基于液相纳米化学的黑硅构筑研究

黑硅是一种具有特殊微纳表面结构的新型材料，它对整个太阳光谱具有90%以上的吸收率，因此在新一代高效太阳电池领域具有十分重要的应用前景。目前，黑硅主要是通过高能量脉冲激光在特定气体环境中作用于晶体硅表面而得到，但此方法工艺复杂，成本很高，不利于大规模应用。本项目研究目标是发展一种简便的基于液相纳米化学的黑硅制备技术，通过解决硅表面选择性腐蚀和硅内部各向异性腐蚀两个关键技术，最终获得表面具有微纳米尺度晶锥阵列的黑硅材料，且其吸收率在350～1000 nm波段内大于95%。本项目研究内容涉及黑硅腐蚀液的配制与性能研究，纳米点阵掩膜的制备及其形成机理研究，黑硅材料制备及其形成机理研究以及黑硅材料的微结构及光学性能研究。本项目的实施有望获得一种简便的黑硅制备技术，通过黑硅形成机理的研究，为其应用提供有力的理论指导和实验依据。

本项国家自然科学基金项目主要开展基于液相纳米化学的黑硅构筑研究，旨在通过对硅表面进行技术创新处理制备黑硅材料，以提高太阳电池的光电转化效率及有效降低光伏发电成本。本项目采用简便的液相纳米化学刻蚀技术对太阳电池硅材料表层进行优化处理，通过纳米技术结合湿法刻蚀对硅表层进行改性，最终得到具有纳米阵列结构表面的黑硅材料。.本项目的研究目标是对硅表层结构进行改性制备黑硅，通过刻蚀液的优选和刻蚀工艺的优化，制备出在350～1000 nm波段内反射率不高于5%的黑硅样品，并揭示化学湿法刻蚀条件下黑硅材料的形成机理。本项目重点开展了金属纳米粒子辅助湿法化学刻蚀制备黑硅及纳米掩膜制备两个方面的内容，对与本项目研究重点相关的内容也进行了适当的探索及研究。由于黑硅表面具有特殊的陷光结构，因此在黑硅的湿法刻蚀制备过程中，关键在于硅表面要产生不均匀刻蚀，这可以通过硅表面的刻蚀速率差来实现。本项目中，金属纳米粒子的添加是实现硅表面不均匀刻蚀的方法之一。我们系统地研究了几种金属纳米粒子，利用金属粒子对硅刻蚀反应的催化活性对硅进行不均匀刻蚀，构筑了具有特殊微纳结构的硅材料，并从金属纳米粒子的类型、浓度、形状、尺寸等多个方面研究其对刻蚀反应催化性能的差异，以及对硅表面微纳结构生长的影响，初步揭示了刻蚀过程中金属纳米粒子对硅表面结构形貌的作用机理。此外，本项目中利用纳米点阵掩膜对硅进行区域性保护，是实现硅表面不均匀刻蚀的另一种方法。我们尝试使用与硅位于同一主族的碳作为掩膜研究的对象，展开了石墨烯作为纳米掩膜材料的制备研究工作。由于石墨烯量子点本身具有多种独特的光学性质，因此，我们在将其作为纳米掩膜研究的同时，也尝试通过掺杂的方式对石墨烯量子点的光学性质进行调制，希望实现石墨烯与硅结合的协同效应，即达到硅表面选择性刻蚀的同时，又能增强黑硅的吸光性能及光电转化效率。在本项目中，为了能够对石墨烯量子点的光学性质进行调制，我们将氯、硫两种元素分别掺杂进石墨烯量子点中，并对石墨烯量子点掺杂后的光学性质进行了详细的研究。.通过三年的研究工作，本课题组成功制备得到黑硅材料，其反射率在350～1000 nm波段内反射率低于4%，优于我们所提出的技术指标。此外，结合大量的实验结果，我们对黑硅材料的形成进行了系统地分析，提出了可能的机理。总的说来，本项目的研究成果达到了项目初期预定的目标。