專利名稱：一種用于制備微納結(jié)構(gòu)硅的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種用于制備微納結(jié)構(gòu)硅的系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型涉及一種用于制備微納結(jié)構(gòu)硅的系統(tǒng)，采用飛秒激光脈沖，通過物理變化和化學(xué)變化的共同作用，制備出寬光譜范圍內(nèi)具有高吸收效率的微納結(jié)構(gòu)硅材料。
背景技術(shù)：
[0002]能源是現(xiàn)代人類社會發(fā)展的首要前提條件，而太陽能取之不盡，用之不竭，是對環(huán)境無任何污染的新型可再生能源的首選。充分利用太陽能是解決未來能源短缺，保護(hù)環(huán)境， 降低釋放溫室效應(yīng)氣體，防止全球變暖的有效途徑。2000年至2008年，全球太陽能電池的產(chǎn)量年均復(fù)合增長率約為47%，2008年產(chǎn)量達(dá)到6. 4GW。我國的光伏產(chǎn)業(yè)在近幾年也有了迅猛發(fā)展，生產(chǎn)的光伏電池總量占了全球總量的30%，成為全球光伏電池生產(chǎn)第一大國。[0003]眾所周知，提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵是光伏材料的性能、結(jié)構(gòu)等方面的改進(jìn)。而欲在光伏材料上有所突破，進(jìn)一步提高其對太陽能光譜的有效吸收率，就一定要有新的，非傳統(tǒng)的材料或改進(jìn)傳統(tǒng)材料的制備方法。超短脈沖激光與光伏材料相作用，得到的具有微納結(jié)構(gòu)的新型材料正滿足這一要求。[0004]理論分析表明，在100%吸收太陽光全光譜并且和對應(yīng)所有吸收頻段的帶隙都最優(yōu)化的前提條件下，太陽輻射能轉(zhuǎn)換成電能的理想卡諾循環(huán)極限效率為86. 8%，單結(jié)單晶硅太陽能電池(僅對1. 12eV帶隙優(yōu)化)的理論效率上限僅為31%，這說明提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率還有很大的空間。研究表明，太陽能電池光電轉(zhuǎn)換中的能量損失主要源于4部分①光伏材料表面反射；②低的有效光譜吸收利用率(包括紅外波段光子不產(chǎn)生電子空穴對和紫外光子能量大于帶隙能的部分變成了熱)；③電子空穴復(fù)合；④載流子輸運(yùn)和接觸電極的歐姆損耗。要提高太陽能光伏電池的效率無外乎要從以上四個(gè)方面入手。 其中，尤其重要的是低的光譜利用率這一項(xiàng)就占去了大于50%的光能損耗。[0005]1998年，哈佛大學(xué)的Mazur科研小組將晶體硅材料放進(jìn)一個(gè)充滿SF6氣體的環(huán)境中，然后用近紅外飛秒激光照射硅片，激光掃描后的硅片表面變成了黑色，在顯微鏡下觀察到硅片的表面形成了準(zhǔn)規(guī)則排列的微米量級錐形尖峰結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)測定這種“黑硅”材料與本底未處理材料的性質(zhì)相比發(fā)生了非常大的變化一是材料帶隙減小，對于超長波段的入射光波有較大的吸收；二是與不處理的普通硅晶片相比，在近紅外的一些波段上此種光伏材料對光的敏感性提高了 100至500倍；另外，這種經(jīng)飛秒激光“黑化”處理的硅材料與硅單晶材料相比比重減小，這一實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)象為新型太陽能電池照亮了前景。[0006]目前未見有關(guān)于生產(chǎn)微納結(jié)構(gòu)硅材料制備系統(tǒng)的相關(guān)報(bào)道。實(shí)用新型內(nèi)容[0007]本實(shí)用新型公開了一種用于制備微納結(jié)構(gòu)硅的系統(tǒng)，基于飛秒激光對硅表面的蝕刻，首次提出即用于實(shí)驗(yàn)研究，適用于工業(yè)生產(chǎn)的微納結(jié)構(gòu)硅材料的制備。本實(shí)用新型使用簡捷的光路，可制備出寬光譜范圍內(nèi)具有高吸收率的微納結(jié)構(gòu)硅材料。[0008]一種用于制備微納結(jié)構(gòu)硅的系統(tǒng)，包括鈦寶石飛秒激光器、反射鏡、連續(xù)可調(diào)衰減片、光快門、透鏡、不銹鋼長腔真空室和三維調(diào)整臺，其特征在于反射鏡、連續(xù)可調(diào)衰減片、 光快門、透鏡和三維調(diào)整臺固定在光學(xué)平臺上，不銹鋼長腔真空室安裝在三維調(diào)整臺上，所述的不銹鋼長腔真空室前端設(shè)置有窗片，不銹鋼長腔真空室內(nèi)部的后表面粘貼有硅片，不銹鋼長腔真空室與外部的真空室充氣管道連接，所述的真空室充氣管道上設(shè)置有兩個(gè)微調(diào)閥，光快門通過導(dǎo)線與脈沖計(jì)數(shù)器連接，所述的鈦寶石飛秒激光器頻率為1kHz，脈寬范圍在 35 45fs的超短激光脈沖。