硅微纳结构及其在新型太阳电池中的应用

综述了近年来各种硅微纳结构的特征和制备技术,介绍了其在新型太阳电池中的应用现状与前景.首先,阐述了硅微纳结构在传统p-n结、新型径向p-n结以及异质结太阳电池结构设计中的研究进展;其次,从光吸收增强、表面修饰及钝化的角度,分析了硅微纳结构太阳电池的增效措施;最后,提出了柔性硅微纳结构太阳电池开发的新思路.     

基于微纳结构的硅基高速探测器研究进展

传统平面入射型硅基探测器由于近红外吸收系数低,存在响应速度和探测效率的冲突,被认为不适用于短距离光纤通信领域。微纳结构可有效提高等效光程,使入射光被吸收层充分吸收,提高光电器件的量子效率,广泛应用于太阳电池、近红外增强探测器等领域。近期,研究者基于陷光微结构,实现了数据传输速率达20Gb/s以上、与CMOS工艺兼容的硅基高速探测器,展现出了广阔的发展前景。文章对微纳结构的优化设计、制备方法、基于微纳结构的硅基高速探测器的研究进展进行了综述和分析。     

硅基太阳电池的表面纳米织构及制备

综述了用于硅基太阳电池高效陷光的四种表面纳米织构,即金属纳米颗粒、纳米线、纳米锥和纳米孔。相对于其他三种表面纳米织构,纳米孔具有更好的结构特性和陷光能力。详细介绍了各种表面纳米织构的制备方法,如金属薄膜退火、金属诱导化学腐蚀、干法刻蚀、深紫外光刻和纳米球光刻等。通过表面纳米织构提高效率是太阳电池领域的重点研究内容。表面纳米织构以其优异的光电特性,将在未来高效光伏器件中得到重要应用。     

硅基微纳光电子系统中光源的研究现状及发展趋势

综合微电子学及微纳光学的优势,硅基微纳光电子学正在快速走向实用阶段.与微电子制造技术兼容的微纳光子器件,包括调制器、探测器、分束器以及耦合器等均取得了重要的突破.但硅基微纳光源的研究则仍处在探索阶段.外部光源在多大程度上能代替片上光源?片上光源的最佳选择是什么?介绍、分析了目前硅基微纳光源的研究现状及进展,并对片上光源的研究趋势进行展望.     

刻蚀辅助激光灰度改性技术制备硅基三维微结构

硅基三维微纳结构在红外成像与探测方面具有重要的应用价值。然而,受加工技术的限制,硅基复杂面型三维微纳结构的制备仍然是一个难题。本文提出了利用刻蚀辅助激光灰度改性技术制备硅基三维微纳结构。利用激光改性制备的硅的氧化层作为刻蚀掩膜,经过刻蚀实现灰度图形向衬底的转移。研究发现,氧化层的抗刻蚀能力可以通过激光加工参数进行调控,例如,激光功率和扫描间距。通过编程化设计的局部调控的抗刻蚀氧化层图形,刻蚀后实现了台阶状、斜面及曲面复杂三维微结构的可控制备。另外,验证了该技术在特殊面型硅基微光学器件制备中的可行性。     

高深宽比硅基微纳结构制造方法及其应用

三维高深宽比硅基结构是基于微纳制造技术的功能载体或执行机构。其由于小尺寸特征而获得特殊的微纳效应,具有灵敏度高、分辨率高、噪声低、位移量小等特点,在光电、生物、微能源和集成互连等技术领域具有广泛应用前景。主要分析了高深宽比硅基微纳结构的种类及特点;系统综述了该结构的制造方法及国内外研究现状;详细描述了不同外形特征结构的应用领域;从工艺标准、建模仿真、批量生产等方面讨论了高深宽比硅基微纳结构制造存在的技术瓶颈问题,并对高深宽比硅基微纳结构的可靠制造与发展趋势进行了展望。     

贵金属纳米颗粒催化刻蚀硅表面微纳结构现状北大核心

简述了目前一些贵金属纳米颗粒催化刻蚀Si表面微纳结构的研究工作,并叙述了催化刻蚀反应的主要过程。在系统介绍催化刻蚀化学反应机理的基础上,对催化刻蚀的阴极、阳极反应进行了细致的探讨。根据不同的阳极和阴极反应方程式,讨论了不同的中间产物以及不同中间产物在反应中的作用机理。然后介绍了贵金属纳米颗粒的物理法和化学法两种制备方法。结合目前国内外研究进展,讨论了贵金属纳米颗粒种类、尺寸以及溶液成分比例对硅表面微纳结构的影响。最后对贵金属纳米颗粒催化刻蚀硅表面微纳陷光结构的未来前景进行了展望。     

硅基超疏水跨尺度微纳结构的制备北大核心

提出了一种可行的制备超疏水跨尺度微纳结构的方法,该方法基于衍射干涉光刻技术,制备出拥有跨尺度的光刻胶结构阵列。建立衍射干涉光刻模型,采用严格耦合波分析(RCWA)方法对衍射干涉形成的光强分布进行理论分析;通过衍射干涉光刻技术制备出跨尺度微纳光刻胶阵列。最后用ICP-Bosch干法刻蚀工艺,将跨尺度光刻胶结构转移到硅基底上,制备出高深宽比硅管状结构,其顶部是跨尺度微纳锥形结构,利用接触角测量仪对制备的样品表面的浸润性能进行了测试,测试结果表明该跨尺度微纳结构达到超疏水性能。     

