超快激光构造黑硅材料的光电性能优化及微观机理研究

本项目针对当前黑硅材料与器件研究中存在的关键性问题和技术难点，利用超快脉冲激光诱导的化学腐蚀技术制备出表面晶锥阵列、且非平衡过饱和掺杂的黑硅材料，采用超快泵浦探测和时间分辨荧光显微成像等技术揭示超快脉冲激光和硅表面作用的非线性动力学过程以及黑硅表面图形演变的微观机理，建立超快脉冲激光微构造硅表面的动力学与热力学模型。利用CO2激光高温快速退火技术，有效修复黑硅的结构、缺陷和复合中心，系统研究黑硅的结构、杂质、缺陷对其广谱光吸收及光电转换效率的影响，探索黑硅材料中光生载流子微观输运机制以及光电作用机理，从理论和实验上建立和完善黑硅载流子可控输运机制，为研制和优化新型微纳结构硅基光电材料与器件提供实验依据和理论指导。

本项目针对当前黑硅材料与器件研究中存在的关键性问题和技术难点，利用超快脉冲激光诱导的化学腐蚀技术制备出高质量黑硅材料。研究激光参数（激光波长、脉宽、频率、峰值功率、光偏振态、脉冲数目以及气氛环境等）对硅表面微纳结构形成的影响；揭示超快脉冲激光和硅表面作用的非线性动力学过程和硅表面图形演变的微观机理；利用时间分辨瞬态光谱技术，首次研究了飞秒激光与硅材料相互作用时等离子体产生及演化的瞬态过程；利用双温模型、Drude模型等与表面等离激元模型有机结合，模拟分析了飞秒激光诱导表面微结构的形成机理，建立并完善了超快脉冲激光微构造硅表面的动力学与热力学模型；研究不同退火工艺条件对黑硅材料微纳结构、形貌、掺杂浓度以及光电性质的影响规律；利用时间分辨光致发光谱，研究了飞秒激光微构造硅材料的光生载流子动力学过程，分析了其光致发光机理并研究了温度及缺陷对载流子复合过程的影响。同时开展黑硅光电探测器、黑硅锥状微纳结构应用于表面拉曼增强(SERS)衬底、硫掺杂硅纳米颗粒应用于纳米太阳电池等黑硅应用工作，为研制和优化新型微纳结构硅基光电材料与器件提供实验依据和理论指导。