[0009]所述的不銹鋼長腔真空室呈圓柱狀，腔室前表面連接有厚度為0.4mm的超薄窗片，腔室長度大于20cm。[0010]在真空室的充氣管道上兩個(gè)微調(diào)閥之間間隔為10cm，使每次充入真空室內(nèi)的背景氣體體積很小，從而更精確的控制室內(nèi)壓強(qiáng)。[0011]所述的光斑直徑在150 μ m到200 μ m之間為最佳。因此透鏡與硅片間距離控制在 86cm 至Ij 90cm 之間。[0012]本實(shí)用新型充氣管道回填的背景氣體為六氟化硫(SF6)、氯氣或真空環(huán)境氣體，通過激光蝕刻的物理作用連同背景氣體與硅的化學(xué)作用，制備表面具備獨(dú)特的微納結(jié)構(gòu)，能在寬光譜范圍內(nèi)具有高吸收效率的硅材料。[0013]硅片安裝在真空室內(nèi)，真空室置于三維調(diào)節(jié)臺上，可沿三個(gè)方向移動從而改變飛秒激光在硅片上蝕刻的位置。[0014]光學(xué)器件之間的距離可根據(jù)光學(xué)平臺的尺寸自定。[0015]本實(shí)用新型利用高功率的飛秒激光，在六氟化硫、氯氣或真空等環(huán)境氣體的存在下，對單晶硅表面進(jìn)行蝕刻。通過連續(xù)可調(diào)衰減片調(diào)節(jié)入射激光功率，配合使用脈沖計(jì)數(shù)器準(zhǔn)確控制蝕刻的脈沖數(shù)量，并利用微調(diào)閥門調(diào)節(jié)真空室內(nèi)氣體壓強(qiáng)，最終實(shí)現(xiàn)各種不同形貌的微納結(jié)構(gòu)硅材料的形成。加工制備后所獲得的硅材料的典型特征為表面分布著微米尺度的洞和尖峰交替的結(jié)構(gòu)，且尖峰的表面附著納米尺度的小顆粒。該種表面形貌特征的硅材料可有效吸收200nm到3000nm波段的光，且其吸收效率和光電能量轉(zhuǎn)化效率遠(yuǎn)高于未經(jīng)過此類方法加工的傳統(tǒng)單晶硅材料。[0016]本實(shí)用新型生產(chǎn)工藝簡單，操作便捷，所得微納結(jié)構(gòu)的硅材料具有跨度超過 2500nm的吸收光譜，且反射率低于10%，在光伏太陽能電池材料和傳感器材料等領(lǐng)域方面都具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。


[0017]圖1為本實(shí)用新型微納結(jié)構(gòu)硅材料的制備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；[0018]圖2為制備出的微納硅材料表面在掃描電子顯微鏡下的形貌。[0019]1.鈦寶石飛秒激光器，2.飛秒激光脈沖，3.反射鏡，4.連續(xù)可調(diào)衰減片，5.光快門，6.透鏡，7.窗片，8.真空室充氣管道，9.微調(diào)閥，10. SF6等背景氣體，11.不銹鋼長腔真空室，12.硅片，13.三維調(diào)整臺，14.脈沖計(jì)數(shù)器，15.光學(xué)平臺。
具體實(shí)施方式
[0020]
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型加以詳細(xì)說明。[0021]如圖1所示的裝置，反射鏡3、連續(xù)可調(diào)衰減片4、光快門5、透鏡6、三維調(diào)整臺13均固定在光學(xué)平臺15上。不銹鋼長腔真空室安裝在三維調(diào)整臺13上，腔室長度大于20cm。 所述的不銹鋼長腔真空室前端設(shè)置有窗片7，不銹鋼長腔真空室內(nèi)部的后表面粘貼有硅片 12，不銹鋼長腔真空室與外部的真空室充氣管道8連接，所述的真空室充氣管道上設(shè)置有兩個(gè)微調(diào)閥9，光快門5通過導(dǎo)線與脈沖計(jì)數(shù)器14連接。透鏡6與硅片間距離為90cm，其他光學(xué)元件間距離均為10cm。清洗過的硅片12粘貼于不銹鋼長腔真空室11內(nèi)部的后表面，與前端的窗片7保持一定的距離。不銹鋼長腔真空室11內(nèi)的氣壓先由機(jī)械泵，后由分子泵抽取到低于10_4Pa，實(shí)驗(yàn)可在真空下進(jìn)行，也可在一定的背景氣體，如C12或者SF6存在的條件下進(jìn)行。經(jīng)真空室充氣管道8回填SF6等背景氣體10?；靥顨怏w時(shí)，利用安裝在充氣管道8上的間距為IOcm的兩個(gè)微調(diào)閥9將氣體分段控制，緩慢充入，達(dá)到精確控制背景氣體壓強(qiáng)的效果。