硅基微纳光电子器件的研究

由于硅基加工工艺目前发展较为成熟、硅基光电子元件的制造成本相对较低且具有较理想的光电混合继承性能,所以硅基光电子元件现阶段在光纤通信方面的应用较为普遍,特别是其向微纳米机电系统的深化,使其应用的空间更加广阔,在此背景下,本文以目前较为成功的几个关键硅基微纳光电子器件为例,针对硅基徽纳光电子器件展开研究,为对其更加全面的认识做出努力.     

聚光太阳电池及其研究进展

介绍了聚光太阳电池的电特性和热特性;综述了聚光硅太阳电池的特点和研究进展,包括背结聚光硅电池、激光刻槽埋栅聚光硅电池和其他具有传统n+/p/p+结构的聚光硅电池;总结了聚光多结太阳电池的研究现状、效率的损失机理以及实现超高效电池的途径.从目前的研究进展可以看出,研发新结构、超高效的聚光太阳电池以降低光伏发电成本的前景一片光明.     

单晶硅各向异性湿法刻蚀的研究进展

单晶硅各向异性湿法刻蚀是制作硅基微电子机械系统(MEMS)器件的重要步骤之一,由于具有刻蚀均匀性好、批量大、成本低的优点而深受关注。首先回顾了单晶硅各向异性湿法刻蚀的刻蚀机理,比较了三种常用各向异性刻蚀液的刻蚀性质,讨论了刻蚀形状的控制技术。然后着重介绍了表面活性剂修饰的单晶硅各向异性湿法刻蚀速率和刻蚀表面光滑度等特性,以及面向MEMS应用的基于该刻蚀技术的各种微纳新结构;分析了表面活性剂分子在刻蚀过程中的作用,强调了表面活性剂分子在单晶硅表面的吸附性对改变刻蚀表面的物理性质的重要性。最后在此基础上,归纳了单晶硅各向异性湿法刻蚀的发展情况,探讨了其未来的发展方向。     

纳米岛光刻技术及其应用

介绍了一种基于微加工技术的新方法——纳米岛光刻技术。利用该技术制造出几十纳米到微米尺度的岛结构，然后利用剥离、刻蚀等微加工技术，将该岛转化成纳米孔、纳米岛、纳米井等结构。该技术的特点是能够制造出具有各种密度的纳米结构(最高覆盖率可达50％以上)，且开发成本低，工艺性能优越，是一种有效制造纳米岛结构的专业方法。     

Nano‐cones on micro‐pyramids: modulated surface textures for maximal spectral response and high‐efficiency solar cells

The front‐side reflection represents a significant optical loss in solar cells. One way to minimize this optical loss is to nano‐texture the front surface. Although nano‐textured surfaces have shown a broad‐band anti‐reflective effect, their light scattering and surface passivation properties are found to be generally worse than those of standard micro‐textured surfaces. To overcome these setbacks in crystalline silicon solar cells, advanced texturing and passivation approaches are here presented. In the first approach, we propose a modulated surface texture by superimposing nano‐cones on micro‐pyramidal surface texture. This advanced texture applied at the front side of crystalline silicon wafers completely suppresses the reflection in a broad wavelength range from 300 nm up to 1000 nm and efficiently scatters light up to 1200 nm. In the second approach, we show a method to minimize recombination at nano‐textured surfaces by using defect‐removal etching followed by dry thermal oxidation. These two approaches are applied here in an interdigitated back‐contacted crystalline silicon solar cell and result in decoupling of the interplay between the mechanisms behind short‐circuit current density and open‐circuit voltage. The device exhibits a conversion efficiency equal to 19.8%, record external quantum efficiency (78%) at short wavelengths (300 nm), and electrical performance equal to the performance of the reference interdigitated back‐contacted device based on front‐side micro‐pyramids. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

Characterization of laser carved micro channel polycrystalline silicon solar cell

In this study the efficiency of polycrystalline silicon solar cells was increased carving micro channel structures using a laser. In research to date, micro channel structures on the surface of polycrystalline silicon solar cells have been manufactured and studied. In an experiment polycrystalline silicon solar cell with micro channel structures on the surface demonstrated an increase in efficiency of 0.23-1.50%, as the radius of the micro channel structures varied from 15 μm to 35 μm. Micro channels also improved the Fill Factor of polycrystalline silicon solar cells. However, the efficiency started to decrease when the radius of the micro channel structures was greater than 40 μm. Detailed features of the variation in current voltage of polycrystalline silicon solar cells with micro channels are discussed.     

