纳米金属银、铜辅助化学刻蚀制绒金刚线切割多晶硅的研究

以金刚线切割多晶硅为原料,研究不同纳米金属催化剂(银、铜)辅助化学刻蚀对纳米结构引入及多晶硅片表面制绒效果的影响。研究结果表明:不同纳米金属物种诱导刻蚀对硅片表面形貌结构的影响巨大,相比于纳米银辅助刻蚀形成的硅纳米线阵列结构而言,纳米铜辅助刻蚀形成的倒金字塔结构在各方面的性能均比较突出,大面积微尺度的倒金字塔阵列结构可以更完美地融合表面低反射率和钝化不佳之间的矛盾,且硅片表面切割纹去除效果明显。当金属铜辅助化学刻蚀制绒15 min时,倒金字塔结构最规则、均匀,且在300~1 100 nm波段范围内,反射率由原片的41.8%降低至5.8%。同时倒金字塔形貌具有优越的减反效果和去除切割纹能力,使得制绒金刚线切割多晶硅片有望用来制备高效率的太阳能电池。     

银铜双原子MACE法制备多晶硅陷光结构及其性能的研究

采用一步银铜双原子金属辅助化学腐蚀(MACE)法,于室温下在多晶硅表面制备纳米陷光结构,研究了腐蚀时间及银铜摩尔比对多晶硅表面反射率和形貌的影响。用分光光度计测量了多晶硅表面的反射率,用扫描电镜观察了表面形貌。发现银铜双原子MACE法所形成的结构比银单原子或铜单原子MACE法所形成的结构更加平整且具有更低的表面反射率室温下经过银铜两种金属原子协同催化腐蚀后,在银铜原子摩尔比低于1/10时多晶硅表面形成了纳米多孔状与槽状结构共存的复合结构,在银铜原子摩尔比高于1/5时多晶硅表面形成密集的纳米线结构。研究结果表明,孔状与槽状的复合结构具有良好的陷光效果,当银铜原子摩尔比为1/10,腐蚀时间为180s时,多晶硅的反射率达到最低,仅为6.23%。     

Ag纳米颗粒等离激元光散射增强对Si刻蚀形貌的影响机制

通过实验与有限元(FDTD)模拟系统研究了不同粒径尺寸的Ag纳米颗粒在P(100)Si表面刻蚀过程中等离激元光散射增强对刻蚀孔形貌的影响。SEM结果表明,刻蚀孔由与粒径尺寸接近的垂直孔演化为一种上大下小的火炬状形貌特征孔,该孔的直径与纳米颗粒尺寸散射半径相仿。模拟不同粒径的Ag纳米颗粒进入刻蚀孔后的光散射特征,证实了Ag纳米颗粒等离激元散射对刻蚀孔初期形成的重要作用。分析表明,基于光照条件下电子-空穴的激发特征,刻蚀孔的形貌主要依赖Ag纳米颗粒等离激元散射的光增强,即通过改变入射光频率以及Ag纳米颗粒粒径可以有效地调控Si表面形貌特征。Ag纳米颗粒等离激元光散射增强技术在Si基太阳能电池、发光二极管(LED)器件等领域有潜在应用前景。     

陷光结构在GaAs薄膜太阳电池中的应用

陷光结构由于其独特的光学特性,在光伏器件中发挥的作用越来越重要。目前硅基太阳电池中陷光结构的应用很常见,然而在GaAs薄膜太阳电池中陷光结构的报道并不多。详细介绍了陷光结构的原理及其在GaAs薄膜电池中的研究现状和应用情况。综述了GaAs薄膜太阳能电池中常用的三类陷光结构:正面陷光结构(包括纳米颗粒、纳米线、纳米锥等)、背面陷光结构(如镜面背反射层)以及混合陷光结构。大量研究表明,陷光结构的使用可以进一步提高GaAs薄膜电池的光电转换效率,一定程度上达到降低电池生产成本的目的。     

凹凸结构纳米多孔氧化硅的制备

采用金属辅助化学反应刻蚀法制备了具有凹凸结构的纳米多孔氧化硅，利用光学显微镜、原子力显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等，研究了刻蚀时间对纳米多孔氧化硅形貌结构的影响。结果表明：刻蚀初期在强氧化性酸的作用下，硅表面形成一层氧化硅薄膜，进一步刻蚀，氧化硅薄膜出现规则的周期性凹凸结构裂纹。最后展望了这种凹凸结构纳米多孔氧化硅的应用前景。     

