【基金標(biāo)書】2010CB933800-新型微納結(jié)構(gòu)硅材料及其廣譜高效太陽能電池研究

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項(xiàng)目名稱： 新型微納結(jié)構(gòu)硅材料及其廣譜高效太陽能電池研究首席科學(xué)家： 李晉閩 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所起止年限： 2010 年 1 月-2011 年 10 月依托部門： 中國(guó)科學(xué)院一、研究?jī)?nèi)容1、擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題本項(xiàng)目從國(guó)家清潔能源的重大需求和太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃出發(fā)，借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)，針對(duì) 在激光微構(gòu)造黑硅材料及其高效太陽能電池研制中遇到的關(guān)鍵性難點(diǎn)，由表及里，歸納擬解決的關(guān)鍵 科學(xué)問題如下：（1）超快激光脈沖微構(gòu)造硅表面的動(dòng)力學(xué)過程黑硅表面準(zhǔn)有序晶錐是在數(shù)百次超快脈沖激光輻照化學(xué)輔助刻蝕下形成的，其微觀結(jié)構(gòu)和形成過程與激光能量、波長(zhǎng)、脈 寬、頻 率、和環(huán)境氣氛等諸多因素密切相關(guān)。對(duì)超快激光脈沖微構(gòu)造硅表面動(dòng)力學(xué)過程的研究，不僅能深入理解黑硅表面微結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理，更是制備高質(zhì)量黑硅材料的重要前提。為此，需要研究超快激光脈沖所致硅表面波紋、熔融中間態(tài)和晶錐的形成過程及其物理機(jī)制，如研究輻 照初期硅表面波紋形成過程中入射波、散射波和激發(fā)波之間的干涉，表面毛細(xì)作用，表面聲波和表面張力梯度等各種因素的作用。（2）黑硅材料的減反、廣譜吸收與表面微納結(jié)構(gòu)的關(guān)系黑硅材料最引人注目的兩個(gè)特點(diǎn)是對(duì)太陽光具有極低的反射率和廣譜吸收，這正是其作為太陽能電池材料所具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。硅表面的微構(gòu)造如金字塔或柱狀都可以增加光的吸收并增強(qiáng)對(duì)光的抗反射能力。但黑硅的光吸收性質(zhì)卻不完全歸結(jié)為其獨(dú)特的表面形貌，它的近紅外吸收特性主要?dú)w因于超快脈沖激光輻照制備過程中滲入表面的雜質(zhì)，如化學(xué)結(jié)構(gòu)、形成的化合物、滲入表面的 雜質(zhì)種類、濃 度和分布、光輻照引入的晶格損傷和散射中心等。所以，黑硅材料的減反、廣譜 吸收與表面微納結(jié) 構(gòu)的關(guān)系是本課題需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題，是揭示和了解黑硅特點(diǎn)及其本質(zhì)的關(guān)鍵所在。為此，必須研究黑硅材料的減反效果與晶錐形狀、密度和分布的關(guān)系，研究高摻雜表層的厚底和濃度梯度對(duì)硅禁帶間深能級(jí)中間子帶、進(jìn)而對(duì)材料廣譜吸收性質(zhì)的影響，研究如何恢復(fù)激光輻照損傷及其對(duì)光電性質(zhì)的影響，從而制備出低損傷缺陷、高光電性能的黑硅材料。（3）黑硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換機(jī)理。黑硅微構(gòu)造材料對(duì)太陽光有很高的吸收率，但吸收的光能并非都能轉(zhuǎn)換成電能。