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基本信息

項(xiàng)目名稱：
n型硅片表面特殊錐狀尖峰結(jié)構(gòu)的制備及其光學(xué)模型仿真
小類：
能源化工
簡介：
本文在成功制備了表面具有不同高度的錐狀尖峰結(jié)構(gòu)的“黑硅”材料的基礎(chǔ)上，利用掃面電子顯微鏡（SEM）獲得錐狀尖峰的幾何參數(shù)，并根據(jù)該參數(shù)進(jìn)行“黑硅”表面特殊結(jié)構(gòu)建模，計(jì)算出其“黑硅”材料有效吸收表面積相對于平面硅材料的增加率
詳細(xì)介紹：
本研究小組在成功制備表面具有不同高度的特殊錐狀尖峰結(jié)構(gòu)的“黑硅”光伏材料的基礎(chǔ)上，利用掃描電子顯微鏡（SEM）測量了“黑硅”表面橢形錐狀尖峰的幾何參數(shù)，以幾何光學(xué)中的光在固體表面的反射與折射原理為物理基礎(chǔ)，利用數(shù)值仿真的辦法，分析“黑硅”表面形成的特殊的橢圓錐狀尖峰結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈的“陷光”作用。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與利用光譜儀lambda 750S測試的反射效率曲線相比較為接近，在理論上驗(yàn)證了該特殊結(jié)構(gòu)的強(qiáng)吸收率，從而證明了“黑硅”材料相對于普通硅材料在光電吸收和光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域?qū)⒕哂懈鼮橹匾臐撛趹?yīng)用。

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

本文首先在實(shí)驗(yàn)室獲取“黑硅”表面的數(shù)據(jù)，通過matlab建模，計(jì)算出具有橢形錐狀尖峰的“黑硅”材料極大的增加了入射光的光程。另外，通過對入射光線反射率的仿真，發(fā)現(xiàn)其具有良好的“陷光”作用。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

本文通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)仿真建模相結(jié)合的方法，在理論上驗(yàn)證了該特殊結(jié)構(gòu)的強(qiáng)吸收率及其物理本質(zhì)。先進(jìn)性在于目前國內(nèi)外的研究小組都沒有對“黑硅”良好吸收效率提出物理上的解釋，而本文在理論上驗(yàn)證了該特殊結(jié)構(gòu)的強(qiáng)吸收率及其物理本質(zhì)。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

“黑硅”材料相對于普通硅材料和絨面硅材料具有更低的反射率，在光電吸收和光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域?qū)⒕哂懈鼮橹匾淖饔谩，F(xiàn)實(shí)生活中在太陽能電池方面會(huì)具有比較好的應(yīng)用。

學(xué)術(shù)論文摘要

為了更好的理解“黑硅”材料的高吸收效率的物理原因，本文在成功制備了表面具有不同高度的錐狀尖峰結(jié)構(gòu)的“黑硅”材料的基礎(chǔ)上，利用掃面電子顯微鏡（SEM）獲得錐狀尖峰的幾何參數(shù)，并根據(jù)該參數(shù)進(jìn)行“黑硅”表面特殊結(jié)構(gòu)建模，計(jì)算出其“黑硅”材料有效吸收表面積相對于平面硅材料的增加率；根據(jù)表面建模和幾何光學(xué)的方法進(jìn)行全光譜范圍內(nèi)的反射率仿真，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)較為接近，從而在理論上驗(yàn)證了該特殊結(jié)構(gòu)的強(qiáng)吸收性是由飛秒激光加工的硅材料的有效吸收表面積增加和“黑硅”結(jié)構(gòu)的陷光效應(yīng)而引起的。這一結(jié)果對探索“黑硅”光伏材料的光學(xué)性質(zhì)具有重要的研究意義。

獲獎(jiǎng)情況

本文已經(jīng)被中國中文核心期刊《中國激光》錄用，將在《中國激光》2011年第38卷第06期左右發(fā)表

鑒定結(jié)果

無

參考文獻(xiàn)

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同類課題研究水平概述

太陽能作為一種潔凈和相對易于獲取的能源在未來的動(dòng)力產(chǎn)品中將占有越來越大的比份。如何發(fā)展高光電能量轉(zhuǎn)換效率、高可靠性和低成本的太陽能電池是目前太陽能利用領(lǐng)域所面臨的關(guān)鍵問題。相對于第一代和第二代太陽能電池(轉(zhuǎn)換效率<<50%),各國科學(xué)家紛紛研究不同的應(yīng)用于第三代太陽能電池的新材料和新結(jié)構(gòu)，目標(biāo)是使光電轉(zhuǎn)換效率大于50%。近年來，一種具有微、納米量級特殊結(jié)構(gòu)的光伏材料成為太陽能電池的研究熱點(diǎn)。利用飛秒脈沖激光在極短的持續(xù)時(shí)間內(nèi)激發(fā)出極大的峰值能量，其在硅片的相互作用過程中具有很強(qiáng)的非線性效應(yīng)，聚焦燒蝕硅表面很小的一塊面積，形成規(guī)則排列的微納米結(jié)構(gòu)。這種微納米結(jié)構(gòu)由于表面積增大，對入射光波有很大的吸收，且對光的敏感性提高了數(shù)百倍，這些性質(zhì)對提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率具有很大的指導(dǎo)意義。這種材料與本底未處理材料的性質(zhì)相比，材料帶隙減小，對光的敏感性提高了數(shù)百倍，這使得其對波長為250-2500 nm的入射光波有大于90%的吸收；另外，這種微納結(jié)構(gòu)硅比傳統(tǒng)材質(zhì)的硅的比重低。這些奇特的光電和物理性質(zhì)能進(jìn)一步提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)光吸收效率，激子光量子效率，化學(xué)電勢效率以及填充因子計(jì)算總的光電轉(zhuǎn)換效率，普通硅基太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率只有15%，而基于微納結(jié)構(gòu)光伏材料的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率可望達(dá)到50%-60%。 本課題針對這一微納米結(jié)構(gòu)的形成與激光參數(shù)密切相關(guān)的特性，通過數(shù)值模擬微納米結(jié)構(gòu)的形成，從理論的角度探知光伏材料的光電轉(zhuǎn)換效率與結(jié)構(gòu)參數(shù)的內(nèi)部關(guān)系，從而有助于篩選出轉(zhuǎn)換效率較高的微納結(jié)構(gòu)光伏材料，最終為發(fā)展新型、高效太陽能電池的研發(fā)，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高效第三代光伏電池打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
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