晶体硅太阳电池表面纳米线阵列减反射特性研究

为增强晶体硅太阳电池的光利用率, 提高光电转换效率, 研究了硅纳米线阵列的光学散射性质. 运用严格耦合波理论对硅纳米线阵列在310—1127 nm波段的反射率进行了模拟计算, 用田口方法对硅纳米线阵列的表面传输效率进行了优化. 结果表明, 当硅纳米线阵列的周期为50 nm, 占空比为0.6, 高度约1000 nm时减反射效果最佳; 该结构在上述波段的平均反射率约为2%, 且在较大入射角度范围保持不变. 采用金属催化化学腐蚀法, 于室温、室压条件下在单晶硅表面制备周期为60 nm,占空比为0.53, 高度为500 nm的硅纳米线阵列结构, 其反射率的实验测试结果与计算模拟值相符, 在上述波段的平均反射率为4%—5%, 相对于单晶硅35%左右的反射率, 减反射效果明显. 这种减反射微结构能够在降低太阳电池成本的同时有效减小单晶硅表面的光反射损失, 提高光电转换效率.     

碱溶液修饰硅纳米线阵列绒面

提出用碱溶液修饰硅纳米线阵列制作太阳能绒面的方法。实验中首先采用金属催化化学腐蚀法在Si(100)基底上制备了定向排列的硅纳米线阵列,然后将纳米线阵列浸入碱溶液中进行修饰,修饰时间分别为10,30,50,60,90s。通过扫描电子显微镜(SEM)对硅纳米线阵列进行形貌分析,采用太阳能测试系统附带的积分球测量纳米线阵列绒面结构的反射光谱。通过测量和分析发现硅纳线阵列在碱溶液中修饰30s时表面分布均匀,在400～1000nm波段的综合反射率低于4%。结果表明碱溶液修饰纳米线阵列的方法能够有效分散束状硅纳米线阵列,明显降低绒面的反射率,并且初步分析了碱溶液修饰硅纳米线阵列的分散机理。     

硅纳米线阵列的光学特性

在常温常压条件下,采用改进的金属催化化学腐蚀方法在n型单晶硅片(100)上制备了大面积垂直于硅衬底、直径均匀、排列整齐的硅纳米线阵列。分析了样品的表面形貌和反射谱,纳米线直径为10~50 nm。在腐蚀时间分别为15,30,60 m in时,纳米线长度分别为9,17,34μm。样品的减反射性能优异,在300~1 000nm波段,得到了2.4%的反射率。初步分析了纳米线阵列的减反射机制和不同腐蚀时间样品的反射率差异。     

硅薄膜太阳电池表面纳米线阵列光学设计

陷光结构的优化是增加硅薄膜太阳电池光吸收进而提高其效率的关键技术之一. 以硅纳米线阵列为代表的光子晶体微纳陷光结构具有突破传统陷光结构Yablonovith极限的巨大潜力. 通常硅纳米线阵列可以用作太阳电池的增透减反层、轴向p-n结、径向p-n结. 针对以上三种应用, 本文运用有限时域差分(FDTD)法系统研究了硅纳米线阵列在 300-1100 nm 波段的光学特性. 结果表明, 当硅纳米线作为太阳电池的减反层时, 周期P=300 nm, 高度H=1.5 μm, 填充率(FR)为0.282条件下时, 反射率最低为7.9%. 当硅纳米线作为轴向p-n结电池时, P=500 nm, H=1.5 μm, FR=0.55条件下纳米线阵列的吸收效率高达22.3%. 硅纳米线作为径向p-n结电池时, 其光吸收主要依靠纳米线, 硅纳米线P=300 nm, H=6 μm, FR= 0.349 条件下其吸收效率高达32.4%, 进一步提高其高度吸收效率变化不再明显. 此外, 本文还分析了非周期性硅纳米线阵列的光学性质, 与周期性硅纳米线阵列相比, 直径随机分布和位置随机分布的硅纳米线阵列都可以使吸收效率进一步提高, 相比于周期性硅纳米线阵列, 优化后直径随机分布的硅纳米线阵列吸收效率提高了39%, 吸收效率为27.8%. 本文运用FDTD法对硅纳米线阵列的光学特性进行设计与优化, 为硅纳米线阵列在太阳电池中的应用提供了理论支持.     

光照对HF/Fe(NO3)3溶液中制备硅纳米线的作用研究

以不同掺杂浓度的单晶n型硅为衬底、金属银为催化剂、硝酸铁作为氧化剂制备硅纳米线, 系统研究了光照对不同硝酸铁浓度条件下用化学腐蚀法制备硅纳米线的作用. 研究发现, 不同掺杂浓度的硅衬底, 光照对硅纳米线长度的影响明显不同. 通过对比硅纳米线的长度, 发现光照对硅纳米线的形成兼具促进和溶解作用, 并分别从能带结构、电化学表征和光致发光等方面对这两种作用的形成机理进行了深入讨论.     