黑硅材料中光生載流子的產(chǎn)生、分離、輸運(yùn)和收集 過程與激光輻照引入的晶格損傷、缺陷和復(fù)合中心、摻入的雜質(zhì)、耗盡區(qū)的位置、內(nèi)建電場(chǎng)的強(qiáng)弱、能帶結(jié)構(gòu)及電池結(jié)構(gòu)等深層次因素相關(guān)。所以，探索黑硅太陽能電池中的光生載流子傳輸過程和光電轉(zhuǎn)換機(jī)制是本項(xiàng)目必須解決的關(guān)鍵科學(xué)問題，是取得黑硅電池技術(shù)突破，掌握自主知識(shí)產(chǎn)權(quán) 的核心。重點(diǎn)研究紅外光子的光電轉(zhuǎn)換和高能光子的高效利用，研究雜質(zhì)能級(jí)的光電離截面、電子的多能級(jí)躍 遷過程、以及深能 級(jí)子帶 上電子的壽命和輸運(yùn)，即吸收的光子如何能最大限度地轉(zhuǎn)換成輸出電流。研究激光輻照誘生的表層缺陷復(fù)合中心對(duì)光生載流子分離、 輸運(yùn)的影響。研究 過飽和重 摻與費(fèi)米能級(jí)釘扎之間的關(guān)系，及對(duì)提高電子產(chǎn)額的作用。2、研究要點(diǎn)以開發(fā)新型微構(gòu)造黑硅材料及其廣譜高效太陽能電池器件為主要目標(biāo)，研究激光輻照材料和電池器件制備中的基礎(chǔ)物理及相關(guān)技術(shù)問題：（1）超快激光脈沖作用下硅表面晶錐形成機(jī)理研究研究激光脈沖加工黑硅初期的瞬態(tài)過程，分析其中的光電、光壓等光物理和化學(xué)過程，建立激光脈沖加工硅表面超快動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)過程模型；研究激光波長(zhǎng)、脈沖 寬度、激發(fā)頻率、 單脈沖峰值功率等參數(shù)對(duì) 表面波紋出現(xiàn)、融滴自組裝、晶錐形成的影響，研究表面準(zhǔn)周期表面波紋、 融滴自 組裝與材料固有的晶格對(duì)稱性、應(yīng)力、缺陷態(tài)之間的關(guān)系；揭示輻照激光與硅表面的相互作用機(jī)理、表面微 納結(jié)構(gòu)的形成過程與機(jī)理，建立其物理模型，為確定最 優(yōu)化黑硅制備參數(shù)提供理論依據(jù)。為 制備高質(zhì)量、大面積器件級(jí)黑硅材料提供理 論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)參數(shù)。設(shè)計(jì)和研發(fā)用于快速制備黑硅材料的同軸雙波長(zhǎng)短脈沖激光器。（2）黑硅材料制備及其光電性質(zhì)研究研究用多波長(zhǎng)皮秒激光分別和交叉組合制備黑硅材料的技術(shù)；研究在單晶襯底、以及多晶、微晶、非晶硅薄膜上制備黑硅材料的技術(shù)；研究在硫系/ 鹵素氣氛中、在注入硫系離子和涂有硫系粉末的硅片上制備黑硅材料的技術(shù)；研究激光脈沖的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、脈寬、 頻率、 掃描周期及束斑等光源參數(shù)對(duì)黑硅材料特性的影響，尤其是對(duì)黑硅表面微納結(jié) 構(gòu)的影響；研究襯底溫度和氣氛壓強(qiáng)對(duì)黑硅材料的影響；研究黑硅微納結(jié)構(gòu)形狀、密度對(duì)入射光反射和吸收的影響；研究硫系摻雜元素在微納結(jié)構(gòu)層內(nèi)的濃度、分布和化學(xué)結(jié)構(gòu)，及其對(duì)黑硅表面能帶的影響， 對(duì)太陽光譜尤其是近紅外光吸收率的影響；研究熱退火和電子束快速退火對(duì)降低激光輻照引起的晶格損傷和對(duì)光譜吸收率變化的影響，提高黑硅材料的載流子遷移率；建立光學(xué)減反物理模型，計(jì)算模擬晶錐陣列對(duì)入射光的減反作用；深入理解黑硅特點(diǎn)及其實(shí)質(zhì)內(nèi)涵， 為制備黑硅太陽能電池奠定基礎(chǔ)。（3）高效黑硅太陽能電池設(shè)計(jì)與制備根據(jù)雜質(zhì)能級(jí)的光電離截面計(jì)算電子在深能級(jí)上被激發(fā)的概率，建立價(jià)帶、深能級(jí)和導(dǎo)帶三級(jí)/或多級(jí)光吸收的物理模型；研究硫系元素重 摻下的深能級(jí)局域態(tài)疊加，深能級(jí)子帶上載 流子的壽命和輸運(yùn)，以及俄歇電子產(chǎn)出。 