新型微纳结构硅材料及广谱高效太阳能电池研究.doc

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项目名称：

新型微纳结构硅材料及广谱高效太阳能电池研究

首席科学家：

李晋闽中国科学院半导体研究所

起止年限：

2012.1至2014.8

依托部门：

中国科学院

一、关键科学问题及研究内容

1、拟解决的关键科学问题

本项目的主要任务是发展和形成超快脉冲激光微纳制备具有优异光电转化特性的硅材料的新方法，并力争通过采用该方法在发展新型、高效太阳能电池的新原理和新技术方面取得创新性突破，为我国研发具有自主知识产权的高效第三代光伏电池奠定坚实基础。

为此，我们需要解决的关键科学问题包括：

1）超快脉冲激光在硅材料中产生微纳结构的机理

黑硅表面准有序晶锥是在数百次超快脉冲激光辐照化学辅助刻蚀下形成的，其微观结构和形成过程与激光能量、波长、脉宽、频率、和环境气氛等诸多因素密切相关。

对超快激光脉冲微构造硅表面动力学过程的研究，不仅能深入理解黑硅表面微结构的形成机理，更是制备高质量黑硅材料的重要前提。

因此，需要研究超快脉冲激光作用下硅材料中形成微纳米结构的动力学机理；超快脉冲激光在硅中制备微纳米结构的参数空间及其与所生成的微纳结构的对应关系；由超快脉冲激光烧蚀硅材料形成微纳结构的过程对材料的晶格、相态、能带和光生载流子行为的影响；由超快脉冲激光产生的微纳米结构与普通化学组装和刻蚀法获得的微纳结构的重要区别。

2）微纳结构硅材料的带隙结构与光生载流子特性

黑硅材料中光生载流子的产生、分离、输运和收集过程与激光辐照引入的晶格损伤、缺陷和复合中心、掺入的杂质、耗尽区的位置、内建电场的强弱、能带结构及电池结构等深层次因素相关。

为此，需要从提高光电转换效率的角度出发探索一种或多种最佳的微纳结构体系;超快脉冲激光制备的微纳结构硅材料的能带结构，实现对硅材料带隙的有效调控；揭示微纳结构中电子、空穴的复杂运动和复合机理；深入研究微纳结构硅材料的能带理论。

3）突破Shockley-Queisser极限的高效硅基太阳能电池的新原理和新结构

黑硅微构造材料对太阳光有很高的吸收率，但吸收的光能并非都能转换成电能。

探索黑硅太阳能电池中的光电转换机制是本项目必须解决的关键科学问题，是取得黑硅电池技术突破，掌握自主知识产权的核心。

需要根据硅基微纳结构太阳能电池光电转换效率的理论极限，在实际制作过程中使得界面，光谱吸收，电子空穴复合，焦耳热各主要损耗因数各自所对应的光能损耗降到最低值；对微纳结构的太阳能电池，在器件水平上优化电池结构，设计并制备低损欧姆电极；通过微纳结构化学涂层提高表面减反特性；对硅基太阳能电池，设计和优化背电极从而有效提高太阳光的总吸收率。

2、研究内容

围绕国家对新型、高效太阳能光伏电池新技术的重要需求，以开发新型微构造黑硅材料及其广谱高效太阳能电池器件为主要目标，将近年来迅速发展起来的超快脉冲激光微纳制备和检测技术应用于半导体硅材料，并基于上述所需解决的科学问题，我们将从以下三个方面展开深入系统的研究：

（1）超饱和掺杂微纳结构硅材料的光电特性及物理机制研究

研究超快脉冲激光辐照诱导材料表面微结构机理，研究弱激发下介质的瞬态响应，分析其中的光电互作用机理和力学效应；实时观测激发光在固体表面产生准周期波纹图案的形成过程，揭示激发光与物质相互作用机理；研究飞秒与半导体表面相互作用的非线性动力学过程。

从理论上给出硫系元素等重掺杂硅材料的光吸收谱，通过实验和理论结果的比较和分析，确定材料独特光响应及辐射性质在原子电子层次上的物理信息。

建立掺杂元素、制备条件和退火方式等与原子、电子等材料微观结构信息的内在关联和相互影响的规律。

研究超饱和掺杂微纳结构硅材料的光学、电学性质调控的有效方法和物理机理。

由动力学出发，研究杂质原子掺入表层的动力学规律和机制，探讨控制掺杂过程，从而控制材料性质的可能性和有效方法；从能带结构出发，研究各种因素和条件对能带结构的影响，以及能带结构的变化规律，由此给出通过改变能带结构实现调控微纳结构硅材料的光学和电学响应的有效方法。

研究超快脉冲激光诱导硅材料微纳结构的产生及其广谱高效吸收的机理，建立相应的数学物理模型，揭示增强吸收性能与样品微纳结构参数的内在联系，从而确立超快脉冲激光制备过程的系统优化关系，并运用这一模型对实验进行指导、分析和预测。

（2）新型微纳结构硅材料的制备研究

研究超快脉冲激光参数对硅材料进行微纳米结构制备的影响，包括实验研究单晶、多晶、微晶和非晶等不同类型硅材料中激光作用下产生微纳米结构的形貌特征、颗粒大小和均匀性等对入射激光能量、脉冲宽度、中心波长、光斑大小、偏振特性、脉冲照射次数等激光参数的依赖关系。

