纳米粒子辅助刻蚀与等离激元增强硅太阳电池微纳结构研究

开展硅太阳电池的新型微纳结构研究，设计制备兼具高陷光和超疏水自清洁复合功能的硅表面微纳结构,并设计实现纳米粒子等离激元增强的高效硅太阳电池。在深入研究贵金属粒子催化机理的基础上，制备周期性亚波长光栅结构和阶层状金字塔结构，并开发纳米粒子等离激元效应，共同实现硅太阳电池的增效。一方面，采用催化刻蚀技术和阳极氧化铝模板法，在硅衬底表面制备出可控的周期性亚波长光栅结构。并用碱性盐溶液刻蚀和贵金属粒子催化刻蚀相结合的方法制备阶层状金字塔结构。另一方面，在表面等离激元激发机理及条件的计算模拟基础上，通过金属纳米粒子修饰的新型复合微纳结构，增强太阳电池的光电转换效率。另外，在上述高减反、全光谱吸收陷光结构表面再沉积钛氧化物减反层形成高效稳定自清洁复合陷光结构。研发的具有自主知识产权的高效陷光及等离激元增强的高效太阳电池微纳结构可直接应用于太阳电池器件，为我国节能低碳产业发展和生态环境建设做出贡献。

开展硅基新型微纳结构的设计、制备研究，制备出了兼具高陷光和超疏水自清洁复合功能的硅表面微纳结构；并通过与Ag纳米颗粒的等离激元效应复合实现了Ag颗粒和硅纳米线（金字塔）双重、宽光谱陷光。深入研究贵金属粒子的催化机理，探明了各种工艺条件影响刻蚀行为和所得形貌的规律。采用碱溶液刻蚀方法制备了金字塔结构、阶层状金字塔结构、Ag纳米颗粒/金字塔复合结构；其中Ag纳米颗粒/金字塔复合结构实现了等离激元和硅纳米结构共同陷光。采用贵金属辅助催化刻蚀方法，制备出了大面积均匀的硅纳米线、锥形硅纳米线、硅微米柱/纳米线复合结构、多孔超细硅纳米线和稀疏的硅纳米柱结构，实现了全光谱平均反射率在1-2%的高效陷光。并且采用碱性盐溶液刻蚀和贵金属粒子催化刻蚀相结合的方法制备了阶层状多孔金字塔结构，也表现出很好的陷光效果。此外，通过阳极氧化方法制备了多孔氧化铝模板，以及具有周期性亚波长光栅结构的铝基底；该结构铝基底可实现局部等离激元和表面等离激元双重陷光，适合用于柔性太阳能电池基底。除实验研究，对金属纳米结构的等离激元陷光机理和硅纳米结构的陷光机制进行了理论研究并开发了可计算其陷光性能的程序包。特别是对硅纳米线结构，基于理论计算给出了其陷光和光吸收特性受其长度、直径、形貌、疏密度和填充比的影响规律，并基于大量的数据和文献结果建立了统一的定量公式。设计了Ag帽子覆盖的新型金属颗粒/硅纳米线复合结构，可以实现宽光谱陷光，陷光效率比纯硅线高34%；且其所吸收的光表现出显著的径向定域特性，非常适合于径向结太阳电池应用。本课题所设计和制备的硅纳米陷光结构、硅/金属颗粒复合陷光结构以及铝基底均可直接应用于太阳电池器件，为我国节能低碳产业发展和生态环境建设做出贡献。