研究深能級(jí)子帶對(duì)費(fèi)米能級(jí)、內(nèi)建電場(chǎng) 、少子壽命和 電池開路電壓 的影響；分析黑硅/硅 pn 結(jié)能帶結(jié)構(gòu)， 研究黑硅中的光生 電子—空穴對(duì)的分離、輸運(yùn)問題，建立黑硅中光生載流子的輸運(yùn)模型；研究新型化合物的量子效應(yīng)及其對(duì)光生載流子的作用。研究黑硅與襯底之間的緩變同質(zhì)結(jié)、黑硅與 p 型覆蓋層之間的突變異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)；研究?jī)?nèi)建電場(chǎng)的分布，及其在反偏壓作用下電流輸出的特性和機(jī)理；分析影響黑硅太陽能電池短路電流、和開路電壓的瓶頸，設(shè)計(jì)內(nèi)建電場(chǎng)與光吸收區(qū)重合的器件結(jié)構(gòu)；分析光生電子—空穴對(duì)的產(chǎn)生、分離和載流子輸運(yùn)過程，特別是對(duì)深能級(jí)子帶上電子的輸運(yùn)和收集；多電子產(chǎn)額機(jī)理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；計(jì)算模擬含有深能級(jí)子帶的器件結(jié)構(gòu)特性、探索提高黑硅太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的途徑，研制黑硅單結(jié)和 npn 雙同質(zhì)結(jié)太陽能電池。設(shè)計(jì)新型等離激元/有機(jī)基復(fù)合膜/黑硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)太陽能電池；研究?jī)?yōu)勢(shì)協(xié)同復(fù)合原理、復(fù)合界面結(jié)構(gòu)與特性；研究復(fù)合半導(dǎo)體體異質(zhì)結(jié)上的光電轉(zhuǎn)換過程和載流子的輸運(yùn)機(jī)理；研究金屬納米顆粒大小、形貌、 間距、介 質(zhì)材料等對(duì)其消光譜的影響；研究短路電流、開路 電壓、填充因子以及功率效率與復(fù)合薄膜的組份、復(fù)合方式、結(jié)構(gòu)和形貌之間的關(guān) 聯(lián)，反 饋到器件設(shè)計(jì)中， 優(yōu)化器件性能。二、預(yù)期目標(biāo)1、總體目標(biāo)從當(dāng)前我國(guó)能源領(lǐng)域發(fā)展的重大需求出發(fā)，選擇具有自己特色和良好基礎(chǔ)以及可能引發(fā)新的技術(shù)革命的新型微納結(jié)構(gòu)硅材料及其廣譜高效太陽能電池為突破點(diǎn)，研究超快激光與硅表面相互作用機(jī)理及硅微納結(jié)構(gòu)器件物理，制備減反與廣譜吸收的黑硅材料，探索黑硅太陽能電池的紅外光電轉(zhuǎn)換、和多電子產(chǎn)出的機(jī)理，建立晶錐陣列的光減反模型、多級(jí)光吸收模型、以及深能級(jí)子帶電子輸運(yùn)通道，為 揭示光生電子—空穴 對(duì)的分離和輸運(yùn)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐，發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的太陽能電池材料、器件的全套理論方法及制備技術(shù)，提高我國(guó)半導(dǎo)體材料科學(xué)研究整體水平和創(chuàng)新能力，確立我國(guó)在太陽能電池材料及器件在國(guó)際上的先進(jìn)地位，推動(dòng)可再生清 潔能源研究發(fā)展。（1）五年目標(biāo)：研究轉(zhuǎn)換效率達(dá)到或超過 30%的硅太陽能電池。