醋酸铜辅助催化刻蚀制备金刚线切割多晶硅片绒面

金刚线切割多晶硅片表面减反射结构难以制备的问题阻碍着多晶硅光伏的进步。银辅助的酸腐蚀是解决这一问题的较好方法,但银的消耗和废液处理等增加了成本。本研究提出了醋酸铜辅助催化刻蚀金刚线切割多晶硅片方案,考察了刻蚀反应温度和时间对硅片表面形貌的影响,确定了最优的反应温度和时间分别为25℃和5 min。在此条件下,所获得的多晶硅在300～1100 nm波段的平均反射率为15.1%。按照标准太阳电池制备工艺流片后,所获太阳电池的光电转换效率为19.4%。     

等离子体增强原子层沉积Al_2O_3钝化多晶黑硅的研究

黑硅的纳米结构可以大大降低硅表面的入射光反射率,同时由于比表面积的增加使其钝化成为难题,从而影响其太阳电池的性能。等离子体增强原子层沉积(PEALD)法沉积的Al2O3钝化层具有良好的保型性和致密性,适用于黑硅纳米微结构的钝化。本文使用金属辅助化学法制备多晶黑硅,再经低浓度碱溶液处理优化黑硅结构,最后用PEALD沉积了不同厚度的Al2O3钝化层。采用扫描电镜、分光光度计和少子寿命测试仪对黑硅的表面形貌、减反射特性和少子寿命变化进行了分析。结果表明碱溶液处理后黑硅表面结构变得更为平滑,Al2O3钝化的黑硅经退火后少子寿命达到8.96μs,在可见光范围内反射率降低至3.7%,与传统制绒工艺的多晶硅片相比性能有明显提升。     

金刚线切割多晶硅片表面减反射绒面的制备

为解决金刚线切割多晶硅片表面制绒的问题,提出了一种创新的两步腐蚀制备硅表面陷光结构的方法。先以浓硫酸作为添加剂去除表面线痕,然后通过酸雾腐蚀法获得一种微米纳米复合的多孔陷光结构。样品在300～1100nm波长范围内的平均光反射率被降至8.6%,减反射效果优良,少子寿命提升0.6μs以上。此方法具有操作简单,无需复杂设备,成本低等优点,易实现工业化生产。     

金属辅助化学刻蚀法制备硅纳米线的研究进展

硅纳米线(Si NWs)由于具有独特的一维结构、热电导率、光电性质、电化学性能等特点,被广泛应用于热电与传感器件、光电子元器件、太阳能电池、锂离子电池等领域。金属辅助化学刻蚀法(MACE)是制备Si NWs的常用方法之一,具有操作简便、设备简单、成本低廉和高效等优点,可大规模商业化应用,因而近年来被广泛研究。金属辅助化学刻蚀制备硅纳米线的过程可以分为两步:首先在洁净的硅衬底表面沉积一层金属(Ag、Au、Pt等)纳米颗粒,以催化、氧化它附近的硅原子;然后利用HF溶解氧化层,从而对硅晶片进行刻蚀,形成纳米线阵列。然而,这种简单高效的制备硅纳米线的方法存在一些难以控制的缺点:(1)金属纳米颗粒聚集、相连后造成Si NWs之间的缝隙比较大,从而导致Si NWs密度较低;(2)由于金属纳米颗粒沉积的随机性,在硅晶片表面分布不均匀,不仅导致刻蚀出的纳米线直径范围(50～200 nm)较宽,而且使制得的纳米线阵列排列无序且间距不易调控;(3)当刻蚀出的硅纳米线太长时,范德华力等作用会造成纳米线顶端出现严重的团簇现象。针对常规法存在的一些问题以及不同的器件对硅纳米线的形貌、类型和直径等的要求,近年来的研究主要集中在如何减少纳米线顶端团簇、调控纳米表面粗糙度和直径、低成本制备有序硅纳米线等方面。目前一些改进常规金属辅助化学刻蚀的方法取得了进展,比如:(1)用酸溶液或UV/Ozone对硅晶片预处理,在表面形成氧化层,可以使纳米线的均匀性得到改善并增大其密度(从18%提高到38%);(2)使用物理气相沉积法在硅晶片表面沉积一层金属纳米薄膜,然后再刻蚀,这种方法能够减少纳米线顶端团簇和有效调控纳米线直径;(3)利用模板法(聚苯乙烯小球模板、氧化铝模板、二氧化硅模板和光刻胶模板等)可以制备出有序的硅纳米线阵列。本课题组用离子束刻蚀的方法制备了直径范围可以控制在30～90 nm的聚苯乙烯小球模板,为小尺寸有序硅纳米线的制备打下了坚实的基础。本文简要介绍了常规MACE的原理和制备流程,总结了硅晶片的类型、刻蚀溶液的浓度、温度和刻蚀时间等因素对Si NWs形貌、尺度、表面粗糙度、刻蚀方向以及刻蚀速率的影响,用相关的机制解释了H2O2过量时刻蚀路径偏离垂直方向的机理以及刻蚀速率随溶液浓度变化的原因,重点综述了氧化层预处理、物理法沉积贵金属纳米薄膜、退火处理和模板法等改进方法在减少纳米线顶部团簇、改善均匀性、制备有序且直径和间距可控纳米线中的研究进展。     

