纳米柱状结构表面硅材料的研制与在光电池应用上的性能研究

利用纳米岛自组装技术与其它微加工技术相结合，完成大表面比的大高宽比纳米柱状结构硅材料研制，进行结构光学性能的理论计算和试验研究，并应用这一材料完成光电池的研制和开展初步的光电池性能分析。该项目提出了一种新的表面结构硅材料和相应的加工方法，通过采用纳米岛光刻这种自下而上的自组装原始结构制造技术，开发出廉价和易于工业化生产的纳米柱状结构硅材料的加工工艺。该技术首先利用氯化铯的自组装得到氯化铯原始岛结构，然后借助ICP离子束刻蚀技术，将氯化铯岛结构转化成硅纳米柱状结构，获得表面为纳米柱状结构的硅材料。本项目是以广泛应用的半导体硅材料为研究对象，结合纳米柱状结构光电池的研究，成果易于实际应用。大表面比的大高宽比纳米柱状结构表面硅材料是一新的织构化结构，能够减小光的反射来，达到提高光电池光电转换效率的目的。光电池的应用研究是该材料应用的一种尝试，为探索该结构材料可能的实际应用提供研究数据。

圆满完成了项目所提出的各项计划内容，包括纳米柱状结构的性能理论计算和模拟，硅纳米柱状结构的刻蚀工艺研究和优化、光学性能研究、光电池制造工艺开发和优化，以及光电池性能的研究。在光电池工艺开发和光电性能研究方面，研究工作比项目所提出的指标更为具体和深入，这为纳米结构在光电池上的可能应用奠定了良好基础。. 本项目利用氯化铯自组装技术获得原始纳米岛结构，通过反应离子刻蚀将氯化铯岛结构转化成硅纳米柱状结构，从而制造出一种纳米柱状结构表面硅材料。该纳米原始结构采用氯化铯自组装技术完成，具有工艺简单、成本低、适宜大规模生产等特点，通过反应离子束刻蚀技术将氯化铯岛结构转换成硅结构，从而实现了纳米柱状结构表面硅材料的制造。通过控制氯化铯自组装和反应离子束工艺条件，能够获得直径100-1000纳米，高度100-2000纳米的不同纳米柱状结构表面硅材料，来满足不同应用领域的需要。. 利用获得的纳米结构硅材料表面开展了纳米结构光学性能和光电池应用的研究工作，实现了良好的光减反效果和光电性能。纳米柱状结构的直径、高度和形状对光的减反效果是不同的，通过开展不同条件下的硅纳米柱状结构反射特性研究，掌握纳米柱状结构对光反射的影响，为优化结构和在光电池上的应用提供重要的性能数据和参考。从研究的结果看，纳米柱状结构在合适的高度和直径条件下能够获得1％的减反效果。为了进行光电池的性能研究，开发了光电池的制造工艺，包括热扩散、光刻和真空镀膜等工艺，完成了纳米柱状表面结构硅光电池的研制。通过改变纳米结构的尺寸和高度，进行相应的光电性能研究与测试，目前实验室条件下光电转换效率最好达到16％左右。从研究结果来看，纳米柱状结构对提高光电池性能提高有明显的效果，但由于光电池的光电效率与多种工艺因素有关，发现纳米柱状结构对光电池性能直接的影响非常困难，还需要做详细的研究工作。. 作为一种新的纳米柱状结构表面硅材料具有大表面比、光减反等特性，在光电池和LED等应用领域有相应的优势和应用前景。该结构已在光电池和LED等方面得到了初步的应用，取得了较好的研究成果，还需要开展深入细致的研究工作，真正把这一结构的优势发挥出来。硅纳米柱状结构是一种新的材料结构，将积极开发它的应用领域，如MEMS的传感器以及场发射针尖结构等方面的应用潜力，最终实现该材料用到实际器件或传感器的目标。