（2）兩年目標(biāo)：制備出黑硅太陽能電池樣片原型器件，具體指標(biāo)為1）黑硅太陽能電池指標(biāo)：原型電池效率：>15%2）黑硅材料指標(biāo)表面光反射率：85%（250nm80%（1000nm10?10mm2表面均勻性： >70%3）發(fā)表 SCI 和 EI 收錄論文 40 篇以上；4）申請(qǐng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利 16 項(xiàng)以上；5）培養(yǎng)博士生和碩士生約 24 名。6）取得一批重要成果，培養(yǎng)一支高水平的青年學(xué)術(shù)帶頭人隊(duì)伍。2、兩年預(yù)期目標(biāo)（1）超快激光脈沖作用下硅表面晶錐形成機(jī)理的預(yù)期目標(biāo)探明超短激光脈沖微構(gòu)造初期的光物理和光化學(xué)原理，揭示超快激光脈沖和硅表面相互作用的非線性動(dòng)力學(xué)過程，以及表面紋波與融滴自組裝的微觀機(jī)理。建立超快激光脈沖微構(gòu)造硅表面的動(dòng)力學(xué)模型，從物理機(jī)制上解釋黑硅表面晶錐形成的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)起因。為研制新型微納結(jié)構(gòu)硅材料、以及對(duì)此微納結(jié)構(gòu)的可控性打下理論基礎(chǔ)。（2）黑硅材料制備及性質(zhì)研究的預(yù)期目標(biāo)用超快激光脈沖制備出表面晶錐陣列、且非平衡過飽和摻雜的黑硅材料；通過對(duì)黑硅微觀結(jié)構(gòu)、光學(xué)反射和透射的測(cè)試分析，揭示黑硅材料的減反、廣 譜吸收與表面微納結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，計(jì)算模擬出能夠最大限度減少反射的實(shí)際晶錐陣列結(jié)構(gòu)參數(shù)；掌握黑硅材料制備和性質(zhì)控制的關(guān)鍵技術(shù)，使激光微構(gòu)造黑硅材料的反射率85% （250?1000nm）、反射率 80%（1000?2500nm），可直接用于器件制 備，達(dá)到當(dāng)時(shí)國(guó)際最好水平。（3）高效黑硅太陽能電池設(shè)計(jì)與制備的預(yù)期目標(biāo)測(cè)試分析深能級(jí)瞬態(tài)譜（DLTS），建立黑硅三能級(jí)光吸收模型；分析載流子損失的原因，建立黑硅的同 /異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)模型，光生載流子的輸運(yùn)模型；闡明偏壓下高電子產(chǎn)額的機(jī)理， 為黑硅材料制備及其電池器件研制提供理論基礎(chǔ)。根據(jù)黑硅的 N+半導(dǎo)體材料特性，設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的電池模型，作理論計(jì)算和分析對(duì)比，探索黑硅太陽能電池的短路大電流、開路高 電壓 的實(shí)現(xiàn)途徑。制 備黑硅單結(jié)太陽能電池原型器件，測(cè)試 并分析器件參數(shù)， 優(yōu)化和提高黑硅太陽能電池的整體性能，使其光電轉(zhuǎn)換效率初步達(dá)到 15％。構(gòu)筑等離激元陷光結(jié)構(gòu)/有機(jī)基復(fù)合膜/黑硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)太陽能電池；探明有序金屬納米顆粒陣列表面等離激元增強(qiáng)光吸收的機(jī)理，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬納米顆粒消光譜的人工調(diào)控，提高黑硅/ 有機(jī)復(fù)合太陽能電池有源區(qū) 對(duì)太陽光的有效吸收；闡明有機(jī)基復(fù)合膜/黑硅異質(zhì)界面的光物理過程，優(yōu)化太陽能 電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；利用體異質(zhì)結(jié)對(duì)光生激子的高效分離作用和載流子傳輸網(wǎng)絡(luò)，降低光生激子的二次復(fù)合幾率，提高光生電荷的傳輸 效率，從而使 轉(zhuǎn)換效率達(dá)到國(guó)際最好水平。