專利名稱：一種微納結(jié)構(gòu)硅材料的制備系統(tǒng)與制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微納結(jié)構(gòu)硅材料的制備系統(tǒng)與制備方法，涉及激光加工技術(shù)，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)：
能源是現(xiàn)代人類社會(huì)發(fā)展的首要前提條件，而太陽(yáng)能取之不盡，用之不竭，是對(duì)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(yáng)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(yáng)能電池的 產(chǎn)量年均復(fù)合增長(zhǎng)率約為47%，2008年產(chǎn)量達(dá)到6. 4GW。我國(guó)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(guó)。眾所周知，提高太陽(yáng)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(duì)太陽(yáng)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。理論分析表明，在100%吸收太陽(yáng)光全光譜并且和對(duì)應(yīng)所有吸收頻段的帶隙都最 優(yōu)化的前提條件下，太陽(yáng)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(yáng)能電池(僅對(duì)1. 12eV帶隙優(yōu)化)的理論效率上限僅為31%，這說明提高太陽(yáng)能電 池的光電轉(zhuǎn)換效率還有很大的空間。研究表明，太陽(yáng)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(duì)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(yáng)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。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(jí)錐形尖峰結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)測(cè)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(duì)于超長(zhǎng)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(duì)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(yáng)能電池照亮了前景。目前未見有關(guān)于生產(chǎn)微納結(jié)構(gòu)硅材料的制備系統(tǒng)與制備方法的具體相關(guān)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于飛秒激光對(duì)硅表面的蝕刻，首次提出即可用于實(shí)驗(yàn)研究，又可適用于 工業(yè)生產(chǎn)的微納結(jié)構(gòu)硅材料的制備系統(tǒng)與制備方法。本發(fā)明使用簡(jiǎn)捷的光路，實(shí)用的方法 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。
一種微納結(jié)構(gòu)硅材料的制備系統(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(zhǎng)腔真空室和三維調(diào)整臺(tái)，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(tái)固定在光學(xué)平臺(tái)上，不銹鋼長(zhǎng)腔真空室安裝在三維調(diào)整臺(tái)上，所 述的不銹鋼長(zhǎng)腔真空室前端設(shè)置有窗片，不銹鋼長(zhǎng)腔真空室內(nèi)部的后表面粘貼有硅片，不 銹鋼長(zhǎng)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。一種微納結(jié)構(gòu)硅材料的制備方法，采用鈦寶石飛秒激光器，將重復(fù)產(chǎn)生的頻率為1kHz，脈寬范圍在35 45fs的超短激光脈沖，通過反射鏡引入系統(tǒng)，之后沿光路方向，通過 連續(xù)可調(diào)衰減片調(diào)節(jié)激光功率，利用脈沖計(jì)數(shù)器控制光快門開關(guān)時(shí)間，控制脈沖個(gè)數(shù)，經(jīng)透 鏡聚焦后，與充氣管道回填的背景氣體與硅片的化學(xué)作用，將能量輻射在硅片表面，通過控 制透鏡與硅片間距離改變光斑直徑，從而改變能量密度。所述的不銹鋼長(zhǎng)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(zhǎng)度大于20cm。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)。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。所述的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，所述背 景氣體的壓強(qiáng)范圍為IO2Pa到105Pa。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。硅片安裝在真空室內(nèi)，真空室置于三維調(diào)節(jié)臺(tái)上，可沿三個(gè)方向移動(dòng)從而改變飛 秒激光在硅片上蝕刻的位置。光學(xué)器件之間的距離可根據(jù)光學(xué)平臺(tái)的尺寸自定。本發(fā)明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(duì) 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。本發(fā)明生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，操作便捷，梭得微納結(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(yáng)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。


