化学腐蚀法制备黑硅薄膜及其光学性能研究

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通过研究比较国内外单晶硅表面陷光结构制备的研究现状,发现黑硅是一种新型的高太阳吸收率的材料,黑硅具有多孔结构,在较宽波长范围对太阳光都能达到很好的吸收效果,即良好的广谱吸收性能,在光电领域具有十分重要的应用前景。采用化学腐蚀法来制备黑硅,研究黑硅的微观形貌对太阳吸收率的影响,同时分析腐蚀机理,陷光机理,贵金属的催化机理等。利用AFM、SEM、XRF、紫外可见吸收(透射)谱仪及半导体参数测试仪等测试方法,对黑硅的反射率、表面形貌、表面成分、剖面结构以及电学参数等进行表征。结果表明:采用以氯金酸为催化剂,双氧水为氧化剂,氢氟酸为络合剂,水为缓释剂,在超声波辅助作用下腐蚀单晶硅,得到了黑硅。通过观察不同工艺参数(超声、腐蚀时间和腐蚀温度)下黑硅的表面形貌,研究多孔结构对黑硅吸收率的影响,发现当多孔结构的高径比为0.6时,所得黑硅太阳吸收率为98.874%,且在300-800nm可见光区的反射率降低到了1%,其电学性能也表现出比较优异的性能,转化效率达到了15.18%。并对腐蚀过程中的机理进行了分析,单晶硅在腐蚀过程中,以化学吸附在表面的金纳米粒子为活性点,在催化剂下方及周围发生腐蚀反应,生成H2SiF6和H2,从而将表面的硅移走,形成多孔结构,多孔结构有利于增加二次反射,提高太阳吸收率。在节约成本的前提下,进行了催化剂优化研究,研究发现采用硝酸银代替氯金酸,采用KOH/IPA为腐蚀液,对单晶硅进行二次腐蚀,构筑多孔-金字塔结构,在金字塔上形成的多孔结构使得黑硅对于短波光的反应更为灵敏,所得金字塔结构黑硅的太阳吸收率为97.956%,转化效率为13.34%。这两种体系都大幅提高了单晶硅的太阳吸收率及转化效率。
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