三、研究方案1、學(xué)術(shù)思路根據(jù)有限目標(biāo)、重點(diǎn)突出的原則，從知 識(shí)創(chuàng)新的高度出發(fā)，以國(guó)家 對(duì)能源的重大需求為背景，開展基于超快激光脈沖微構(gòu)造硅表面的動(dòng)力學(xué)過程、黑硅材料的廣譜吸收與表面微納結(jié)構(gòu)的關(guān)系、及黑硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換機(jī)理三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題的基礎(chǔ)研究，從黑硅的深能級(jí)理論研究與多途徑的材料制備入手，力求從物理本質(zhì)上優(yōu)化黑硅材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和器件制備工藝，發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型黑硅材料和太陽能器件的制備技術(shù)，建立相應(yīng)理論與材料/器件制備的原始技術(shù)創(chuàng)新體系，研制出新一代太陽能光伏器件，從根本上提高我國(guó)太陽能領(lǐng)域?qū)W科的整體水平與創(chuàng)新能力。2、技術(shù)途徑2、技術(shù)途徑超快激光光源黑硅材料制作工藝處理器件制作材料物理模型器件物理模型性能表征器件測(cè)試表面作用模型⑴⑵⑶⑷ ⑸⑹⑺⑻⑼ ⑽⑾⑿ ⒀ ⒁圖 3 技術(shù)途徑線路圖技術(shù)途徑如圖 3 所示，即利用超快脈沖激光制作黑硅材料⑴，建立表面作用機(jī)理模型⑵，調(diào)整激光參數(shù) ⑶；對(duì)黑硅材料進(jìn)行退火等工藝處理⑷，對(duì)其進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)、光學(xué)、 電學(xué)特性表征⑸，分析后建立材料物理模型 ⑹，修正材料制備參數(shù)⑺和工藝處理⑻；提高材料質(zhì)量并制備器件⑼，進(jìn)行器件參數(shù)測(cè)試⑽，建立器件物理模型⑾，并將測(cè)試結(jié) 果反饋到材料制作⑿、工藝處理⒀、和器件制作 ⒁，進(jìn)一步優(yōu)化器件參數(shù)，完善材料制作技術(shù)和新型黑硅電池制作技術(shù)。（1）超快激光與硅表面相互作用機(jī)理的研究方案? 超短脈沖激光輻照：通過飛秒泵浦探測(cè)測(cè)量，研究弱激發(fā)下介質(zhì)的瞬態(tài)響應(yīng)，分析其中的光電互作用機(jī)理和力學(xué)效應(yīng)；通過系統(tǒng)研究激光波長(zhǎng)、脈沖寬度、激發(fā)頻率、單脈沖峰值功率等條件，結(jié)合空間光調(diào)制法，實(shí)時(shí)觀測(cè)激發(fā)光在固體表面產(chǎn)生準(zhǔn)周期波紋圖案的形成過程，分析各參數(shù)對(duì)波紋圖案形成的影響力度，從而揭示激發(fā)光與物質(zhì)相互作用機(jī)理；同時(shí)通過更換不同晶向硅片，包括非晶硅以及其它固態(tài)介質(zhì)如金屬、有機(jī)物、電介質(zhì)、玻璃等材料，研究表面準(zhǔn)周期波紋圖案和材料固有的晶格對(duì)稱性、應(yīng)力、缺陷 態(tài)之間的關(guān)系；綜合上述結(jié)果建立表面波紋圖案產(chǎn)生的機(jī)理模型。? 表面紋波/融滴自組裝的微觀機(jī)制：研究飛秒、皮秒等超快脈沖激光參數(shù) 對(duì)表面紋波與融滴自組裝形貌、大小、結(jié)構(gòu)的影響，用 掃 描電子顯微鏡（SEM ）、原子力顯微鏡（AFM）觀察和統(tǒng)計(jì) 激光輻照引入表面紋波與融滴的位置、以及融滴與表面波紋圖案的關(guān)系，重點(diǎn)分析其分布的周期性和對(duì)稱性，獲取紋波和融滴自組裝形成的光與物質(zhì)作用的微觀機(jī)理。通過放大成像實(shí)時(shí)觀測(cè)表面波紋圖案的演化過程；建立表面波紋圖案產(chǎn)生的機(jī)理模型。