论文部分内容阅读
硅纳米线(Silicon Nanowires, SiNWs)由于其独特的光学、电学和热学等性质最近引起了广泛的关注。尤其在光伏应用方面SiNWs阵列被认为是很有希望实现高效电池的纳米结构器件。本论文主要集中在:(1)利用金属辅助的化学刻蚀(Metal-Assisted Chemical Etching, MACE)的方法制备生长可控、表面光滑的SiNWs阵列;(2)通过实验和利用严格耦合波分析(Rigorous Coupled-Wave Analysis, RCWA)的方法对我们生长的SiNWs阵列进行实验和数值的光学性质的研究。同时,通过RCWA模拟我们进一步研究了硅/氢化非晶硅(a-Si:H)核壳结构的纳米线(CSNW)阵列的光学性质。目前,通过MACE方法生长的SiNWs阵列中,极大的表面粗糙仍然是一个亟待解决的问题,因为粗糙表面能够引起高的表面复合速率从而严重限制纳米线光伏器件的性能。在这篇文章中,我们首次展现了通过MACE方法实现表面光滑的SiNWs阵列。我们发现利用MACE合成高质量的SiNWs阵列的关键之处是理解双氧水(H2O2)在其中所起的作用。我们在不同的H2O2浓度下研究了SiNWs的生长并利用透射电子显微镜(Transmission electron microscopy, TEM)和光致发光的手段观察到H2O2不仅起到了氧化剂的作用,而且会溶解金属纳米颗粒(我们实验中使用的是银纳米颗粒)来维持一定浓度的自由银离子。而自由银离子的存在对于光滑表面SiNWs的形成发挥了关键的作用。这就意味着在SiNWs中的表面平整度可以简单地通过H2O2的浓度来调节,同时SiNWs的长度则可以通过刻蚀时间来控制。我们同时也提出了一个在MACE方法中硅片刻蚀的合理的机理。我们的生长结果清楚地证明了大尺寸的表面光滑的SiNWs阵列可以成功地利用MACE方法实现。这将为低成本的以SiNWs为基础的光伏器件的制备提供了极大的机会。我们同时在实验和数值上对SiNWs阵列的光学性质进行了研究并计算评估了其在光伏应用中的表现。实验证明生长的SiNWs阵列的光谱反射强度可以在很大的范围内(300-1000nm)得到明显的降低(<1%)。同时,在我们建立的捆状模型中,我们利用RCWA方法计算了SiNWs阵列的反射并发现计算结果和实验数据得到很好的符合。进一步通过对SiNWs阵列的光吸收和光电流的计算,我们发现与相同体积材料的硅薄膜相比,SiNWs阵列可以实现最高达425%的光电流增强——这意味着制备的SiNWs阵列可以实现有效的光陷和增强光吸收。同样,我们实验和理论计算表明制备的SiNWs表现出很宽的入射角度和极化无关的减反特性。在SiNWs中强的光陷效应和全方向减反特性结合光滑的表面可以作为一个有力的工具来开发高效的基于硅纳米线的太阳电池。最后,通过RCWA模拟我们进一步数值分析了Si/a-Si:H CSNW阵列的光学性质,发现CSNW阵列与单独的SiNW阵列或硅薄膜相比能进一步增强光吸收和光电流。同时我们指出这种吸收增强主要是由于a-Si:H高的吸收系数而导致的纳米线中的漏模共振吸收峰被放大。最后,我们得出了Si/a-Si:H CSNW阵列光吸收的优化结构参数(材料填充率f=0.5,纳米线阵列周期p=~600nm),这可以作为设计CSNW太阳电池的有意义指导。以上研究得到了科技部重大研究计划课题(2010CB933702)和国家自然科学基金重点项目(10734020)和(11074169)的资助。特此感谢!