贵金属纳米颗粒-二维过渡金属硫化物复合纳米结构:制备技术与光电性能综述

过渡金属硫化物是由过渡金属元素和硫族元素构成,结构通式为MX2,其中M和X分别代表过渡金属和硫族元素。与石墨烯类似,过渡金属硫化物也是二维层状材料,层内由共价键键合形成六角网状结构,层间由范德华力相互作用堆积而成。然而,纯的石墨烯的零带隙限制了其在大多数电子和光电子上的应用。相反,已有研究表明,MoS2由块体材料厚度逐渐减小为单层材料时,其能带结构由间接带隙转变为直接带隙。同样,电子输运测试结果表明,二维过渡金属硫化物具有高的载流子迁移率、大的开关比等。但是二维过渡金属硫化物光吸收及光发射强度低,在很大程度上限制了该材料在光电领域的应用。为了突破二维过渡金属硫化物自身光吸收和光发射强度低的局限性,科研工作者将贵金属纳米颗粒独特的等离激元共振效应作为激发泵浦,增强二维过渡金属硫化物的光致发光效率,使贵金属纳米颗粒-二维过渡金属硫化物复合纳米结构展现出独特的光学性能和电学性能,为其在光学、生物、存储、电学以及催化等领域的应用开辟了新的道路。目前,对贵金属纳米颗粒-二维过渡金属硫化物复合纳米结构的研究,主要集中在利用贵金属纳米球、纳米棒、纳米岛、纳米盘、纳米天线、纳米核壳等结构对光进行汇聚,激发贵金属纳米结构中的表面等离激元,再将能量转移给二维过渡金属硫化物,进而在其中产生高强度的光吸收和光发射,对其光学特性产生明显的调制作用,并研究该复合纳米结构的光致发光和光生电流的增强特性。前期报道中主要采用电子束刻蚀、旋涂、浸润等方法来构筑复合纳米结构,但以上方法构筑的复合纳米结构中贵金属纳米颗粒沉积位置不可控,无序的纳米颗粒易在过渡金属硫化物的边缘和缺陷位置沉积,导致基面位置纳米颗粒厚度不均匀,这就在一定程度上限制了该复合纳米结构的应用。另外,当前关于贵金属纳米颗粒的形貌、尺寸、排列方式及间距等结构参数对复合纳米结构光电性能的影响的研究较少。本文综述了几种贵金属纳米颗粒-二维过渡金属硫化物复合纳米结构的构筑方法,并综合对比了不同构筑方法的利弊,评述了其光致发光和光生电流强度的改变,最后结合本课题组的研究工作展望了贵金属纳米颗粒-二维过渡金属硫化物复合纳米结构的发展前景。     

