[发明专利]一种微纳结构硅材料的制备系统与制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微纳结构硅材料的制备系统与制备方法，涉及激光加工技术，采用飞秒 激光脉冲，通过物理变化和化学变化的共同作用，制备出宽光谱范围内具有高吸收效率的微 纳结构硅材料。

背景技术

能源是现代人类社会发展的首要前提条件，而太阳能取之不尽，用之不竭，是对环境无 任何污染的新型可再生能源的首选。充分利用太阳能是解决未来能源短缺，保护环境，降低 释放温室效应气体，防止全球变暖的有效途径。2000年至2008年，全球太阳能电池的产量年 均复合增长率约为47％，2008年产量达到6.4GW。我国的光伏产业在近几年也有了迅猛发展， 生产的光伏电池总量占了全球总量的30％，成为全球光伏电池生产第一大国。

众所周知，提高太阳能电池光电转换效率的关键是光伏材料的性能、结构等方面的改进。 而欲在光伏材料上有所突破，进一步提高其对太阳能光谱的有效吸收率，就一定要有新的， 非传统的材料或改进传统材料的制备方法。超短脉冲激光与光伏材料相作用，得到的具有微 纳结构的新型材料正满足这一要求。

理论分析表明，在100％吸收太阳光全光谱并且和对应所有吸收频段的带隙都最优化的前 提条件下，太阳辐射能转换成电能的理想卡诺循环极限效率为86.8％，单结单晶硅太阳能电 池(仅对1.12eV带隙优化)的理论效率上限仅为31％，这说明提高太阳能电池的光电转换 效率还有很大的空间。研究表明，太阳能电池光电转换中的能量损失主要源于4部分：①光 伏材料表面反射；②低的有效光谱吸收利用率(包括红外波段光子不产生电子空穴对和紫外 光子能量大于带隙能的部分变成了热)；③电子空穴复合；④载流子输运和接触电极的欧姆 损耗。要提高太阳能光伏电池的效率无外乎要从以上四个方面入手。其中，尤其重要的是低 的光谱利用率这一项就占去了大于50％的光能损耗。

1998年，哈佛大学的Mazur科研小组将晶体硅材料放进一个充满SF₆气体的环境中，然 后用近红外飞秒激光照射硅片，激光扫描后的硅片表面变成了黑色，在显微镜下观察到硅片 的表面形成了准规则排列的微米量级锥形尖峰结构。实验测定这种“黑硅”材料与本底未处 理材料的性质相比发生了非常大的变化：一是材料带隙减小，对于超长波段的入射光波有较 大的吸收；二是与不处理的普通硅晶片相比，在近红外的一些波段上此种光伏材料对光的敏 感性提高了100至500倍；另外，这种经飞秒激光“黑化”处理的硅材料与硅单晶材料相比 比重减小，这一实验室现象为新型太阳能电池照亮了前景。

目前未见有关于生产微纳结构硅材料的制备系统与制备方法的具体相关报道。

发明内容

本发明基于飞秒激光对硅表面的蚀刻，首次提出即可用于实验研究，又可适用于工业生 产的微纳结构硅材料的制备系统与制备方法。本发明使用简捷的光路，实用的方法可制备出 宽光谱范围内具有高吸收率的微纳结构硅材料。

一种微纳结构硅材料的制备系统，包括钛宝石飞秒激光器、反射镜、连续可调衰减片、 光快门、透镜、不锈钢长腔真空室和三维调整台，其特征在于：反射镜、连续可调衰减片、 光快门、透镜和三维调整台固定在光学平台上，不锈钢长腔真空室安装在三维调整台上，所 述的不锈钢长腔真空室前端设置有窗片，不锈钢长腔真空室内部的后表面粘贴有硅片，不锈 钢长腔真空室与外部的真空室充气管道连接，所述的真空室充气管道上设置有两个微调阀， 光快门通过导线与脉冲计数器连接，所述的钛宝石飞秒激光器频率为1kHz，脉宽范围在35～ 45fs的超短激光脉冲。

一种微纳结构硅材料的制备方法，采用钛宝石飞秒激光器，将重复产生的频率为1kHz， 脉宽范围在35～45fs的超短激光脉冲，通过反射镜引入系统，之后沿光路方向，通过连续可 调衰减片调节激光功率，利用脉冲计数器控制光快门开关时间，控制脉冲个数，经透镜聚焦 后，与充气管道回填的背景气体与硅片的化学作用，将能量辐射在硅片表面，通过控制透镜 与硅片间距离改变光斑直径，从而改变能量密度。

所述的不锈钢长腔真空室呈圆柱状，腔室前表面连接有厚度为0.4mm的超薄窗片，腔室 长度大于20cm。

在真空室的充气管道上两个微调阀之间间隔为10cm，使每次充入真空室内的背景气体体 积很小，从而更精确的控制室内压强。

所述的光斑直径在150μm到200μm之间为最佳。因此透镜与硅片间距离控制在86cm到 90cm之间。