金催化的硅纳米线的可控制备及光学特性研究

硅纳米线是新型一维半导体纳米材料的典型代表。利用阳极氧化铝薄膜为模版复制出具有有序纳米结构的金膜,在金的催化辅助下对单晶硅进行湿法刻蚀,得到尺寸、形状、分布可控的硅纳米线阵列,并对其光学特性进行了研究。研究结果表明,金代替银作为催化剂,可以有效地抑制二次刻蚀,金的化学性质相对于银更加稳定,克服了银膜在较高的温度或较长刻蚀时间下产生的结构性破坏,得到形貌规整、尺寸可控的硅纳米线阵列。对该阵列在400 nm~1 200 nm波段的反射率、透过率进行了测试,并对比分析了金模板催化与传统方法机理的异同。测试结果表明,相较于传统金属辅助化学刻蚀法,文中提出的金模板催化法制备的硅纳米线阵列尺寸及分布更加均匀可控,在宽光谱范围内的抗反射性得到了显著提高。     

氧化锌纳米线耦合硅金字塔微纳复合结构的制备及其自清洁特性研究

光伏器件粉尘堆积伴随的遮光效应极其严重,可导致太阳能电池的光电转换效率降低一半以上,这是任何其他提高光伏器件性能的高新技术所不能弥补的.本文根据Cassie-Baxter理论构建出一种基于光伏器件应用的超疏水自清洁微纳复合结构,即氧化锌纳米线耦合硅金字塔.通过调控硅金字塔的尺寸和均匀性,使其尺寸效应不被遮盖以符合存在微米构型的疏水要求,同时尽量不破坏硅光伏器件绒面的减反性能.本文采用水热法在金字塔表面生长氧化锌纳米线的方案,通过系统的实验设计,首次成功地制备了符合光伏器件应用的接触角高达154?,且接触角滞后小于10?的超疏水自清洁微纳复合结构.此外,我们不仅发现硅金字塔的刻蚀存在"高温促进硅金字塔刻蚀"的温度效应和硅金字塔顶部有"圆润-方正-圆润"的时间效应,还从物理上对高温促进刻蚀、晶体的各向异性刻蚀导致的硅金字塔和我们所制备的氧化锌纳米线耦合硅金字塔复合结构的陷光效应等进行了比较充分的分析.     

一种新方法制备硅/聚(3, 4-乙撑二氧噻吩)核/壳纳米线阵列杂化太阳能电池

采用气相聚合法制备了有机/无机杂化的硅/聚3, 4-乙撑二氧噻吩核/壳纳米线阵列(SiNWs/PEDOT)太阳能电池. 相对平面结构Si/PEDOT太阳能电池, SiNWs/PEDOT太阳能电池的能量转换效率提升了7倍, 达到3.23%.对比分析反射光谱、I-V曲线及外量子效率的实验结果, 发现SiNWs/PEDOT太阳能电池性能改进的主要原因可归结为: 气相聚合法能够有效地制备出SiNWs/PEDOT电池的核/壳纳米线阵列结构, 使得器件具有高光捕获、高比结面积和高电荷收集效率. 关键词： Si/PEDOT核/壳纳米线结构 太阳能电池 气相聚合     

第一性原理研究[112]硅锗异质结纳米线的电子结构与光学性质

基于密度泛函理论体系下的广义梯度近似,本文利用第一性原理方法着重研究了[112]晶向硅锗异质结纳米线的电子结构与光学性质.能带结构计算表明:随着锗原子数的增加,[112]晶向硅锗纳米线的带隙逐渐减小;对Si_(36)Ge_(24)H_(32)纳米线施加单轴应变,其能量带隙随拉应变的增加而单调减小.光学性质计算则表明:随着锗原子数的增加,[112]硅锗纳米线介电函数的峰位和吸收谱的吸收边均向低能量区移动;而随着拉应变的增大,吸收系数峰值呈现出逐渐减小的趋势,且峰位不断向低能量区移动,上述结果说明锗原子数的增加与施加拉应变均导致[112]硅锗纳米线的吸收谱产生红移.本文的研究为硅锗异质结纳米线光电器件研究与设计提供一定的理论参考.     

