超短激光脉冲对硅表面微构造的研究

在特定的气体氛围下,用一定能量密度的超短脉冲激光连续照射单晶硅片表面,制备出表面具有准规则排列的微米量级锥形尖峰结构的“黑硅”新材料。不同背景气体下的实验表明,激光脉宽和背景气体对表面微构造的形成起着决定性的作用。具体分析了SF6气体氛围中,皮秒和飞秒激光脉冲作用下硅表面微结构的演化过程。虽然两者均可造成硅表面的准规则排列微米量级尖峰结构,但不同脉冲宽度的激光与硅表面相互作用的物理机制并不相同。在皮秒激光脉冲作用下,尖峰结构形成之前硅片表面先熔化;而飞秒激光脉冲作用下尖峰的演化过程中始终没有出现液相。对材料的光辐射吸收的初步研究表明,该材料对1.5~16μm的红外光辐射吸收率不低于80%。     

飞秒激光脉冲能量对SF6气体环境下硅表面尖峰结构形成的影响

介绍了在SF6气体环境下由不同脉冲能量的飞秒激光在硅表面蚀刻出的尖峰结构的变化。其中,硅表面形成的尖峰高度先是随脉冲能量的升高而增加,然而当脉冲能量增加到一定程度时,脉冲能量的继续升高却会导致尖峰高度的降低。尖峰高度在开始阶段的增加是由于激光的消融作用;而过高的能量在前几百个脉冲入射后无法穿透到硅材料深处,聚集在硅表面的能量除了引发最外层的硅材料的飞溅,还使次外层的硅一直处于熔融状态,这种状态阻碍了尖峰结构的形成,即使后继能量顺利导入内部,但由于前一部分脉冲对尖峰结构的形成并无贡献,因此表面的尖峰高度反而有所降低。     

超快激光微构造硅的研究与应用

在特定的气体氛围下,用一定能量密度的超短脉冲激光连续照射单晶硅片表面,或者离子注入在硅中引入硫族元素等方法,可在硅表面得到具有奇特光电性质的微米量级尖锥结构,该微锥结构被称为黑硅。这一新材料有奇特的光电性质,如对0.25～17μm波长的光有强烈的吸收,具有良好的场致发射特性等,为硅提供许多新的功能。Mazur教授预言这种新材料相当于60年前的半导体,在探测器、传感器、显示技术及微电子等领域都有重要的潜在应用价值,尤其在高效太阳能电池领域具有其他材料无可比拟的优越性。本文介绍了超快激光微构造硅的形成机理,研究进展、光电特性以及应用前景。     

银/铜双原子MACE法制备单晶黑硅

本文采用两步Ag/Cu双原子金属辅助化学腐蚀(M ACE)法,在25℃和50℃单晶硅表面制备纳米陷 光结构。实验探讨了刻蚀时间和Ag/Cu原子的摩尔比对制备的黑硅表面结构形貌和反射率的 影响,实验得 到Ag/Cu双原子MACE法制备的的黑硅比Ag单原子和Cu单原子MACE法制备的黑硅具有更好的表 面抗反 射。这是由于Ag/Cu双原子的协同催化腐蚀,使得黑硅表面具有较为均匀分布的横向和竖向 共存的复合孔 洞结构。研究结果表明,纵横交错的复合孔洞结构具有良好的陷光效果,当Ag/Cu原子摩尔 比为1∶5,腐蚀 时间为10 min时,黑硅表面的反射率达到最低,为4%以下。而对于重 掺硅衬底,Ag/C u双原子辅助腐蚀得到的黑硅表面孔洞为均匀规整的倒金字塔结构,其反射率达到2%以下。     

沉积在聚合物表面上的金属薄膜自发形成图案的实验研究

用离子溅射法在聚二甲基硅氧（polydimethylsiloxane,PDMS）表面沉积的金膜因金属与聚合物之间热膨胀系数的差异从而导致了具有正弦界面、微米尺度的波长和振幅的复杂而有序的褶皱图案。用光刘技术在硅片制备图形结构作为模板,通过复制模铸得到表面具有浮雕结构的聚二甲基硅氧烷基片。改变浮雕结构可以调控其上沉积的金膜的褶皱图案呈规则有序的排列。这种多尺度的复合结构将光刘技术、复制模铸和物理自组装等有效结合,可广泛应用于微纳制造领域。     

