CN101819927A - 一种微纳结构硅材料的制备系统与制备方法 - Google Patents

Abstract

一种微纳结构硅材料的制备系统，特点是：反射镜、连续可调衰减片、光快门、透镜和三维调整台固定在光学平台上，不锈钢长腔真空室安装在三维调整台上，不锈钢长腔真空室前端有窗片，其内部的后表面粘贴有硅片，外部与真空室充气管道连接，所述管道上设置有两个微调阀，光快门通过导线与脉冲计数器连接。通过连续可调衰减片调节入射激光功率，配合使用脉冲计数器准确控制蚀刻的脉冲数量，并利用微调阀门调节真空室内气体压强，最终实现各种不同形貌的微纳结构硅材料的形成。本发明生产工艺简单，操作便捷，所得微纳结构的硅材料具有跨度超过2500nm的吸收光谱，且反射率低于10％。

Description

一种微纳结构硅材料的制备系统与制备方法

技术领域

本发明涉及一种微纳结构硅材料的制备系统与制备方法，涉及激光加工技术，采用飞秒激光脉冲，通过物理变化和化学变化的共同作用，制备出宽光谱范围内具有高吸收效率的微纳结构硅材料。

背景技术

能源是现代人类社会发展的首要前提条件，而太阳能取之不尽，用之不竭，是对环境无任何污染的新型可再生能源的首选。充分利用太阳能是解决未来能源短缺，保护环境，降低释放温室效应气体，防止全球变暖的有效途径。2000年至2008年，全球太阳能电池的产量年均复合增长率约为47％，2008年产量达到6.4GW。我国的光伏产业在近几年也有了迅猛发展，生产的光伏电池总量占了全球总量的30％，成为全球光伏电池生产第一大国。

众所周知，提高太阳能电池光电转换效率的关键是光伏材料的性能、结构等方面的改进。而欲在光伏材料上有所突破，进一步提高其对太阳能光谱的有效吸收率，就一定要有新的，非传统的材料或改进传统材料的制备方法。超短脉冲激光与光伏材料相作用，得到的具有微纳结构的新型材料正满足这一要求。

理论分析表明，在100％吸收太阳光全光谱并且和对应所有吸收频段的带隙都最优化的前提条件下，太阳辐射能转换成电能的理想卡诺循环极限效率为86.8％，单结单晶硅太阳能电池(仅对1.12eV带隙优化)的理论效率上限仅为31％，这说明提高太阳能电池的光电转换效率还有很大的空间。研究表明，太阳能电池光电转换中的能量损失主要源于4部分：①光伏材料表面反射；②低的有效光谱吸收利用率(包括红外波段光子不产生电子空穴对和紫外光子能量大于带隙能的部分变成了热)；③电子空穴复合；④载流子输运和接触电极的欧姆损耗。要提高太阳能光伏电池的效率无外乎要从以上四个方面入手。其中，尤其重要的是低的光谱利用率这一项就占去了大于50％的光能损耗。

1998年，哈佛大学的Mazur科研小组将晶体硅材料放进一个充满SF₆气体的环境中，然后用近红外飞秒激光照射硅片，激光扫描后的硅片表面变成了黑色，在显微镜下观察到硅片的表面形成了准规则排列的微米量级锥形尖峰结构。实验测定这种“黑硅”材料与本底未处理材料的性质相比发生了非常大的变化：一是材料带隙减小，对于超长波段的入射光波有较大的吸收；二是与不处理的普通硅晶片相比，在近红外的一些波段上此种光伏材料对光的敏感性提高了100至500倍；另外，这种经飞秒激光“黑化”处理的硅材料与硅单晶材料相比比重减小，这一实验室现象为新型太阳能电池照亮了前景。

目前未见有关于生产微纳结构硅材料的制备系统与制备方法的具体相关报道。

发明内容

本发明基于飞秒激光对硅表面的蚀刻，首次提出即可用于实验研究，又可适用于工业生产的微纳结构硅材料的制备系统与制备方法。本发明使用简捷的光路，实用的方法可制备出宽光谱范围内具有高吸收率的微纳结构硅材料。

