矽光伏材料內部納米結構的製造及其吸收頻譜的調控

《矽光伏材料內部納米結構的製造及其吸收頻譜的調控》是依託西安交通大學，由司金海擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：矽光伏材料內部納米結構的製造及其吸收頻譜的調控
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：司金海
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

擴展矽材料對太陽光吸收的頻譜範圍是提高矽太陽能電池光電轉換效率的重要途徑之一，用飛秒雷射誘導的矽基表面微納結構已被套用於廣譜吸收光伏材料的研製。本項目研究利用飛秒雷射在矽光伏材料內部製備納米結構的關鍵技術，通過在矽基內部製備納米結構擴展矽材料對太陽光吸收的頻譜範圍，從而提高太陽光能的利用率。研究內容包括：研究用飛秒雷射在矽基內部誘導納米結構形成的動力學過程及機理；研究飛秒雷射誘導納米結構形狀與尺度的控制方法和機制；通過在不同氣氛、溫度、熱退火等方法，提高納米結構矽材料的載流子遷移率；通過改變納米結構形狀與尺度調控納米結構的禁頻寬度及其吸收光譜特性，為實現具有廣譜吸收新機制的高效矽太陽能電池奠定理論和實驗基礎；研究用飛秒雷射在矽基表面製備具有減反特性的陷光微結構；探索飛秒雷射多光束並行加工法在矽基內部製備納米結構的關鍵技術，提高飛秒雷射微納加工的效率。

結題摘要

本項目開展了利用飛秒雷射微納加工技術在矽基上製備微納結構、高縱橫比狹槽和微透鏡陣列研究。在矽基微納結構的製備方面，利用飛秒雷射輔助摻雜方法，製備了含有硫系元素碲的矽表面尖峰微納結構，實現了對矽材料吸收光譜的有效調控；在矽基狹槽和微透鏡陣列的製備方面，提出了化學腐蝕輔助飛秒雷射加工矽材料的新方法，製備了高縱橫比的全矽基狹槽和微透鏡陣列。主要研究內容如下：利用飛秒雷射輔助摻雜方法，在單晶矽表面製備了準規則排列的尖峰結構並在其中摻入對紅外吸收有貢獻的硫系元素碲，有效地拓展了矽材料的紅外吸收光譜，通過改變加工條件和處理工藝實現了對其吸收光譜的有效調控。對其光譜測試結果表明，在可見和近紅外區域，材料的吸收率分別達到了90%和80%，其吸收增強主要起因於雜質能級調節效應和表面微納結構的光減反效應的聯合貢獻。我們還研究了處理工藝（如熱退火、HF腐蝕等）和雷射輻照條件（Te膜厚度、雷射能量和掃描間隔等）對矽材料吸收率的影響。提出了化學腐蝕輔助飛秒雷射加工矽材料的新方法。首先利用飛秒雷射在矽基上誘導產生材料結構變化，然後利用氫氟酸溶液選擇性腐蝕去除結構變化部分從而製備全矽基狹槽和微透鏡陣列。我們利用此方法在空氣環境中製備了縱橫比達44的全矽基狹槽。研究了矽基狹槽的形成機理，以及物鏡數值孔徑、雷射功率和掃描速率等雷射加工條件對狹槽縱橫比的調控關係。我們還利用這種化學腐蝕輔助飛秒雷射加工方法製備了全矽平凹微透鏡陣列。利用飛秒雷射加工法首先在矽表面製備出微孔，然後通過混合酸溶液腐蝕使微孔擴展和平滑形成凹面微透鏡。分別在水環境和空氣環境中，利用飛秒雷射在矽基深表面製備出縱橫比分別達30和25的狹槽。狹槽形貌和化學成分測試的結果表明，在水環境中製備的狹槽的質量優於空氣中製備的狹槽。在狹槽形貌方面，在水中製備的狹槽槽壁比在空氣中製備的狹槽槽壁光滑；在化學成分方面，在水中製備的狹槽，其側壁為全矽，而在空氣中製備的狹槽，其側壁主要成分包含矽和氧。在飛秒雷射誘導矽和碳化矽亞波長尺度表面波紋結構研究中，首次觀察到伴隨產生的深亞波長尺度準周期納米孔結構新現象，這種納米孔起因於飛秒雷射誘導波紋結構過程中伴隨產生的“通道等離子激元”。