[0022]由鈦寶石飛秒激光器1產(chǎn)生重復(fù)頻率為ΙΚΗζ，脈寬40f s，功率2W的飛秒激光脈沖 2。飛秒激光脈沖2通過反射鏡3引入系統(tǒng)。通過連續(xù)可調(diào)衰減片4，將功率衰減至1W，隨后通過光快門5 (即一個(gè)通過導(dǎo)線連接在脈沖計(jì)數(shù)器14上的電動光闌)。脈沖計(jì)數(shù)器事先設(shè)定好所要求的脈沖數(shù)，光快門5便可允許相應(yīng)的脈沖通過。隨后激光被焦距為IOOcm的透鏡6聚焦，穿過厚度為04mm的真空室窗片7，直接打在硅片12表面。[0023]在同一片硅片上制備不同參數(shù)下形成的硅材料時(shí)，每一個(gè)光斑形成后，可通過三維調(diào)整臺13控制不銹鋼長腔真空室11的移動，根據(jù)光斑大小選擇不同的位移；掃描具有一定面積的硅材料時(shí)(工業(yè)使用)，可使用兩維步進(jìn)電機(jī)，控制電機(jī)的運(yùn)動速度使硅片表面被激光均勻照射，從而使得單位面積上的脈沖數(shù)恒定，產(chǎn)生具有均勻微納結(jié)構(gòu)的硅材料。制備的硅片表面被蝕刻的部分肉眼看去完全變成黑色，直接發(fā)映出對可見光的吸收。[0024]圖2給出了典型微納硅材料的表面在掃描電子顯微鏡下的形貌，這種微納結(jié)構(gòu)是利用能量密度為ma/m2，，脈沖數(shù)為1000的飛秒激光，以SF6為背景氣體且壓強(qiáng)為6700 的情況下制備的。該種材料具有跨度超過2500nm的吸收光譜，且其吸收效率和光電能量轉(zhuǎn)化效率遠(yuǎn)高于單晶硅。
權(quán)利要求1.一種用于制備微納結(jié)構(gòu)硅的系統(tǒng)，包括鈦寶石飛秒激光器、反射鏡、連續(xù)可調(diào)衰減片、光快門、透鏡、不銹鋼長腔真空室和三維調(diào)整臺，其特征在于反射鏡、連續(xù)可調(diào)衰減片、 光快門、透鏡和三維調(diào)整臺依次固定在光學(xué)平臺上，不銹鋼真空室安裝在三維調(diào)整臺上，所述的不銹鋼真空室前端設(shè)置有窗片，不銹鋼長腔真空室內(nèi)部的后表面粘貼有硅片，不銹鋼長腔真空室與外部的真空室充氣管道連接，所述的真空室充氣管道上設(shè)置有兩個(gè)微調(diào)閥， 光快門通過導(dǎo)線與脈沖計(jì)數(shù)器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于制備微納結(jié)構(gòu)硅的系統(tǒng)，其特征在于不銹鋼真空室呈圓柱狀，腔室前端窗片厚度為0. 4mm的超薄窗片，腔室長度大于20cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于制備微納結(jié)構(gòu)硅的系統(tǒng)，其特征在于在真空室的充氣管道上兩個(gè)微調(diào)閥之間間隔為10cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于制備微納結(jié)構(gòu)硅的系統(tǒng)，其特征在于入射到窗片上的光斑直徑在150 μ m到200 μ m之間為最佳，因此透鏡與硅片間距離在86cm到90cm之間為最佳。
專利摘要本實(shí)用新型是一種用于制備微納結(jié)構(gòu)硅的系統(tǒng)，特點(diǎn)是反射鏡、連續(xù)可調(diào)衰減片、光快門、透鏡和三維調(diào)整臺固定在光學(xué)平臺上，不銹鋼長腔真空室安裝在三維調(diào)整臺上，不銹鋼長腔真空室前端有窗片，其內(nèi)部的后表面粘貼有硅片，外部與真空室充氣管道連接，所述管道上設(shè)置有兩個(gè)微調(diào)閥，光快門通過導(dǎo)線與脈沖計(jì)數(shù)器連接。通過連續(xù)可調(diào)衰減片調(diào)節(jié)入射激光功率，配合使用脈沖計(jì)數(shù)器準(zhǔn)確控制蝕刻的脈沖數(shù)量，并利用微調(diào)閥門調(diào)節(jié)真空室內(nèi)氣體壓強(qiáng)，最終實(shí)現(xiàn)各種不同形貌的微納結(jié)構(gòu)硅材料的形成。本實(shí)用新型生產(chǎn)工藝簡單，操作便捷，所得微納結(jié)構(gòu)的硅材料具有跨度超過2500nm的吸收光譜，且反射率低于10％。
文檔編號B81C1/00GK202272729SQ20112012484
公開日2012年6月13日 申請日期2011年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月26日
發(fā)明者吳文威, 莊松林, 彭滟, 朱亦鳴, 溫雅, 陳麟 申請人:上海理工大學(xué)