[5]。

4. 电泳沉积：将硅片载体固定在阴极上，在室温的条件下将电极浸没到铝溶胶中，设置好两电极之间的距离为2cm，使用恒流稳压电源的电压值设定在60V （电压的大小对薄膜的沉积速率和材料间的吸附性有很大影响）。在电场作用下，溶胶的胶粒在溶液中作定向运动，随着沉积时间的增加，极板上沉积的颗粒逐渐增多，沉积层的厚度也随之增大[6]。

图1 电泳沉积实验装置示意图

5. 干燥处理：将沉积后的硅片取出放置在干燥器皿中，在室温的条件下进行干燥处理，干燥速度不宜过快。在干燥过程中为了尽量减少裂纹的产生，干燥最好在相对较低的温度和相对较高的湿度的环境下进行[4]。

6. 热处理：将干燥后的干凝胶放在马弗炉中进行煅烧处理，使AlOOH脱水生成Al2O3，热处理温度控制在615℃左右，在该温度范围内一温度点恒温1小时，加热速度为10℃/min [7]。

电泳沉积的特点：

电泳沉积是一种材料制备的电化学方法，应用十分广泛。相比其他制备方法，如气相沉积和其他电化学沉积等，EPD 可以实现准分子水平上材料微观结构的均匀分布。EPD 装置简单，成本效率高，是科研和生产领域中新材料的常用制

备手段。电泳沉积制备薄膜实用、方便，最大优点在于可控制性高，适合于各种性质的材料和尺寸的样品。它不仅可以对各种外形和复杂多孔的结构进行涂敷，还可以用于纳米器件的连接与组装。

参考资料：

[1] 电泳沉积制备功能薄膜研究进展

[2] 氧化铝溶胶的制备

[3] 以多孔钛片为载体的氧化铝膜的制备和表征

[4] Preparation of catalyst carriers on the basis of alumina supported on metallic gauzes

[5] γ-AlOOH溶胶的制备和表征

[6] 电泳沉积氧化铝陶瓷涂层的制备及耐腐蚀性能

[7] 电泳沉积法γ-Al2O3微孔膜的制备与表征