新型表面微結(jié)構(gòu)硅及其在太陽能熱電系統(tǒng)應(yīng)用的研究與探索.pdf

1、在全球傳統(tǒng)能源日益匱乏、生態(tài)環(huán)境日益惡化的今天.開發(fā)和利用可再生能源已經(jīng)是大勢(shì)所趨且刻不容緩。太陽能作為一種“取之不盡，用之不竭”的清潔能源，是人們重點(diǎn)研究和開發(fā)的利用對(duì)象。對(duì)我國而言，加大太陽能的利用規(guī)模，提高太陽能的利用效率，使我國盡快擺脫對(duì)進(jìn)口能源的依賴，是提高我國能源安全，增強(qiáng)我國國際影響力的重要舉措。
　　 太陽能熱電技術(shù)是目前非常有市場(chǎng)的一種利用太陽能來間接發(fā)電的技術(shù)。它能大規(guī)模地收集太陽能，高效率地把太陽能轉(zhuǎn)換成電

2、能，并且便于下一步的電能存儲(chǔ)和傳輸。然而，目前商業(yè)化的太陽能熱電站的總體光電轉(zhuǎn)換效率僅為14％左右。造成這種利用效率較低的最主要原因是集熱器存在表面反射，且目前的抗反射膜技術(shù)僅能部分吸收可見波段的太陽能，從而損失掉了相當(dāng)一部分近紫外、可見和近紅外波段的太陽光能量。太陽能無法高效被熱傳遞介質(zhì)所吸收，從而造成光能--熱能的轉(zhuǎn)換效率較低。
　　 表面微結(jié)構(gòu)硅，俗稱“黑硅”，被譽(yù)為21世紀(jì)“革命性的新材料”。這種材料最大的特點(diǎn)就是在從紫

3、外到可見，再到紅外的超寬光譜區(qū)域都有超高效率的吸收，表面反射幾乎為零。從吸光效果來講，它可以作為完美的抗反射膜用于太陽能采集技術(shù)中。但是，目前這種黑硅都是以較厚的硅片為襯底來制作，黑硅樣本缺乏可彎曲性和靈活性，無法應(yīng)用于圓形的太陽能熱電集熱器上。此外，黑硅樣本較厚也影響了它作為吸熱層和傳熱層的熱傳遞效率。
　　 為了提高太陽能熱電站的總體轉(zhuǎn)換效率，迫切需要一種更有效的吸光材料來更高效率的吸收太陽能，并將其產(chǎn)生的熱能傳遞給導(dǎo)熱介質(zhì)

4、。而黑硅作為一種非常好的吸光材料，卻因?yàn)闊o法彎曲和導(dǎo)熱性較差，無法應(yīng)用于太陽能熱電領(lǐng)域。因此，研制出一種既可彎曲，又有較好的導(dǎo)熱性能，同時(shí)保證在超寬光譜下較高的吸光效率的新型黑硅材料就顯得尤為重要。
　　 在國內(nèi)外對(duì)太陽能熱電技術(shù)和表面微結(jié)構(gòu)硅的研究基礎(chǔ)上，本論文分別用標(biāo)量和矢量光學(xué)理論對(duì)普通表面微結(jié)構(gòu)硅的光學(xué)特性進(jìn)行了深入分析，并研究了普通表面微結(jié)構(gòu)硅的能帶結(jié)構(gòu)特性和光中轉(zhuǎn)換特性特性。之后，又進(jìn)行了超薄可彎曲表面微結(jié)構(gòu)硅的吸光

5、特性和光熱轉(zhuǎn)換特性分析。在理論分析的基礎(chǔ)上，逐步摸索制作工藝，進(jìn)行了普通表面微結(jié)構(gòu)硅和超薄可彎曲表面微結(jié)構(gòu)硅的制作，并測(cè)試了它們的吸收光譜，驗(yàn)證了超薄可彎曲表面微結(jié)構(gòu)硅作為吸光元件的可行性。從理論上討論了超薄可彎曲黑硅對(duì)太陽光譜的吸收效率，并把超薄可彎曲黑硅用做吸光傳熱層，進(jìn)行了原理性的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了這種方法的可行性和優(yōu)越性。最后，對(duì)黑硅的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)工藝進(jìn)行了探索性的研究。具體研究內(nèi)容包括：
　　 1)用標(biāo)量衍射理

