单晶硅表面脉冲激光重掺杂硫元素调控硅光电性质的研究

The monocrystalline silicon surface doping with chalcogen elements such as sulfur、selenium and tellurium by laser pulses shows the near unity absorption for infrared light with wavelength 1.1 to 2.5 micrometer, which show the potential application for silicon in near infrared spectrum. This program focuses on solving the disadvantanges of sulfur-doped silicon, the deterioration of the electronic transport properties. The dynamics of doping and the surface energy band structure will be studied on this program and the mechanism that affect the optical and electronic properties of silicon will be revealed. This program will not only increase the knowledge of the interaction between sulfur and silicon, but also develop the new method and technology to preapre and control the doping process. The research will be of importance for developing novel silicon-based optoelectronic devices.

单晶硅表面在脉冲激光作用下重掺杂硫、硒、碲等硫族元素后，在近红外波段可获得接近于1的均匀吸收率，显示了与单晶硅不同的优异光学性能，为硅基光电器件在红外波段的使用提供了可能。本项目针对掺杂后硅的电子输运性能大幅度下降，拟通过研究单晶硅表面脉冲激光作用下硫掺杂的动力学过程及硫元素重掺杂前后硅表面能带结构的变化，揭示脉冲激光辅助掺杂硫族元素调控硅光电性质的作用机理，为硅的光、电性质的同时优化控制提供解决思路和方法。本项目的实施，不仅将加深对硫掺杂元素与硅的相互作用的认识，项目中提出的利用大能量低重复频率脉冲激光器制备硫重掺杂硅的高效方法及瞬态电导率和超快时间分辨的实时监控方法，将成为一种脉冲激光定量高效掺杂的有效制备和控制新方法。本研究对新颖硅光电器件，如广谱高效太阳能电池，宽频高灵敏光电探测器等的研究、开发和应用有重要意义。

本项目主要是为了解决掺硫单晶或多晶黑硅在光电器件，尤其是太阳能电池应用中所遇到的核心问题：黑硅材料虽然具有很高的光吸收率，但是光电转化率相对较低。针对该关键问题，我们系统研究了硅表面预处理方法、掺硫方式、激光条件（脉冲宽度、能量密度、扫描速度等）等对硅表面形貌、硫掺杂浓度与分布、相成分等的影响，分析了不同条件下硫掺杂样品的反射光谱、吸收光谱、薄层电阻、霍尔系数、光电流等光电参数的变化。研究了硅对飞秒激光与纳秒激光的吸收机理，发展了新的激光掺硫技术。主要结论如下：.1） 与飞秒激光掺杂相比，纳秒激光掺杂具有更大的优势，它可以获得更大的掺杂深度，样品缺陷少、薄层电阻更小，且成本低，更适用于工业生产。.2） 利用气态硫源进行反应掺杂时，表面微结构形成过程与掺杂过程分离，可更好地控制硫的分布：首先利用化学方法进行表面制绒，然后在六氟化硫气氛中，在低能量密度的纳秒脉冲激光辐照下进行硫掺杂，控制激光能量密度及离焦量，实现低能量熔融态掺硫。.3）固态硫源掺杂：这是我们发展起来的一种新的掺杂技术。利用该技术获得了厚度可调、低电阻、高光吸收率的硫均匀分布的多晶硅层。.通过该项目的研究，我们对激光重掺杂半导体材料的动力学过程及硫元素调控硅光电性能有了较为深入的认识。利用我们新发展的硫掺杂技术，有望将现有晶硅商品太阳能电池的光电转换效率进一步提高2～3%，实现硅基太阳能电池的全光谱利用，推动硅基太阳能电池的发展。