不同的微觀過程將直接反映在結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上，為驗(yàn)證和理解實(shí)驗(yàn)結(jié)果， 理論上將通過遺傳算法等結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法確定黑硅表層中雜質(zhì)、缺陷的分布和結(jié)構(gòu)，由此 進(jìn)一步說明和解釋微觀過程的物理機(jī)制；在此基礎(chǔ)上采用第一性原理計(jì)算表層的電子結(jié)構(gòu)，并研究其光學(xué)吸收和光電相互作用等性質(zhì)。? 晶錐生長(zhǎng)機(jī)理：通過對(duì)激光脈沖輻照時(shí)的發(fā)光信號(hào)進(jìn)行超快時(shí)間分辨光譜測(cè)量，研究飛秒與半導(dǎo)體表面相互作用的非線性動(dòng)力學(xué)過程；分析不同氣體氛圍中發(fā)光信號(hào)的光譜和壽命所對(duì)應(yīng)的原子、分子組分，并用二次離子質(zhì)譜（SIMS）、俄歇（Auger）能譜測(cè)試晶錐不同深度的雜質(zhì)元素的組分和分布，獲取在激光輻照過程中氣體分子化學(xué)反應(yīng)信息；用掃描電鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM ）觀察分析晶錐的微觀幾何結(jié)構(gòu)，研究晶錐在激光燒蝕過程中形成和生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)過程；利用 X 射線衍射（XRD）等檢測(cè)技術(shù)通過對(duì)激光濺射硅粉和黑硅表面晶錐組分和晶格對(duì)稱性的分析，研究黑硅表面晶錐形成過程和機(jī)理，最終從物理機(jī)制上解決晶錐形成和生長(zhǎng)機(jī)理；根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提取主要的物理過程和參數(shù)建立生長(zhǎng)過程的基本物理模型，并采用計(jì)算機(jī)模擬尋找最優(yōu)化的生長(zhǎng)方案和參數(shù)。? 激光器制備：在對(duì) LD 泵浦 Nd:YAG 或 Nd:YVO4 晶體、SESAM 被動(dòng)鎖模產(chǎn)生 1064nm 激光進(jìn)行理論研究的基礎(chǔ)上，研制出瓦級(jí)輸出的皮秒 1064nm 脈沖激光器，光束質(zhì)量 M285%，在 1.0—2.5?m 范圍內(nèi)，光反射率 80%的黑硅材料，黑硅材料面積>10?10mm 2，表面均勻性 >70%。通過本課題研究，建立我國(guó)黑硅加工技術(shù)平臺(tái)， 為黑硅材料的技術(shù)應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。發(fā)表 SCI 與 EI 收錄論文約 10 篇，申 請(qǐng)專 利約 4 項(xiàng)，培養(yǎng)博 /碩士生約 6 名。承擔(dān)單位：復(fù)旦大學(xué)，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所負(fù)責(zé)人： 趙利 教授，學(xué)術(shù)骨干：朱洪亮 研究員，高季麟 研究員， 陳娓兮 教授，吳巨 副研究員，王魯峰 高級(jí)工程師，白一鳴 助研、 邊靜 實(shí)驗(yàn)師，王寶軍 實(shí)驗(yàn)師。經(jīng)費(fèi)分配：與總經(jīng)費(fèi)的比例為 25%課題 3，新型硅納米結(jié)構(gòu)器件物理主要研究?jī)?nèi)容：圍繞第二、三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題， 主要研究黑硅材料和深能級(jí)結(jié)構(gòu)中的相關(guān)物理問題。