树形结构Si/ZnO纳米线阵列的制备及光学性能

用一种低成本的方法制备出了树形结构Si/ZnO纳米线阵列。首先在室温条件下用金属辅助化学腐蚀法在Si(100)衬底上制备了Si纳米线阵列,Si纳米线的直径尺寸及分布都很均匀,通过改变腐蚀时间,能够得到高度不同的Si纳米线阵列。利用磁控溅射在Si纳米线表面制备一层ZnO薄膜,然后利用水热法在Si纳米线阵列上生长了ZnO纳米线。通过扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)和光致发光(PL)测试对样品进行了表征。通过这种方法制备的Si/ZnO复合结构在太阳能电池、光催化等领域有潜在应用价值。     

碱液修饰对硅纳米线阵列电池光谱响应的影响

采用金属催化化学腐蚀法在p型(100)硅基底上制备了硅纳米阵列,然后用碱溶液对纳米线阵列进行修饰。分别研究了碱液修饰对硅纳米线阵列形貌、光电性质的影响。研究表明: 与绒面及纳米线阵列相比,碱修饰30 s硅纳米线阵列的表面分散均匀,反射率降低;光谱响应度显著提高,并且出现最大量子效率对应波长红移现象。最后,详细讨论了碱液修饰硅纳米线阵列电池对光谱响应的影响机制。     

硅(001)图形衬底上锗硅纳米线的定位生长

纳米线的定位生长是实现纳米线量子器件寻址和集成的前提.结合自上而下的纳米加工和自下而上的自组装技术,通过分子束外延生长方法,在具有周期性凹槽结构的硅(001)图形衬底上首先低温生长硅锗薄膜然后升温退火,实现了有序锗硅纳米线在凹槽中的定位生长,锗硅纳米线的表面晶面为(105)晶面.详细研究了退火温度、硅锗的比例及图形周期对纳米线形成与否,以及纳米线尺寸的影响.     

具有高光开关比和高响应度的单根In2O3纳米线紫外光电晶体管

In_2O_3纳米线由于其独特性质而成为紫外光电探测器的潜力候选者,目前,In_2O_3纳米线基紫外光电探测器已被广泛研究,但较大的暗电流限制了其进一步应用。本文制备了In_2O_3纳米线紫外光电晶体管,通过背栅电压的调制作用,器件中的暗电流几乎被全部耗尽,同时,由于光照下的阈值偏移,栅压对光电流的影响较小。最终得到具有高光开关比(1.07×10~8)和高响应度(5.58×10~7 A/W)的单根In_2O_3纳米线紫外光电晶体管,性能明显优于之前报道的In_2O_3纳米结构光电探测器。本工作促进了In_2O_3纳米线在下一代纳米光电子器件和集成电路中的应用。     

碳纳米管包裹的硅纳米线复合结构的热稳定性研究

采用经典分子动力学方法模拟一定直径[111]晶向的硅纳米线填充不同扶手椅型单壁碳纳米管复合结构的加热过程, 通过可视化和能量分析的方法判断复合结构中硅纳米线和碳纳米管的热稳定性. 通过讨论碳纳米管的空间限制作用和分子间相互作用力的关系, 对碳纳米管和硅纳米线的热稳定性变化进行初步解释. 研究发现碳纳米管中硅纳米线的热稳定性和碳纳米管的直径关系密切: 当管径较小时, 硅纳米线的热稳定性有所提高, 当管径增大到一定大小时, 硅纳米线的热稳定性会突然显著地下降, 直到硅纳米线与管壁不存在分子间相互作用力, 硅纳米线的热稳定性才会恢复. 而硅纳米线填充到碳纳米管中对碳纳米管的热稳定性有着明显的降低作用.     

X射线光电子能谱法研究硅纳米线的能带结构

制备了氧辅助热分解法,以一氧化硅为原料,以氩气为载气,维持管内压强为1000Pa,在高温炉中于1250℃下反应5 h后得到硅纳米线。硅纳米线经5%氢氟酸水溶液处理5 min后,与1×10-3 mol·L-1的氯化金溶液中反应5 min,在硅纳米线的表面上修饰了金纳米粒子,用X射线粉末衍射表征了产物的结构,同时观察到单质硅和金的XRD图谱;用电子扫描和透射显微镜观察了产物的形貌,表明氧辅助方法可制得大量均匀的硅纳米线,修饰在硅纳米线上的金纳米点形状整齐,尺寸均匀,平均直径约8 nm;并用X射线光电子能谱分析了修饰过程中能带结构的变化。结果表明,金纳米粒子表面带负电,它在施主能级和受主能级上都有电子存在;由于氧杂质的存在,硅纳米线的费米能级移向价带顶。     