6、論求解了光在半導(dǎo)體表面的反射、透射和吸收特性；又根據(jù)矢量光學(xué)理論，結(jié)合黑硅獨(dú)特的表面形態(tài)，用嚴(yán)格耦合波(RCWA)的方法求解了三種不同尺寸的表面微結(jié)構(gòu)硅的反射效率，并對(duì)其反射效率與入射角度的相關(guān)性進(jìn)行了研究；之后運(yùn)用時(shí)域有限差分(FDTD)的方法，計(jì)算了這三種表面微結(jié)構(gòu)硅的吸收效率，從理論上研究了表面微結(jié)構(gòu)硅在可見波段高吸收的原因。
　　 2)根據(jù)半導(dǎo)體能帶理論，分析了摻雜致使半導(dǎo)體能帶變窄，以及在能帶帶隙產(chǎn)生多個(gè)子能帶的現(xiàn)象；

7、又結(jié)合黑硅的制作工藝，從成分上分析了摻入硫元素的濃度對(duì)黑硅的能帶結(jié)構(gòu)以及在紅外波段吸收效率的影響，從而解釋了黑硅對(duì)光子能量較低光也有高效率吸收的原因。然后從半導(dǎo)體物理的角度討論了黑硅的光電轉(zhuǎn)換特性，分析了光在半導(dǎo)體內(nèi)部的吸收，并討論了半導(dǎo)體內(nèi)部光生載流子的產(chǎn)生和壽命。
　　 3)分別從標(biāo)量衍射理論和矢量光學(xué)的角度討論了超薄可彎曲黑硅的光學(xué)特性，計(jì)算了它的反射效率和吸收效率，并與普通黑硅進(jìn)行了比較，解釋了超薄可彎曲黑硅吸收效率稍低

8、的原因；另外，研究了超薄黑硅作為傳熱層的熱傳遞特性，計(jì)算了它的導(dǎo)熱速率，并與其它材料的導(dǎo)熱速率對(duì)比，證明了它作為吸光傳熱層的明顯優(yōu)勢(shì)。
　　 4)用飛秒激光脈沖加腐蝕氣體的方法在普通硅片上制作了黑硅，電子掃描顯微鏡照片顯示出了良好的黑硅表面結(jié)構(gòu)；測(cè)試了普通黑硅的吸收光譜，測(cè)試結(jié)果表明制作的黑硅在極寬的光譜區(qū)域都具有超高效率的吸收，即使在光子能量較低的紅外波段，吸收效率也在80％以上，進(jìn)一步驗(yàn)證了理論分析和實(shí)驗(yàn)方法的正確性；實(shí)驗(yàn)中

9、也暴露了這種方法的缺陷，于是改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)方法，采用自動(dòng)掃描的方法取代了單點(diǎn)法，在不影響黑硅吸收效率的基礎(chǔ)上，得到了制作效率更高、有效面積更大的黑硅樣品。此外，對(duì)比了理論計(jì)算得到的吸收光譜與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的吸收光譜，對(duì)于二者之間存在的誤差做出了分析和解釋。
　　 5)創(chuàng)新性地提出了超薄可彎曲黑硅的制作方法。利用改進(jìn)的自動(dòng)掃描技術(shù)，在SOI上制作了表面微結(jié)構(gòu)，然后用氫氟酸腐蝕掉SOI中間層，將最上層揭下，即得到超薄可彎曲表面微結(jié)構(gòu)硅；電鏡照

10、片顯示了硅層表面均勻的圓錐形微結(jié)構(gòu)，吸收光譜也驗(yàn)證了超薄可彎曲黑硅理論和實(shí)驗(yàn)的正確性；從實(shí)驗(yàn)上研究了黑硅吸收效率與入射光入射角度的相關(guān)性，并探討了其超高吸收效率的原因，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了它作為高效率可彎曲吸光層的可行性。
　　 6)分析了槽式系統(tǒng)聚光集熱器的光學(xué)模型；計(jì)算了超薄可彎曲黑硅對(duì)整個(gè)太陽光譜的吸收效率；進(jìn)行了原理性的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了超薄可彎曲黑硅的吸光導(dǎo)熱效果，進(jìn)而設(shè)計(jì)了基于超薄可彎曲黑硅吸光傳熱層的槽式太陽能熱電集熱器。