硅纳米晶薄膜材料的空间粒子辐照及原子氧侵蚀研究

作为清洁的可再生能源，太阳能受到了国内外的广泛关注。纳米多晶硅薄膜材料，由于其原料丰富、无毒、转换效率高且价格相对低廉，成为了最具潜力的太阳能电池材料之一。而太阳能电池在外空间的应用，对纳米多晶硅薄膜在高能粒子辐照、原子氧侵蚀等空间应用环境下的行为研究提出了紧迫要求。本项目力图研究：通过调控镀膜参数，寻找合适的沉积方法，生长出表面具有纳米分立结构的，质地均匀，化程度和晶粒大小可控的硅纳米晶薄膜，并且对生长过程进行追踪观察，并利用相关理论阐释薄膜的沉积和晶化过程。掌握基于气相沉积法制备不同表面纳米结构薄膜的方法，实现对其结构参数的调控。研究所制备薄膜有关光电性能与薄膜本身组织、形貌、结构的关系，在硅纳米晶薄膜体系中建立从结构到性能的关系，从而实现通过制备条件对薄膜性能的有效调控。了解和阐明高能粒子辐照及原子氧侵蚀与对薄膜表面作用的微观机制及损伤机理，并提出可能的防护方法。

本项目在制备高稳定性的非晶硅薄膜的基础上，引入聚苯乙烯小球模板和反应离子刻蚀技术，制备得到具有分立结构的非晶硅薄膜，以达到表面制绒的效果。系统地分析不同薄膜制备条件和分立结构尺寸对硅纳米晶薄膜光吸收性能和光学带隙的影响规律。围绕薄膜在氙离子辐照条件下的结构变化、光学带隙调控和光吸收性能演化，加深对其抗辐照性能及辐照损伤机制的认识，揭示硅基薄膜材料的光吸收性能与微结构及制备条件的关联性，这对于空间能源技术的发展将具有十分重要的意义。为提高光吸收率和光电转换效率，可通过能带结构方法调控硅纳米材料由间接带隙变成直接带隙。我们研究制备出内核直径小于10 nm，且具有直接带隙的核壳结构硅纳米线阵列。在此基础上，系统调控硅纳米线的尺寸和间距，并探索了硅纳米线及异质结构作为场发射材料和气敏材料的性能。