飞秒脉冲激光制备硅基纳米结构光伏材料的研究

【摘要】：飞秒脉冲激光在一定气体氛围下照射单晶硅表面,其照射过的表面区域在肉眼观察下呈现黑色,而其微观表面呈现椭圆锥状尖峰结构;这种俗称“黑硅”的特殊材料对近紫外至中红外的光谱都具有超过90%的吸收,并且其表面椭圆锥状尖峰越高,则其吸收效率越佳。 本文主要介绍了飞秒脉冲激光制备微纳结构硅基光伏材料的研究。在本项目中,成功搭建了用于制备“黑硅”光伏材料的实验系统,并且利用该系统成功制造出具有较高微型椭圆锥状尖峰高度的“黑硅”光伏材料,总结出制造“黑硅”光伏材料的实验步骤及实验参数。 本文论述了在各种不同参数下制造出“黑硅”光伏材料,并且研究了不同参数下其表面形貌的变化规律。1、研究了一定飞秒脉冲激光功率,一定的SF6气体压强下,“黑硅”表面微型椭圆锥状尖峰随飞秒激光脉冲数的变化关系;2、研究了飞秒脉冲激光功率大小对“黑硅”表面形貌的影响,并且总结了“黑硅”表面形成的微型椭圆锥状尖峰的高度曲线; 3、研究了不同SF6气体压强下,“黑硅”表面椭圆锥状尖峰的变化规律;4、研究了恒定能流密度下,分别改变飞秒激光脉冲数和飞秒激光功率的大小,“黑硅”表面微纳结构的变化规律。通过以上研究,我们发现在一定飞秒脉冲激光功率,一定的SF6气体压强下,“黑硅”表面微型椭圆锥状尖峰随飞秒激光脉冲数的变化呈现一种非线性的关系,从理论上解释了该非线性关系是由飞秒脉冲激光诱导等离子增强刻蚀效应和强激光消融效应相互作用决定的;并且发现即使改变SF6气体压强,该非线性关系并不随之改变。 本文基于“黑硅”表面形成的特殊微型椭圆锥状尖峰结构,利用软件仿真的办法进行“黑硅”表面结构的建模,计算出“黑硅”表面形成的特殊锥状尖峰结构使其表面积相对于普通单晶硅表面具有20倍的提升,极大的增加了入射光的吸收面积和光程;并且根据“黑硅”表面结构的模型,在全光谱范围内进行光反射率的仿真实验,测定的全光谱反射率的数据与实际较接近。从而在理论上证明了“黑硅”表面形成的特殊的微纳椭圆锥状尖峰结构具有强烈的“陷光”作用。最后提出基于“黑硅”光伏材料的太阳能电池的制造方案。 【关键词】：飞秒脉冲激光 “黑硅”光伏材料 微纳结构 “陷光”作用
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TN249
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 引言和国内外研究现状11-30
• 1.1 硅基太阳能电池技术的现状及发展趋势11-13
• 1.2 硅基太阳能电池的工作原理13-22
• 1.2.1 基本方程14-15
• 1.2.2 光照下的p-n结15-17
• 1.2.3 太阳能电池的基本结构与输出特性17-21
• 1.2.4 太阳能电池的理论效率21-22
• 1.3 “黑硅”材料简介22-29
• 1.3.1 “黑硅”材料的发现22-25
• 1.3.2 “黑硅”的主要性质25-28
• 1.3.3 “黑硅”材料的应用28-29
• 1.4 论文的主要内容与章节安排29-30
• 第二章 飞秒激光与固体相互作用的原理30-33
• 2.1 激光加工技术原理30-32
• 2.2 本章小结32-33
• 第三章 “黑硅”光伏材料的制造及其规律的研究33-46
• 3.1 实验准备及操作方法33-36
• 3.1.1 样品清洗33-34
• 3.1.2 飞秒激光实验光路设置34-35
• 3.1.3 实验步骤35-36
• 3.2 恒定飞秒激光脉功率，改变飞秒激光脉冲数对“黑硅”表面形貌的影响36-39
• 3.3 恒定飞秒激光脉冲数，改变激光功率对“黑硅”表面形貌的影响39-41
• 3.4 恒定能流密度，改变激光功率和飞秒脉冲激光数对“黑硅”表面形貌的影响41-43
• 3.5 恒定激光功率及脉冲数，改变SF6气体压强对“黑硅”表面形貌的影响能流密度43-45
• 3.6 本章小结45-46
• 第四章 基于“黑硅”光伏材料的表面建模及反射率模型的研究46-56
• 4.1 光在固体界面上的反射与折射46-48
• 4.2 基于“黑硅”光伏材料的表面建模48-55
• 4.2.1 “黑硅”光伏材料表面结构建模48-52
• 4.2.2 “黑硅”光伏材料与金字塔结构表面模型反射率对比52-55
• 4.3 本章小结55-56
• 第五章 基于“黑硅”材料的太阳能电池制造方案56-59
• 5.1 “黑硅”材料应用于太阳能电池的制造56-58
• 5.2 本章小结58-59
• 第六章 结束语59-61
• 6.1 主要工作与创新点59-60
• 6.2 后续研究工作60-61
• 参考文献61-65
• 附录165-69
• 附录269-70
• 致谢70-71
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文71-74
• 附件74

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