分子动力学研究表面缺陷对硅纳米线杨氏模量的影响

硅纳米线因受量子尺寸效应与表面效应的影响而具有奇特的力、电及其耦合特性,成为了纳米电子器件的核心构件.然而在硅纳米线的制备过程中,表面产生缺陷不可避免.因此本文采用分子动力学方法着重研究了表面缺陷浓度对不同横截面形状(正方形、六角形和三角形)的[110]晶向和[111]晶向硅纳米线杨氏模量的影响.研究结果表明,当硅纳米线仅有单一表面缺陷时,不同晶向硅纳米线的杨氏模量均随表面缺陷浓度增加而迅速单调减小.当表面缺陷浓度为10%时,杨氏模量的减小幅度在10%-20%之间,减小幅度的差异与硅纳米线的晶向以及横截面形状密切相关.当存在多个表面缺陷时,杨氏模量随着缺陷浓度的增加表现出了不同程度的波动趋势.三角形截面硅纳米线的杨氏模量波动幅度最大,正方形截面的波动较小,即表面缺陷分布的不同对正方形截面硅纳米线的杨氏模量影响较小,这表明表面缺陷的影响与其分布及硅纳米线的横截面形状密切相关.通过与实验结果对比,本文的研究结果揭示了表面缺陷是导致硅纳米线杨氏模量实验值变小的重要因素,因此在表征硅纳米线的力学性能时,需要考虑表面缺陷的影响.     

大规模制备Ni80Fe20纳米线阵列及其磁学特性研究

利用电化学沉积方法在高度有序纳米孔氧化铝模板中大规模制备了Ni80 Fe20纳米线阵列.该方法得到的Ni80Fe20纳米线产率高(约1012-1013/cm2),而且这些纳米线阵列具有(111)择优生长取向和很高的纵横比.与体材料相比,这些Ni80Fe20纳米线阵列具有更高的矫顽力和较大的剩磁比等性能,在微型磁性元件领域将具有广泛应用前景.     

磁场对模板法制备的Co纳米线结构和磁性的影响

在用二次氧化法制备的高度有序的氧化铝模板上通过交流电化学方法制备了Co纳米线阵列．研究了外加磁场及电解液pH值对纳米线生长的影响．在pH值为6.0和6.5的电解液中分别在不加磁场和沿纳米线轴向施加0.3 T磁场情况下制备了hcp结构的Co纳米线阵列．实验数据表明,沉积时外加磁场和调节pH值能有效影响纳米线中hcp结构的Co晶粒的易磁化轴沿纳米线长轴方向生长．由于晶粒的磁晶各向异性和纳米线沿长度方向的宏观形状各向异性叠加,制备的Co纳米线阵列具有高垂直各向异性,高矫顽力和较高矩形比． 关键词： Co纳米线阵列 织构 磁性     

硅表面抗反射纳米周期阵列结构的纳米压印制备与性能研究

硅表面固有的菲涅耳反射, 使得硅基半导体光电器件(如太阳能电池、红外探测器)表面有30%以上的入射光因反射而损失掉, 严重影响着器件的光电转换效率. 寻找一种方法降低硅基表面的反射率, 进而提高器件的效率成为近年来研究的重点.本文基于纳米压印光刻技术, 在2 英寸单晶硅表面制备出周期530 nm, 高240 nm的二维六角截顶抛面纳米柱阵列结构. 反射率的测试表明, 当入射光角度为8° 时, 有纳米结构的硅片相对于无纳米 结构的硅片来讲, 在400到2500 nm波长范围内的反射率有很明显的降低, 其中, 800到2000 nm波段的反射率都小于10%, 在波长1360 nm附近的反射率由31%降低为零. 结合等效介质理论和严格耦合波理论对结果进行了分析和验证. 关键词： 纳米压印 截顶抛物面阵列 抗反射 等效介质理论     

硅纳米线/氧化钒纳米棒复合材料的制备与气敏性能研究

采用纳米球光刻和金属辅助刻蚀法以p型单晶硅片制备了硅纳米线阵列, 并以此作为基底, 通过溅射不同时长的金属钒薄膜并进行热退火氧化处理, 制备出硅纳米线/氧化钒纳米棒复合材料. 采用扫描电子显微镜和X射线衍射仪表征了该复合材料的微观特性, 结果表明该结构增大了材料的比表面积, 有利于气体传感, 并且镀膜时间对后续生长的氧化钒纳米棒形貌有明显影响. 采用静态配气法在室温下测试了该复合材料对NO₂的气敏性能, 气敏测试结果表明沉积钒膜的时间对复合材料的气敏性能影响较大. 当选择合适的镀膜时间时, 适量氧化钒纳米棒增加了材料表面积并形成大量pn结结构, 相比纯硅纳米线对NO₂气体的灵敏度有明显提升, 且在室温下表现出优良的选择性. 同时, 对气敏机理做了定性解释, 认为硅纳米线与氧化钒纳米棒之间形成的pn结及能带结构在接触NO₂ 时的动态变化是其气敏响应提升的主要机制.