Efficient light trapping in silicon solar cells by ultrafast‐laser‐induced self‐assembled micro/nano structures

A novel ultrafast laser processing technique is used to create self‐assembled micro/nano structures on a silicon surface for efficient light trapping. Under appropriate experimental conditions, light reflection (including scattering) of the Si surface has been reduced to less than 3% for the entire solar spectrum and the material appears completely black to the naked eye. A post‐chemical cleaning is applied to remove laser‐redeposited material and induced defects. Optical, morphological, and structural characterizations have been carried out on as‐laser‐treated and post‐chemically cleaned surfaces. Finally, we report for the first time the total efficiency of over 14% and high external quantum efficiency (EQE) results on photovoltaic devices fabricated on the ultrafast‐laser‐induced micro/nano structured silicon wafer, which can be further improved upon process optimization. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

黑硅制备及应用进展

黑硅作为一种新型低反射率的硅材料,有良好的广谱吸收特性,在光电领域将有很好的应用前景.概括地介绍了黑硅的各种制备方法(飞秒激光扫描、化学腐蚀法和等离子体处理),以及黑硅在太阳能电池、光电二极管、场发射、太赫兹发射等领域的应用.     

聚焦离子束致形变微纳加工研究进展

聚焦离子束技术（ focused ion beam,FIB）由于其高精度刻蚀、定点加工、实时成像等优势,常用于精密加工、TEM制样等领域。其工作机理通常为：刻蚀、淀积与成像。而基于FIB新的加工手段正在被探索和研究,其中就包括两种聚焦离子束致形变技术,分别为聚焦离子束应力引入致形变技术（ FIB?stress induced deformation,FIB?SID）和聚焦离子束物质再分布致形变技术（ FIB?material?redistribution induced deformation,FIB?MRD）。前者通过控制FIB辐照时离子注入与溅射之间的竞争关系实现悬臂梁的多角度弯曲,后者利用粒子与物质作用时的瑞利不稳定性构建纳米结构,在一定意义上扩充了聚焦离子束的应用范围。运用上述方法可以加工三维微纳螺旋,悬浮光滑纳米弦以及大规模阵列化纳米网孔等多样化微／纳功能构件,在微流控系统,太赫兹通信,光学天线等领域具有很强的应用前景。     

Highly transparent modulated surface textured front electrodes for high‐efficiency multijunction thin‐film silicon solar cells

To further increase the efficiency of multijunction thin‐film silicon (TF‐Si) solar cells, it is crucial for the front electrode to have a good transparency and conduction, to provide efficient light trapping for each subcell, and to ensure a suitable morphology for the growth of high‐quality silicon layers. Here, we present the implementation of highly transparent modulated surface textured (MST) front electrodes as light‐trapping structures in multijunction TF‐Si solar cells. The MST substrates comprise a micro‐textured glass, a thin layer of hydrogenated indium oxide (IOH), and a sub‐micron nano‐textured ZnO layer grown by low‐pressure chemical vapor deposition (LPCVD ZnO). The bilayer IOH/LPCVD ZnO stack guarantees efficient light in‐coupling and light trapping for the top amorphous silicon (a‐Si:H) solar cell while minimizing the parasitic absorption losses. The crater‐shaped micro‐textured glass provides both efficient light trapping in the red and infrared wavelength range and a suitable morphology for the growth of high‐quality nanocrystalline silicon (nc‐Si:H) layers. Thanks to the efficient light trapping for the individual subcells and suitable morphology for the growth of high‐quality silicon layers, multijunction solar cells deposited on MST substrates have a higher efficiency than those on single‐textured state‐of‐the‐art LPCVD ZnO substrates. Efficiencies of 14.8% (initial) and 12.5% (stable) have been achieved for a‐Si:H/nc‐Si:H tandem solar cells with the MST front electrode, surpassing efficiencies obtained on state‐of‐the‐art LPCVD ZnO, thereby highlighting the high potential of MST front electrodes for high‐efficiency multijunction solar cells. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

纳米尺度多晶硅微结构刻蚀研究

以HBr作为刻蚀气体,采用ICP金属刻蚀系统对气体流量、刻蚀压力、离子源功率、偏压功率等工艺参数与刻蚀速率、刻蚀选择比和侧壁垂直度的对应关系进行了大量工艺实验。借助理论分析和工艺条件的优化,开发出一套可满足制备侧壁垂直度的纳米尺度多晶硅密排线结构的优化刻蚀工艺技术。实验结果表明:当采用900 W的离子源功率、11 W的偏压功率、25 cm3/min流量的HBr气体和3 mTorr(1 mTorr=0.133 3 Pa)刻蚀压力的工艺条件时,多晶硅与二氧化硅的刻蚀选择比大于100∶1;在保持离子源功率、偏压功率、气体流量不变的条件下,单纯提高反应腔工艺压力则会大幅提高上述选择比值,同时损失多晶硅和二氧化硅的刻蚀均匀性;HBr气体流量的变化在上述功率及反应腔工艺压力的工艺范围内,对多晶硅与二氧化硅的刻蚀选择比和多晶硅刻蚀的形貌特征均无显著影响。采用上述优化的刻蚀工艺条件,配合纳米电子束光刻技术成功得到多晶硅纳米尺度微结构,其最小线宽为40 nm。