圖1為本發(fā)明微納結(jié)構(gòu)硅材料的制備系統(tǒng)針體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為制備出的表面具有微納結(jié)構(gòu)的硅片；圖3為制備出的微納硅材料表面在掃描電子顯微鏡下的形貌。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(zhǎng)腔真空室，12.硅片，13.三維調(diào)整臺(tái)，14.脈沖計(jì)數(shù)器，15.光學(xué)平臺(tái)。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明加以詳細(xì)說明。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(tái)13 均固定在光學(xué)平臺(tái)15上。不銹鋼長(zhǎng)腔真空室安裝在三維調(diào)整臺(tái)13上，腔室長(zhǎng)度大于20cm。 所述的不銹鋼長(zhǎng)腔真空室前端設(shè)置有窗片7，不銹鋼長(zhǎng)腔真空室內(nèi)部的后表面粘貼有硅片 12，不銹鋼長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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。所述背景氣體的壓強(qiáng)范圍 為IO2Pa到105Pa?；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。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(dòng)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0. 4mm的真空室窗片7，直接打在硅片12表面。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(tái)13控制不銹鋼長(zhǎng)腔真空室11的移動(dòng)，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(dòng)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(duì)可見光的吸 收。圖2所示為制備出的表面具有微納結(jié)構(gòu)的硅片，硅片上黑點(diǎn)為不同能量密度、不同脈沖 數(shù)的條件下制備的微納結(jié)構(gòu)。每一個(gè)點(diǎn)在掃描電子顯微鏡下觀察到得尖峰狀微納結(jié)構(gòu)都將 有所差異。圖3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8kJ/m2，，脈沖數(shù)為1000的飛秒激光，以SF6為背景氣體且壓強(qiáng)為6700Pa 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
一種微納結(jié)構(gòu)硅材料的制備系統(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(zhǎng)腔真空室和三維調(diào)整臺(tái)，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(tái)固定在光學(xué)平臺(tái)上，不銹鋼真空室安裝在三維調(diào)整臺(tái)上，所述的不銹鋼真空室前端設(shè)置有窗片，不銹鋼長(zhǎng)腔真空室內(nèi)部的后表面粘貼有硅片，不銹鋼長(zhǎng)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。
2.一種微納結(jié)構(gòu)硅材料的制備方法，其特征在于采用鈦寶石飛秒激光器，將重復(fù)產(chǎn) 生的頻率為1kHz，脈寬范圍在35 45fs的超短激光脈沖，通過反射鏡引入系統(tǒng)，之后沿光 路方向，通過連續(xù)可調(diào)衰減片調(diào)節(jié)激光功率，利用脈沖計(jì)數(shù)器控制光快門開關(guān)時(shí)間，控制脈 沖個(gè)數(shù)，經(jīng)透鏡聚焦后，與充氣管道回填的背景氣體與硅片的化學(xué)作用，將能量輻射在硅片 表面，通過控制透鏡與硅片間距離可以改變光斑直徑，從而改變能量密度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微納結(jié)構(gòu)硅材料的制備系統(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(zhǎng)度大于20cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微納結(jié)構(gòu)硅材料的制備系統(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。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種微納結(jié)構(gòu)硅材料的制備系統(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。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種微納結(jié)構(gòu)硅材料的制備方法，其特征在于所述的背景 氣體為六氟化硫(SF6)、氯氣或真空環(huán)境氣體，所述背景氣體的壓強(qiáng)范圍為IO2Pa到105Pa。
全文摘要
一種微納結(jié)構(gòu)硅材料的制備系統(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(tái)固定在光學(xué)平臺(tái)上，不銹鋼長(zhǎng)腔真空室安裝在三維調(diào)整臺(tái)上，不銹鋼長(zhǎng)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。本發(fā)明生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)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(hào)H01L21/3065GK101819927SQ20101014604
公開日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2010年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月13日
發(fā)明者倪爭(zhēng)技, 莊松林, 張大偉, 彭滟, 曹劍煒, 朱亦鳴, 溫雅, 許麗蘭, 阮邵崧, 陳麟 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)