（1）微納晶錐陣列的光減反計(jì)算模擬對(duì)實(shí)際黑硅表面的微納米晶錐，建立相應(yīng)的物理模型，計(jì)算不同形狀、不同密度、不同濃度的硫系元素 摻雜、不同表面 結(jié)構(gòu)的晶 錐在不同角度光入射條件下的反射特性，從光學(xué)角度對(duì) 黑硅的光譜減反特性作出理論解釋，并根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果提出最佳的微納米晶錐陣列參數(shù)、最佳的硫系元素?fù)诫s濃度；研究硫系元素濃度與黑硅晶錐表面結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系；（2）顯微結(jié)構(gòu)分析對(duì)高濃度摻雜所形成的新相和缺陷進(jìn)行定性和定量的顯微結(jié)構(gòu)分析，從電鏡樣品制備上入手，制備出表面完整的電鏡樣品；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行鏡上實(shí)時(shí)分析，確定雜質(zhì)濃度和分布，觀察 納米顆粒、以及通 過衍射極 圖來確定新相結(jié)構(gòu)；與課題 2 結(jié)合，通過各種不同的 熱退火方式將缺陷降低到最低。（3）三能級(jí)光吸收模型黑硅可以吸收低于 Si 能帶的紅外光子，無外乎是通過深能級(jí)、缺陷兩種主要方式來進(jìn)行。借助深能級(jí) 瞬態(tài)譜（DLTS）對(duì)黑硅的深能級(jí)進(jìn)行測(cè)試、表征與分析，建立價(jià)帶、深能級(jí)和導(dǎo)帶三級(jí)/或多能級(jí)光吸收模型，以此來解釋黑硅的全太陽光譜吸收。研究摻雜區(qū)域厚度、雜質(zhì)濃度和分布、缺陷等對(duì)黑硅深能級(jí)以及光吸收特性的影響。（4）多電子產(chǎn)出模型研究能級(jí)間電子的躍遷幾率、深能級(jí)子帶上電子壽命，研究俄歇電子與黑硅光電器件中電子高額產(chǎn)出之間的關(guān)系，以及俄歇效應(yīng)與入射光譜（波長(zhǎng)）之間的關(guān)系；對(duì)比各種摻 Se 和 S 的 pn 結(jié)器件， 測(cè)試其光電響應(yīng)，分析高外量子效率的機(jī)理，并將其推廣到高能量光譜區(qū)。（5）激光器制備在對(duì) LD 泵浦 Nd:YAG 或 Nd:YVO4 晶體、SESAM 被動(dòng)鎖模產(chǎn)生 1064nm 激光進(jìn)行理論研究的基礎(chǔ)上，研制出瓦級(jí)輸出的皮秒 1064nm 脈沖激光器，光束質(zhì)量 M270%，黑硅材料用于太陽 電池研制。（3）理論分析運(yùn)用有限元方法構(gòu)造 Si 基單個(gè)表面非光滑的錐形模型，逐步擴(kuò)展到陣列；計(jì)算晶錐對(duì)光子的反射概率。將不同劑量的硒（Se）離子注入到硅表層，對(duì)其光學(xué)吸收、電學(xué) Hall、和顯微結(jié)構(gòu)等物理特性進(jìn)行測(cè)試分析，研究摻雜表面層的厚度、雜質(zhì)濃度和分布、缺陷等對(duì)黑硅深能級(jí)以及光吸收特性的影響。用深能級(jí)瞬態(tài)譜（DLTS）對(duì)硒（Se）在黑硅中引入的深能級(jí)進(jìn)行測(cè)試、表征與分析，建立價(jià)帶、深能級(jí)和導(dǎo)帶三級(jí)/或多能級(jí)光吸收模型，根據(jù)雜質(zhì)能級(jí)的光電離截面計(jì)算電子在深能級(jí)上被激發(fā)的概率。（4）黑硅太陽能電池研究制備硒/硼、磷/硼離子 pn 單結(jié)電池， 測(cè)試其光電響 應(yīng)、 發(fā)電效率，研究低缺陷（相對(duì)黑硅而言）器件的廣譜光電轉(zhuǎn)換特性；通過對(duì)注入劑量和深度的控制，研究?jī)?nèi)建電場(chǎng)與光吸收區(qū)重合程度對(duì)光生電子—空穴對(duì)分離的影響。