黑硅光电探测材料与器件研究进展

黑硅作为一种新型光电材料,在光伏太阳能电池、光电探测器、CMOS图像传感器等领域被广泛研究,其中黑硅的光电探测技术备受关注,近些年来也取得了重要的研究进展。本文首先简单介绍了黑硅材料的结构,然后讨论了基于飞秒激光刻蚀法、湿法腐蚀、反应离子刻蚀法等方法制备的黑硅材料的性质。其次概述了基于以上方法制备的不同黑硅光电探测器的结构及性能,并讨论了黑硅器件在不同领域的应用。最后对黑硅光电探测技术进行了分析与展望,探讨了黑硅材料及器件未来的发展方向。     

倒金字塔结构的黑硅PIN光电探测器的研究

由于晶体硅间接带隙的本质,光的吸收系数较低 ,影响了硅基光电探测器的量子效率。倒金字塔结构被证明是能够使得单晶硅片的光吸收效 率接近Yablonovitch limit的有效陷光结构。本论文采用金属催化腐蚀技术在单晶硅上制备具有随机分布的 倒金字塔陷光结构,并将其应用 到PIN光电探测器。结果显示具有倒金字塔结构的黑 硅PIN光电探测器加权平均反射率从20.18%降低至4.77%,探测器的漏电流仅0.9 nA, 光谱响应度达到0.64 A/W,较常规硅探测器提高33%。这些结果表明金属催化腐蚀技 术形成的倒金字塔结果能有效降低器件的表面反射率,从而提高探测器的光谱响应度。     

微孔阵列结构的纳秒激光制备及陷光性能研究

为了制备形状可控、有序阵列的陷光微结构表面,使用纳秒激光器在钛合金(Ti6Al4V)表面加工呈六角形分布的微孔阵列结构,研究了不同激光扫描次数对表面微孔阵列结构形貌和反射率的影响。研究结果表明,随着激光扫描次数的增加,微孔结构表面的反射率逐渐降低,当激光扫描次数增加至40次时,微米级孔洞的直径约为(68±5)μm,孔洞深度约为(175±5)μm,在400 nm～1 000 nm波长范围内微孔阵列结构表面的平均反射率降低至1.3%。纳秒激光制备的微孔阵列结构表面有效增强了钛合金表面的陷光性能,在光学隐身、屏蔽杂散光等领域内具有重要的应用前景。     

德科学家开发出新硅材料 可加工微处理器

德国科学家开发出一种新型硅材料,它可以被用于加工微处理器或其他微型设备。据《新科学家》杂志网站报道,这种新型硅材料被命名为“硅粘扣”。德国伊尔默瑙工业大学的研究人员用“黑硅”制成了这种硅粘扣,“黑硅”是普通硅被强激光束或高能离子轰击后产生的。硅粘扣表面呈精细     

多孔硅负载银纳米颗粒提高硅基MSM光电探测器性能的研究

利用金属辅助刻蚀的方法在单晶硅片表面制备了多孔硅,结果表明多孔硅表面纳米结构的陷光作用在宽光谱范围内大幅提高了硅片的光吸收率。将银纳米颗粒负载到多孔硅表面,研究了其对硅基金属-半导体-金属型光电探测器(MSM-PDs)性能的影响。与基于硅片和多孔硅结构的MSM-PDs相比,基于多孔硅负载银纳米颗粒制备的MSM-PDs在420 nm入射光照射条件下的光暗电导比以及光响应度都有显著提高,这主要得益于表面纳米结构对暗电导的降低及光场中银纳米颗粒的LSPR效应对光电导的提升作用。     

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.     