NPC太阳电池的TiO2薄膜结构的研究

采用溶胶凝胶法、粉末涂敷法和磁控溅射法在导电玻璃上制得纳米TiO2薄膜。电子衍射和X射线衍射实验表明该薄膜主要是锐钛矿相结构，透射电子显微镜实验证明了薄膜晶粒为纳米尺度，扫描电子显微镜实验观察了薄膜的表面形貌。分析并讨论了利用以上各种方法制得的纳米TiO2薄膜的结构及其所组成的染料敏化太阳电池的性能。发现由致密TiO2层和多孔TiO2层组成的多层TiO2薄膜组装的太阳电池的性能优于任一种单层TiO2薄膜。     

常压化学气相沉积硅镀膜玻璃结构、表面形貌与光学性能比较研究

本文通过高分辨电镜(HREM)、原子力显微镜(AFM)分析,反射率、透射率测试以及薄膜厚度的测试,研究了常压化学气相沉积法硅镀膜玻璃硅薄膜的结构、表面形貌(颗粒数量、大小和分布)对镀膜玻璃反射率、透射率的影响.研究发现不同的制备工艺(沉积温度和基板走速)对薄膜的平均反射率和平均透过率有很大的影响,通过控制合适的工艺参数可以制得具有纳米颗粒镶嵌结构的复合薄膜.具有此种形貌结构的薄膜能在基本部增大透过率的情况下有效减少薄膜镜面反射,减少光污染.     

快速热解法制备炭包覆纳米金属磁性颗粒(英文)

以简单金属前躯体为原料通过快速热解法制备炭包覆纳米金属磁性颗粒,通过透射电镜、X-射线衍射、热重-示差扫描同步热分析及振动样品磁强计等对产物形貌、结构、成分与磁性能进行表征。结果表明:采用该方法制备的炭包覆纳米金属磁性颗粒形状为近球形颗粒,粒径均一,其中炭包覆镍纳米磁性颗粒的粒径集中在10nm～30nm范围,炭包覆铁纳米磁性颗粒粒径则在50nm～60nm范围;所制炭包覆纳米金属磁性颗粒在室温下具有顺磁性,其磁性能随金属颗粒含量的变化而改变。该方法有望发展成一种工艺简单,可进行连续工业化生产炭包覆纳米金属磁性颗粒的方法。     

银纳米颗粒的制备及其对硅太阳电池性能的影响

通过银镜反应和退火在玻璃衬底和硅太阳电池上制备了不同尺寸的银纳米颗粒。使用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和紫外-可见-近红外分光光度计研究了银纳米颗粒的结构、形貌和光学特性。在AM1.5光照条件下具有银纳米颗粒的晶体硅太阳电池短路电流密度从28.4mA/cm2增加到32.6mA/cm2,电池效率从12.9%增加到14.4%。     

一种制备ZnO纳米颗粒的新方法

提出了一种制备ZnO纳米颗粒的新方法。在金属钠的液氨溶液中还原硝酸锌,所形成的金属Zn自然氧化而制得ZnO颗粒。为了研究表面修饰对产物形貌、粒径和性能的影响,制备了十二烷基磺酸钠（SDS）修饰的ZnO纳米颗粒。采用X射线粉末衍射仪（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR）、热重及差热分析仪（TG-DTA）等手段对产物进行了表征。结果表明采用该方法可制得具有六方纤锌矿结构的ZnO颗粒,未修饰ZnO颗粒团聚较为严重;修饰的ZnO纳米颗粒呈棒状,分散较好。红外和热分析表明SDS修饰在了ZnO纳米颗粒表面。测试了所制备ZnO颗粒的紫外可见吸收（UV-Vis）和光致发光（PL）谱,均出现了ZnO的特征谱带。提出的方法也适用于制备其它金属或氧化物纳米材料。     

