硅納米線的制備及其光學性質(zhì)的研究.pdf

1、硅納米線（Silicon Nanowires, SiNWs）由于其獨特的光學、電學和熱學等性質(zhì)最近引起了廣泛的關注。尤其在光伏應用方面 SiNWs陣列被認為是很有希望實現(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刻蝕（Metal-Assisted Chemical Etching, MACE）的方法制備生長可控、表面光滑的SiNWs陣列；（2）通過實驗和利用嚴格耦合波分析（Rigorous Coupled-Wav

2、e Analysis, RCWA）的方法對我們生長的SiNWs陣列進行實驗和數(shù)值的光學性質(zhì)的研究。同時，通過RCWA模擬我們進一步研究了硅/氫化非晶硅（a-Si:H）核殼結(jié)構(gòu)的納米線（CSNW）陣列的光學性質(zhì)。
　　目前，通過MACE方法生長的SiNWs陣列中，極大的表面粗糙仍然是一個亟待解決的問題，因為粗糙表面能夠引起高的表面復合速率從而嚴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陣列的關鍵之處是理解雙氧水（H2O2）在其中所起的作用。我們在不同的H2O2濃度下研究了SiNWs的生長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，而且會溶解金屬納米顆粒（我們實驗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于光滑表面SiNWs的形成發(fā)

4、揮了關鍵的作用。這就意味著在SiNWs中的表面平整度可以簡單地通過H2O2的濃度來調(diào)節(jié)，同時SiNWs的長度則可以通過刻蝕時間來控制。我們同時也提出了一個在MACE方法中硅片刻蝕的合理的機理。我們的生長結(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方法實現(xiàn)。這將為低成本的以SiNWs為基礎的光伏器件的制備提供了極大的機會。
　　我們同時在實驗和數(shù)值上對SiNWs陣列的光學性質(zhì)進行了研究并計算評估了其在光伏應

5、用中的表現(xiàn)。實驗證明生長的SiNWs陣列的光譜反射強度可以在很大的范圍內(nèi)（300-1000nm）得到明顯的降低（<1％）。同時，在我們建立的捆狀模型中，我們利用RCWA方法計算了SiNWs陣列的反射并發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)得到很好的符合。進一步通過對SiNWs陣列的光吸收和光電流的計算，我們發(fā)現(xiàn)與相同體積材料的硅薄膜相比, SiNWs陣列可以實現(xiàn)最高達425%的光電流增強——這意味著制備的SiNWs陣列可以實現(xiàn)有效的光陷和增強光吸收。同

6、樣，我們實驗和理論計算表明制備的SiNWs表現(xiàn)出很寬的入射角度和極化無關的減反特性。在SiNWs中強的光陷效應和全方向減反特性結(jié)合光滑的表面可以作為一個有力的工具來開發(fā)高效的基于硅納米線的太陽電池。
　　最后，通過RCWA模擬我們進一步數(shù)值分析了Si/a-Si:H CSNW陣列的光學性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)CSNW陣列與單獨的SiNW陣列或硅薄膜相比能進一步增強光吸收和光電流。同時我們指出這種吸收增強主要是由于a-Si:H高的吸收系數(shù)而導致的納