硅光伏材料内部纳米结构的制造及其吸收频谱的调控

扩展硅材料对太阳光吸收的频谱范围是提高硅太阳能电池光电转换效率的重要途径之一，用飞秒激光诱导的硅基表面微纳结构已被应用于广谱吸收光伏材料的研制。本项目研究利用飞秒激光在硅光伏材料内部制备纳米结构的关键技术，通过在硅基内部制备纳米结构扩展硅材料对太阳光吸收的频谱范围，从而提高太阳光能的利用率。研究内容包括：研究用飞秒激光在硅基内部诱导纳米结构形成的动力学过程及机理；研究飞秒激光诱导纳米结构形状与尺度的控制方法和机制；通过在不同气氛、温度、热退火等方法，提高纳米结构硅材料的载流子迁移率；通过改变纳米结构形状与尺度调控纳米结构的禁带宽度及其吸收光谱特性，为实现具有广谱吸收新机制的高效硅太阳能电池奠定理论和实验基础；研究用飞秒激光在硅基表面制备具有减反特性的陷光微结构；探索飞秒激光多光束并行加工法在硅基内部制备纳米结构的关键技术，提高飞秒激光微纳加工的效率。

本项目开展了利用飞秒激光微纳加工技术在硅基上制备微纳结构、高纵横比狭槽和微透镜阵列研究。在硅基微纳结构的制备方面，利用飞秒激光辅助掺杂方法，制备了含有硫系元素碲的硅表面尖峰微纳结构，实现了对硅材料吸收光谱的有效调控；在硅基狭槽和微透镜阵列的制备方面，提出了化学腐蚀辅助飞秒激光加工硅材料的新方法，制备了高纵横比的全硅基狭槽和微透镜阵列。主要研究内容如下：利用飞秒激光辅助掺杂方法，在单晶硅表面制备了准规则排列的尖峰结构并在其中掺入对红外吸收有贡献的硫系元素碲，有效地拓展了硅材料的红外吸收光谱，通过改变加工条件和处理工艺实现了对其吸收光谱的有效调控。对其光谱测试结果表明，在可见和近红外区域，材料的吸收率分别达到了90%和80%，其吸收增强主要起因于杂质能级调节效应和表面微纳结构的光减反效应的联合贡献。我们还研究了处理工艺（如热退火、HF腐蚀等）和激光辐照条件（Te膜厚度、激光能量和扫描间隔等）对硅材料吸收率的影响。提出了化学腐蚀辅助飞秒激光加工硅材料的新方法。首先利用飞秒激光在硅基上诱导产生材料结构变化，然后利用氢氟酸溶液选择性腐蚀去除结构变化部分从而制备全硅基狭槽和微透镜阵列。我们利用此方法在空气环境中制备了纵横比达44的全硅基狭槽。研究了硅基狭槽的形成机理，以及物镜数值孔径、激光功率和扫描速率等激光加工条件对狭槽纵横比的调控关系。我们还利用这种化学腐蚀辅助飞秒激光加工方法制备了全硅平凹微透镜阵列。利用飞秒激光加工法首先在硅表面制备出微孔，然后通过混合酸溶液腐蚀使微孔扩展和平滑形成凹面微透镜。分别在水环境和空气环境中，利用飞秒激光在硅基深表面制备出纵横比分别达30和25的狭槽。狭槽形貌和化学成分测试的结果表明，在水环境中制备的狭槽的质量优于空气中制备的狭槽。在狭槽形貌方面，在水中制备的狭槽槽壁比在空气中制备的狭槽槽壁光滑；在化学成分方面，在水中制备的狭槽，其侧壁为全硅，而在空气中制备的狭槽，其侧壁主要成分包含硅和氧。在飞秒激光诱导硅和碳化硅亚波长尺度表面波纹结构研究中，首次观察到伴随产生的深亚波长尺度准周期纳米孔结构新现象，这种纳米孔起因于飞秒激光诱导波纹结构过程中伴随产生的“通道等离子激元”。