一种微纳结构硅材料的制备系统，包括钛宝石飞秒激光器、反射镜、连续可调衰减片、光快门、透镜、不锈钢长腔真空室和三维调整台，其特征在于：反射镜、连续可调衰减片、光快门、透镜和三维调整台固定在光学平台上，不锈钢长腔真空室安装在三维调整台上，所述的不锈钢长腔真空室前端设置有窗片，不锈钢长腔真空室内部的后表面粘贴有硅片，不锈钢长腔真空室与外部的真空室充气管道连接，所述的真空室充气管道上设置有两个微调阀，光快门通过导线与脉冲计数器连接。

一种微纳结构硅材料的制备方法，采用钛宝石飞秒激光器，将重复产生的频率为1kHz，脉宽范围在35～45fs的超短激光脉冲，通过反射镜引入系统，之后沿光路方向，通过连续可调衰减片调节激光功率，利用脉冲计数器控制光快门开关时间，控制脉冲个数，经透镜聚焦后，与充气管道回填的背景气体与硅片的化学作用，将能量辐射在硅片表面，通过控制透镜与硅片间距离改变光斑直径，从而改变能量密度。

所述的不锈钢长腔真空室呈圆柱状，腔室前表面连接有厚度为0.4mm的超薄窗片，腔室长度大于20cm。

在真空室的充气管道上两个微调阀之间间隔为10cm，使每次充入真空室内的背景气体体积很小，从而更精确的控制室内压强。

所述的光斑直径在150μm到200μm之间为最佳。因此透镜与硅片间距离控制在86cm到90cm之间。

所述的充气管道回填的背景气体为六氟化硫(SF₆)、氯气或真空环境气体，所述背景气体的压强范围为10²Pa到10⁵Pa。通过激光蚀刻的物理作用连同背景气体与硅的化学作用，制备表面具备独特的微纳结构，能在宽光谱范围内具有高吸收效率的硅材料。

硅片安装在真空室内，真空室置于三维调节台上，可沿三个方向移动从而改变飞秒激光在硅片上蚀刻的位置。

光学器件之间的距离可根据光学平台的尺寸自定。

本发明利用高功率的飞秒激光，在六氟化硫、氯气或真空等环境气体的存在下，对单晶硅表面进行蚀刻。通过连续可调衰减片调节入射激光功率，配合使用脉冲计数器准确控制蚀刻的脉冲数量，并利用微调阀门调节真空室内气体压强，最终实现各种不同形貌的微纳结构硅材料的形成。加工制备后所获得的硅材料的典型特征为：表面分布着微米尺度的洞和尖峰交替的结构，且尖峰的表面附着纳米尺度的小颗粒。该种表面形貌特征的硅材料可有效吸收200nm到3000nm波段的光，且其吸收效率和光电能量转化效率远高于未经过此类方法加工的传统单晶硅材料。

本发明生产工艺简单，操作便捷，梭得微纳结构的硅材料具有跨度超过2500nm的吸收光谱，且反射率低于10％，在光伏太阳能电池材料和传感器材料等领域方面都具有重要的潜在应用价值。

附图说明

图1为本发明微纳结构硅材料的制备系统针体结构示意图；

图2为制备出的表面具有微纳结构的硅片；

图3为制备出的微纳硅材料表面在扫描电子显微镜下的形貌。

1.钛宝石飞秒激光器，2.飞秒激光脉冲，3.反射镜，4.连续可调衰减片，5.光快门，6.透镜，7.窗片，8.真空室充气管道，9.微调阀，10.SF₆等背景气体，11.不锈钢长腔真空室，12.硅片，13.三维调整台，14.脉冲计数器，15.光学平台。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明加以详细说明。

如图1所示的装置，反射镜3、连续可调衰减片4、光快门5、透镜6、三维调整台13均固定在光学平台15上。不锈钢长腔真空室安装在三维调整台13上，腔室长度大于20cm。所述的不锈钢长腔真空室前端设置有窗片7，不锈钢长腔真空室内部的后表面粘贴有硅片12，不锈钢长腔真空室与外部的真空室充气管道8连接，所述的真空室充气管道上设置有两个微调阀9，光快门5通过导线与脉冲计数器14连接。透镜6与硅片间距离为90cm，其他光学元件间距离均为10cm。清洗过的硅片12粘贴于不锈钢长腔真空室11内部的后表面，与前端的窗片7保持一定的距离。不锈钢长腔真空室11内的气压先由机械泵，后由分子泵抽取到低于10^-4Pa，实验可在真空下进行，也可在一定的背景气体，如：Cl₂或者SF₆存在的条件下进行。经真空室充气管道8回填SF₆等背景气体10。所述背景气体的压强范围为10²Pa到10⁵Pa。回填气体时，利用安装在充气管道8上的间距为10cm的两个微调阀9将气体分段控制，缓慢充入，达到精确控制背景气体压强的效果。