高能球磨合成纳米碳包覆α-Al2O3复合粉体

以膨胀石墨和α-Al2O3微粉为原料,采用高能球磨制备了纳米碳包覆的α-Al2O3复合粉体,研究了高能球磨时间和球磨速率对复合粉体物相及形貌的影响。采用X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜和透射电子显微镜对复合粉体的物相、形貌和微观结构进行了表征。结果表明:按膨胀石墨与α-Al2O3质量百分比为1:2,球磨速率为600 r/min,球磨5 h可得到被粒度为20～50 nm碳颗粒包覆的α-Al2O3复合粉体;随着球磨时间延长,石墨(002)晶面特征峰逐渐消失,膨胀石墨中纳米片层会随球磨时间延长不断剥离脱落,并逐渐龟裂成纳米碳颗粒;相同球磨时间下,提高球磨速率可以促进纳米碳颗粒形成,但超过一定速率后纳米碳颗粒粒度不再减少;480 r/min速率球磨5 h未形成纳米碳颗粒包覆复合粉体,600和700 r/min速率球磨5 h后复合粉体形貌基本一致。     

一种新型SiO2/壳聚糖纳米颗粒的制备及吸附性能

以反应性SiO2和壳聚糖为原料,用环氧氯丙烷作交联剂,制得了一种新型的SiO2/壳聚糖纳米颗粒。产品结构经红外光谱(FT-IR)、透射电镜(TEM)和X-射线能谱(EDS)表征;用制备的纳米颗粒对苯酚进行吸附性能测试。结果表明,壳聚糖与反应性SiO2通过环氧氯丙烷桥连为一个高分子聚合物,制得的新型SiO2/壳聚糖纳米颗粒的粒径为100～300nm,比壳聚糖具有更好的苯酚吸附性。     

电催化金属辅助化学刻蚀法制备硅纳米线/多孔硅复合结构

量子限制效应使硅纳米线具有良好的场致发射特性,结合多孔硅的准弹道电子漂移模型可提高场发射器件的性能。传统的金属辅助化学刻蚀法制备硅纳米线的效率较低,本研究在传统方法的基础上引入恒流源,提出电催化金属辅助化学刻蚀法,高效制备了硅纳米线/多孔硅复合结构。在外加30mA恒定电流的条件下,硅纳米线的平均制备速率可达308nm/min,较传统方法提升了173%。研究了AgNO₃浓度、刻蚀时间和刻蚀电流对复合结构形貌的影响规律;测试了采用电催化金属辅助化学刻蚀法制备样品的场发射特性。结果显示样品的阈值场强为10.83 V/μm,当场强为14.16 V/μm时,电流密度为64μA/cm²。     

纳米多孔TiO2厚膜的制备及其汞溴红敏化光电化学性能

采用“粉末刮涂”与“化学分散”相结合的方法制备了用于染料敏化太阳电池光阳极的纳米多孔TiO2厚膜，解决了传统工艺中TiO2浆料难于制备和保存等问题，同时可对膜层微结构进行精确调控．采用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜等表征所得膜层的晶体结构、表面和断面形貌；采用透过光谱考察了涂覆次数、退火温度、汞溴红敏化对TiO2膜光学性质的影响，并以汞溴红敏化TiO2膜为光阳极制作了染料敏化太阳电池原型器件．结果表明，采用以稀硝酸为分散剂、低分子量聚乙二醇为结构调控剂的化学分散技术可以制得满足染料电池要求的TiO2厚膜．所得膜层致密均匀，无孔洞、缺陷以及分层现象，在纳米尺度表现出典型的纳米多孔结构特征．浆料涂覆次数、退火温度、汞溴红吸附对纳米多孔膜层的光学透过率影响显著．采用汞溴红敏化TiO2光阳极制作的染料电池原型器件具有较强的光电响应，经12-15次涂覆、500℃退火工艺制得的膜层显示出较优的电池性能（Voc-430mV，Isc-150-215μA）．     

金属对炭黑转化为洋葱状中空结构纳米碳的影响

研究了炭黑分别在 Fe、Co、Ni 三种金属化合物作用下的催化转化行为, 以期使炭黑质点中不连续的无规则小石墨片层重新组装、构筑成洋葱状中空结构纳米碳. 采用透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、X射线衍射(XRD)和Raman光谱分析表征了炭黑及其催化炭化产物的微观形貌和结构. 结果表明: 尽管三种金属催化剂均可通过溶碳-析出机制形成过渡态碳包覆纳米金属颗粒, 继而构筑成由准球形同心石墨壳层组合的洋葱状中空结构纳米碳, 但三种金属催化剂显示不同的催化效果, 终碳产物的形态和纯度差异较大, 其中以Fe 的催化效果最好.