設(shè)計(jì)黑硅 pin 電池結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行器件流片，測(cè)試電池效率，分析影響效率的瓶頸，解決晶錐陣列難 以去膠、晶 錐表層容易脫落、電極難以制備等問題，優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，使其效率達(dá)到 8%；對(duì)比黑硅電池與注入摻雜電池的區(qū)別，研究缺陷對(duì)載流子復(fù)合的影響，同時(shí)與課題 2 中少子壽命測(cè)試結(jié)合起來分析；（5）有機(jī)/黑硅復(fù)合制備有機(jī)/黑硅復(fù)合體，研究材料的光吸收特點(diǎn)、表面抗反射特性，同時(shí)降低自由載流子向收集電極輸運(yùn)過程中的復(fù)合幾率。利用金屬納米顆粒表面等離激元獨(dú)特的光學(xué)特性作為一種陷光結(jié)構(gòu)，減小電池表面對(duì)太陽光的反射從而提高太陽能電池的光吸收率。（6）激光器研發(fā)在對(duì) LD 泵浦 Nd:YAG 或 Nd:YVO4 晶體、SESAM 被動(dòng)鎖模產(chǎn)生 1064nm 激光進(jìn)行理論研究的基礎(chǔ)上，研制出瓦級(jí)輸出的皮秒 1064nm 脈沖激光器，光束質(zhì)量 M280%，黑硅材料遷移率>100cm 2/V?s，材料面積>10?10mm 2；表面均勻性>80%。（3）理論分析通過計(jì)算機(jī)編程，建立不同折射率的晶錐陣列模型，計(jì)算不同的形狀、尺寸、密度對(duì)入射光的反射率，以及不同入射光波長(zhǎng)、不同入射角對(duì)反射率的影響；并根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果提出最佳的微納米晶錐陣列參數(shù)。將硫（S）離子注入硅材料表層， 對(duì)其光學(xué)吸收、電學(xué) Hall、顯微結(jié)構(gòu)等物理特性進(jìn)行測(cè)試分析；研究摻雜表面層的厚度、雜質(zhì)濃度和分布、缺陷等對(duì)黑硅深能級(jí)以及光吸收特性的影響。通過深能級(jí)瞬態(tài)譜（DLTS）對(duì)硫（S）在黑硅中形成的深能級(jí)進(jìn)行測(cè)試、表征與分析，建立價(jià)帶、深能級(jí)和導(dǎo)帶三級(jí)/或多能級(jí)光吸收模型，根據(jù)雜質(zhì)能級(jí)的光電離截面計(jì)算電子在深能級(jí)上被激發(fā)的概率。（4）黑硅太陽能電池制備：制備硒/硼、磷/硼離子 pn 單結(jié)電池， 測(cè)試其光電響 應(yīng)、 發(fā)電效率，研究少缺陷下（相對(duì)黑硅而言）器件的光電轉(zhuǎn)換特性。研究深能級(jí)子帶在黑硅表面的特性，研究可與其形成歐姆接觸的工藝方法；揭示黑硅中的光生載流子輸運(yùn)特性，分析載流子的復(fù)合機(jī)制，提出黑硅中光生載流子的輸運(yùn)模型。對(duì)黑硅材料進(jìn)行 npn 器件流片，解決工藝沖突等問題，測(cè)試器件參數(shù)，分析影響電池效率的原因，優(yōu)化和提高 pin 和 npn 電池的整體特性，使其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 15％以上。（5）有機(jī)/黑硅復(fù)合電池研制黑硅有機(jī)復(fù)合太陽能電池，并通過金屬等離激元來降低反射和增強(qiáng)吸收，最終 提高電池效率，并使其達(dá)到國(guó)際最好水平。（6）激光器研發(fā)通過改進(jìn)激光器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)功率比例的調(diào)節(jié)，并進(jìn)行整機(jī)設(shè)計(jì)及輸出雙波長(zhǎng)激光的光路傳輸與整形系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完成雙波長(zhǎng)激光器樣機(jī)的研制及調(diào)試；根據(jù)實(shí)驗(yàn)效果對(duì)激光器的輸出參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化及改進(jìn)，完善激光器性能，使獲得更好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。