由钛宝石飞秒激光器1产生重复频率为1KHz，脉宽40fs，功率2W的飞秒激光脉冲2。飞秒激光脉冲2通过反射镜3引入系统。通过连续可调衰减片4，将功率衰减至1W，随后通过光快门5(即一个通过导线连接在脉冲计数器14上的电动光阑)。脉冲计数器事先设定好所要求的脉冲数，光快门5便可允许相应的脉冲通过。随后激光被焦距为100cm的透镜6聚焦，穿过厚度为0.4mm的真空室窗片7，直接打在硅片12表面。

在同一片硅片上制备不同参数下形成的硅材料时，每一个光斑形成后，可通过三维调整台13控制不锈钢长腔真空室11的移动，根据光斑大小选择不同的位移；扫描具有一定面积的硅材料时(工业使用)，可使用两维步进电机，控制电机的运动速度使硅片表面被激光均匀照射，从而使得单位面积上的脉冲数恒定，产生具有均匀微纳结构的硅材料。

制备的硅片表面被蚀刻的部分肉眼看去完全变成黑色，直接发映出对可见光的吸收。图2所示为制备出的表面具有微纳结构的硅片，硅片上黑点为不同能量密度、不同脉冲数的条件下制备的微纳结构。每一个点在扫描电子显微镜下观察到得尖峰状微纳结构都将有所差异。图3给出了典型微纳硅材料的表面在扫描电子显微镜下的形貌，这种微纳结构是利用能量密度为8kJ/m²，，脉冲数为1000的飞秒激光，以SF6为背景气体且压强为6700Pa的情况下制备的。该种材料具有跨度超过2500nm的吸收光谱，且其吸收效率和光电能量转化效率远高于单晶硅。

Claims (6)

1.一种微纳结构硅材料的制备系统，包括钛宝石飞秒激光器、反射镜、连续可调衰减片、光快门、透镜、不锈钢长腔真空室和三维调整台，其特征在于：反射镜、连续可调衰减片、光快门、透镜和三维调整台固定在光学平台上，不锈钢真空室安装在三维调整台上，所述的不锈钢真空室前端设置有窗片，不锈钢长腔真空室内部的后表面粘贴有硅片，不锈钢长腔真空室与外部的真空室充气管道连接，所述的真空室充气管道上设置有两个微调阀，光快门通过导线与脉冲计数器连接。

2.一种微纳结构硅材料的制备方法，其特征在于：采用钛宝石飞秒激光器，将重复产生的频率为1kHz，脉宽范围在35～45fs的超短激光脉冲，通过反射镜引入系统，之后沿光路方向，通过连续可调衰减片调节激光功率，利用脉冲计数器控制光快门开关时间，控制脉冲个数，经透镜聚焦后，与充气管道回填的背景气体与硅片的化学作用，将能量辐射在硅片表面，通过控制透镜与硅片间距离可以改变光斑直径，从而改变能量密度。

3.根据权利要求1所述的一种微纳结构硅材料的制备系统，其特征在于：不锈钢真空室呈圆柱状，腔室前端窗片厚度为0.4mm的超薄窗片，腔室长度大于20cm。

4.根据权利要求1所述的一种微纳结构硅材料的制备系统，其特征在于：在真空室的充气管道上两个微调阀之间间隔为10cm。

5.根据权利要求2所述的一种微纳结构硅材料的制备系统，其特征在于：入射到窗片上的光斑直径在150μm到200μm之间为最佳，因此透镜与硅片间距离在86cm到90cm之间为最佳。

6.根据权利要求2所述的一种微纳结构硅材料的制备方法，其特征在于：所述的背景气体为六氟化硫(SF₆)、氯气或真空环境气体，所述背景气体的压强范围为10²Pa到10⁵Pa。

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