聚氨酯黑漆的红外激光损伤机理研究

为研究有机漆涂层的激光损伤机理,利用红外连续波激光,开展了真空低温环境下聚氨酯黑漆涂层的激光辐照实验,并进行了扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)分析,结合宏观现象、微观形貌分析对损伤等级进行了划分.结果表明,红外激光对聚氨酯黑漆的作用以热效应为主,损伤在宏观上表现为涂层色泽下降、颜色变化、烧蚀,微观上...     

准分子激光电化学刻蚀硅的刻蚀质量研究

为了解决现有硅刻蚀工艺中存在的刻蚀质量等问题,采用激光加工技术和电化学加工技术相结合的工艺对硅进行了刻蚀,研究了该复合工艺的工艺特性。实验中采用248nm-KrF准分子激光作光源聚焦照射浸在KOH溶液中的阳极n-Si上,实现激光诱导电化学刻蚀。在实验的基础上,研究了激光电化学刻蚀Si的刻蚀孔的基本形貌,并对横向刻蚀和背面冲击等质量问题进行了分析。结果表明,该工艺刻蚀的孔表面质量好、垂直度高;解决了碱液中Si各向异性刻蚀的自停止问题,具有加工大深宽比微结构的能力;也具有不需光刻显影就能进行图形加工的优越性。     

多晶黑硅表面微结构对电池效率的影响

采用Ag离子辅助化学刻蚀法制备了多晶黑硅薄片,使用NaOH溶液处理多晶黑硅表面,增大其表面纳米孔直径,使SiNx薄膜能够均匀覆盖整个黑硅表面,提高黑硅的钝化效果,进而提高多晶黑硅电池光电转化效率.通过反射谱仪、扫描电子显微镜(SEM)、太阳电池测试系统等测试和表征不同扩孔时间对多晶黑硅各方面性能的影响.结果表明:未被NaOH扩孔处理的多晶黑硅的反射率最低,为5.03％,多晶黑硅太阳电池的光电转化效率为16.51％.当多晶黑硅被NaOH腐蚀40 s时,反射率为10.01％,电池的效率为18.00％,比普通多晶硅太阳电池的效率高2.19％,比未被扩孔处理的多晶黑硅太阳电池的效率高1.49％.     

Co‐optimization of emitter profile and metal grid of selective emitter silicon solar cells

Co‐optimization of the metallization and emitter dopant profile is fully investigated for selective emitter crystalline silicon solar cells. The simulation parameters for the laser doping selective emitter, metallization by plating, silicon nitride passivation, and aluminum back surface field are identified and reached. Internal light flux reflection is also considered in the model. In particular, the influence of the increased light trapping ability of a textured surface on the optimization results is clarified by comparing a cell with a non‐textured surface. In this paper, the optimization results, including the electrical performances of a solar cell are discussed in detail. On the basis of these simulation results, an optimized metallization and emitter dopant profile is proposed. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

利用湿法刻蚀的方式制备黑硅

采用一种简便的方法制备出具有很好光吸收性能的黑硅材料,利用化学气象沉积和光刻的方式在硅片（100）表面形成圆形Si3N4掩膜,然后采用两种湿法刻蚀相结合方式来制备黑硅材料。首先采用碱刻蚀的方式对硅片进行各向异性刻蚀,刻蚀完成后在硅片表面形成尖锥形貌;后期利用金纳米颗粒作为催化剂,采用酸刻蚀的方式对硅片表面进行改性,在硅片表面形成多孔结构。这种黑硅材料在250～1000nm波段的光吸收率可以达到95％以上。     

黑硅微结构与光学特性研究

利用无掩模反应离子刻蚀法制备黑硅,研究了黑硅微结构密度和高度对其光学特性的影响.采用场发射扫描电子显微镜和带积分球的紫外-可见-近红外分光光度计分别表征黑硅微结构形貌和光学特性.研究结果表明,黑硅微结构密度增大和高度增加,则黑硅吸收率增大,高度较大的微结构更加有利于增强黑硅近红外光吸收.无掩模反应离子刻蚀法制备的黑硅的吸收率在高温退火过程中保持稳定.