硅納米線的制備及其光學(xué)性質(zhì)的研究.pdf

1、硅納米線（Silicon Nanowires, SiNWs）由于其獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)等性質(zhì)最近引起了廣泛的關(guān)注。尤其在光伏應(yīng)用方面 SiNWs陣列被認(rèn)為是很有希望實(shí)現(xiàn)高效電池的納米結(jié)構(gòu)器件。本論文主要集中在：（1）利用金屬輔助的化學(xué)刻蝕（Metal-Assisted Chemical Etching, MACE）的方法制備生長(zhǎng)可控、表面光滑的SiNWs陣列；（2）通過實(shí)驗(yàn)和利用嚴(yán)格耦合波分析（Rigorous Coupled-Wav

2、e Analysis, RCWA）的方法對(duì)我們生長(zhǎng)的SiNWs陣列進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)值的光學(xué)性質(zhì)的研究。同時(shí)，通過RCWA模擬我們進(jìn)一步研究了硅/氫化非晶硅（a-Si:H）核殼結(jié)構(gòu)的納米線（CSNW）陣列的光學(xué)性質(zhì)。
　　目前，通過MACE方法生長(zhǎng)的SiNWs陣列中，極大的表面粗糙仍然是一個(gè)亟待解決的問題，因?yàn)榇植诒砻婺軌蛞鸶叩谋砻鎻?fù)合速率從而嚴(yán)重限制納米線光伏器件的性能。在這篇文章中，我們首次展現(xiàn)了通過MACE方法實(shí)現(xiàn)表面光滑的Si

3、NWs陣列。我們發(fā)現(xiàn)利用MACE合成高質(zhì)量的SiNWs陣列的關(guān)鍵之處是理解雙氧水（H2O2）在其中所起的作用。我們?cè)诓煌腍2O2濃度下研究了SiNWs的生長(zhǎng)并利用透射電子顯微鏡（Transmission electron microscopy, TEM）和光致發(fā)光的手段觀察到H2O2不僅起到了氧化劑的作用，而且會(huì)溶解金屬納米顆粒（我們實(shí)驗(yàn)中使用的是銀納米顆粒）來維持一定濃度的自由銀離子。而自由銀離子的存在對(duì)于光滑表面SiNWs的形成發(fā)

4、揮了關(guān)鍵的作用。這就意味著在SiNWs中的表面平整度可以簡(jiǎn)單地通過H2O2的濃度來調(diào)節(jié)，同時(shí)SiNWs的長(zhǎng)度則可以通過刻蝕時(shí)間來控制。我們同時(shí)也提出了一個(gè)在MACE方法中硅片刻蝕的合理的機(jī)理。我們的生長(zhǎng)結(jié)果清楚地證明了大尺寸的表面光滑的SiNWs陣列可以成功地利用MACE方法實(shí)現(xiàn)。這將為低成本的以SiNWs為基礎(chǔ)的光伏器件的制備提供了極大的機(jī)會(huì)。
　　我們同時(shí)在實(shí)驗(yàn)和數(shù)值上對(duì)SiNWs陣列的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究并計(jì)算評(píng)估了其在光伏應(yīng)

5、用中的表現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)證明生長(zhǎng)的SiNWs陣列的光譜反射強(qiáng)度可以在很大的范圍內(nèi)（300-1000nm）得到明顯的降低（<1％）。同時(shí)，在我們建立的捆狀模型中，我們利用RCWA方法計(jì)算了SiNWs陣列的反射并發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到很好的符合。進(jìn)一步通過對(duì)SiNWs陣列的光吸收和光電流的計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)與相同體積材料的硅薄膜相比, SiNWs陣列可以實(shí)現(xiàn)最高達(dá)425%的光電流增強(qiáng)——這意味著制備的SiNWs陣列可以實(shí)現(xiàn)有效的光陷和增強(qiáng)光吸收。同

6、樣，我們實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算表明制備的SiNWs表現(xiàn)出很寬的入射角度和極化無關(guān)的減反特性。在SiNWs中強(qiáng)的光陷效應(yīng)和全方向減反特性結(jié)合光滑的表面可以作為一個(gè)有力的工具來開發(fā)高效的基于硅納米線的太陽電池。
　　最后，通過RCWA模擬我們進(jìn)一步數(shù)值分析了Si/a-Si:H CSNW陣列的光學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)CSNW陣列與單獨(dú)的SiNW陣列或硅薄膜相比能進(jìn)一步增強(qiáng)光吸收和光電流。同時(shí)我們指出這種吸收增強(qiáng)主要是由于a-Si:H高的吸收系數(shù)而導(dǎo)致的納