MaCE法电场作用制备单晶硅太阳能电池表面微纳结构的研究

摘要

随着常规能源石油、天然气、煤炭等资源枯竭问题日益凸现以及国际社会对环境问题的日益关注，发展可再生的新型绿色能源以代替传统能源已成为目前世界各国广泛关注的重要课题。在各种新能源中，太阳能电池发电被认为是未来最有前景的主要能源形式之一。与普通体硅材料对比，由于硅纳米线自身具有较大的表面积和相对小的折射率，因而表现出良好的光吸收特性和低反射特性，从而使其在纳米线太阳能电池中具有广阔的前景。制备硅纳米线结构的方法有很多，其中金属辅助化学刻蚀法凭借其简单低功耗、制备的微纳米结构质量好、精度高以及可制备的微纳米结构特征不局限等优点，近年来受到国内外广泛的关注。但是金属辅助化学刻蚀反应过程易受贵金属催化剂的种类、硅片的掺杂程度、刻蚀溶液配比等多种因素影响，难以实现反应过程的有效控制。本文结合金属辅助化学刻蚀反应中的自感电场与电化学腐蚀多孔硅，提出添加外电场来驱动贵金属离子，辅助贵金属离子制备硅纳米线阵列结构，为硅纳米线结构的可控制备提供了新的方法和实验手段。
　　本文主要研究内容如下：
　　（1）背景和意义。介绍太阳能电池的表面形貌发展历程，突出硅纳米线阵列电池良好的减反射特性并罗列几种常见的硅纳米线制备方法，详细的阐述了金属辅助化学刻蚀法及其研究现状，并引出本文主要研究内容。
　　（2）电场下金属辅助化学刻蚀（MaCE）制备太阳能电池表面微纳结构的理论基础。以MaCE反应过程为基础，构建反应模型，重点叙述反应中的电荷转移和微粒的运动并讨论影响刻蚀方向、刻蚀速率的因素。结合MaCE法中的自感电场与电化学腐蚀多孔硅，提出电场辅助贵金属离子的MaCE方法。
　　（3）实验研究。设计实验平台，并介绍其操作步骤。利用控制变量法设计4类不同的实验，详细的给出各类实验的具体参数以及实验过程与步骤。最后展示实验所用的设备和仪器。
　　（4）形貌研究。开展了外加电场对硅纳米结构制备的影响研究，提出了MaCE法电场作用制备硅纳米结构的加工机理，并构建了银离子在电场作用下制备硅纳米结构的运动模型。对MaCE法电场作用所制备的纳米线结构SEM检测分析，开展了电场对纳米结构质量影响的研究，得到了最优的外加电流密度。最后开展了氧化剂浓度和电场方向对硅纳米线结构走向的研究。结果表明：氧化剂浓度的调控能力弱于电场，电场下刻蚀方向与电场线方向一致。
　　（5）反射率研究。开展了电场强度、电场方向以及电场下氧化剂浓度对纳米线阵列反射率的影响实验。结果表明：在电流密度为1.5mA/cm2时，反射率达到了2.2％以下；一定范围内氧化剂浓度越高，反射率越小；纳米线走向影响可见光反射率，倾斜的纳米线反射率高于垂直走向的纳米线结构，以此为基础分析并得出反射率最低所需要的条件。

目录

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2太阳能电池表面结构的发展历程

1.3硅纳米线太阳能电池的光反射特性

1.4硅纳米线太阳能电池制备的研究现状

1.5本文的主要内容

第2章 电场下MaCE制备太阳能表面微纳结构的理论基础

2.1引言

2.2金属辅助化学刻蚀法（MaCE）机理

2.3硅纳米线的可控制备机理

2.4电场对于刻蚀单晶硅的影响

2.5硅纳米线结构的减反射理论依据

2.6本章小结

第3章 实验研究

3.1引言

3.2实验平台设计

3.3实验方案

3.4实验过程与步骤

3.5实验设备与试剂

3.6本章小结

第4章 电场作用下制备的硅纳米线结构的形貌分析

4.1引言

4.2电场对MaCE刻蚀硅纳米线阵列结构的影响

4.3电场强度对MaCE制备硅纳米线阵列结构及刻蚀速率的影响

4.4电场作用下氧化剂浓度对MaCE制备硅纳米线阵列结构的影响

4.5电场方向对MaCE制备硅纳米线阵列结构的影响

4.6本章小结

第5章 电场作用下制备的硅纳米线结构的反射率分析

5.1引言

5.2电场对硅纳米线结构的反射率影响

5.3电场强度对硅纳米线结构的反射率分析

5.4电场作用下氧化剂浓度对MaCE制备硅纳米线结构的反射率分析

5.5电场方向对MaCE制备硅纳米线阵列结构的反射率分析

5.6本章小结

第6章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

附录