研究不同实验环境（如真空或不同反应气体乃至液体环境等）对超快脉冲激光制备微纳米结构硅材料的影响，分析确定产生具有宽带高效吸波功能的微纳结构硅材料所需的最佳激光加工或处理条件；包括在飞秒激光作用下，硅材料与气体反应形成微纳结构，并测量其光吸收与能带结构的变化。

研究硫系掺杂元素在微纳结构层内的浓度、分布和化学结构，及其对微纳结构硅材料表面能带的影响，对太阳光谱尤其是近红外光吸收率的影响；研究确立不同类型微纳结构对入射光波增强吸收效率与范围影响的关键物理要素，寻求优化设计实现硅材料广谱、高效吸收的新方法；研究热退火和激光快速退火对降低激光辐照引起的晶格损伤和对光谱吸收率变化的影响，提高微纳结构硅材料的载流子迁移率；深入理解微纳结构硅材料的特点及其实质内涵，为制备微纳结构硅太阳能电池奠定基础。

（3）新型微纳结构硅太阳能电池设计与制备

微纳结构硅材料中内建电场的结构与制备方法。

包括采用扩散和气相沉积等多种方法制备PN结。

从理论和实验两个方面对比研究适合微纳结构硅材料PN结的结构和制备工艺技术。

研究深能级子带对费米能级、内建电场、少子寿命和电池开路电压的影响；分析黑硅/硅pn结能带结构，研究微纳结构硅材料中的光生电子—空穴对的产生、分离、输运过程，建立微纳结构硅材料中光生载流子的输运模型。

制备高效微纳结构硅太阳能电池，分析影响微纳结构硅太阳能电池短路电流、和开路电压的瓶颈因素，探索提高黑硅太阳能电池光电转换效率的途径。

基于中间带模型，设计、优化中间带电池结构，将亚带隙光子纳入电池吸收范围。

研究微纳结构硅太阳电池对低能量光子（红外光谱）光电转换特性。

探索中间子带有效调控手段，提炼电池性能与其具体的依存关系，为新型微纳结构硅太阳电池的发展开创一条新的思路。

探索利用介质层包覆，在更大范围内对表面等离激消光峰进行调控，同时实现表面缺陷的钝化，研究表面等离激元陷光层的陷光效果，提高太阳电池性能。

二、预期目标

1、总体目标

从当前我国能源领域发展的重大需求出发，面向国家在太阳能光伏发电方面发展、把握前沿核心技术的重大需求，选择具有自己特色和良好基础以及可能引发新的技术革命的新型微纳结构硅材料及其广谱高效太阳能电池为突破点，开拓和形成超快脉冲激光制备和检测微纳结构硅材料的新方法，并力争通过采用该方法在发展高效太阳能电池的新原理和新技术方面取得创新性突破,为大幅度提高硅基太阳能电池的转换效率，实现可靠、高效太阳能电池及其它相关半导体光电器件的重大发展奠定实践和理论基础，从而提高我国半导体材料科学研究整体水平和创新能力，确立我国在太阳能电池材料及器件在国际上的先进地位，推动可再生清洁能源研究发展。

2、具体目标：

（1）开拓和形成具有核心自主创新性的新型高效硅材料超快脉冲激光微纳制备关键技术路线，界定和建立诸如激光脉冲能量、脉宽、光斑面积、反应气体流量等重要参数空间，建立掺杂元素、制备条件和退火方式等与材料光电响应的规律性联系，并针对硅材料表面减反和广谱吸收的要求提供最佳工艺参数选择指南，并与气相化学刻蚀技术相结合制备获得在250nm-2500nm光谱范围内具有高于90%有效吸收率的新型微纳结构硅材料，其迁移率达到102cm2/V.s、载流子寿命达到10μs的器件应用量级。

（2）探明超快脉冲激光初期微构造光物理和光化学过程；利用时间分辨荧光显微成像技术，系统研究黑硅的结构、杂质、缺陷等对其光电转换及载流子微观输运过程的影响，建立微纳结构硅材料体系中的载流子输运动力学模型。

利用第一性原理，通过遗传算法等结构优化方法确定黑硅表层中杂质、缺陷的分布和结构。

（3）提出适用于微纳结构硅基太阳能电池制备与检测的新方法，在突破Shockley-Queisser极限的高效硅基太阳能电池的新原理和新结构方面取得重要进展，将我国硅基太阳能电池技术提高到国际先进的研究水平。

研制出新型高效微纳结构硅太阳电池，其光电转换效率超过30%。

（4）促进我国超快脉冲激光微纳制备与检测技术的发展及其在太阳能利用领域中的应用，在国内、外核心刊物上发表具有重要学术价值的相关科学论文70篇，其中SCI/EI收录论文大于60篇，申请具有自主知识产权的专利20项以上。

士培养博士生和硕士生40名以上，同时打造一支高水平的、致力于硅基光伏材料及器件物理研究的科研团队。

三、研究方案

1、学术思路

根据有限目标、重点突出的原则，从知识创新的高度出发，以国家对能源的重大需求为背景，开展超快脉冲激光在硅材料中产生微纳结构的机理、微纳结构硅材料的带隙结构与光生载流子特性、及突破Shockley-Queisser极限的高效硅基太阳能电池的新原理和新结构三个关键科学问题的基础研究，从微纳结构硅的深能级理论研究与多途径的材料制备入手，力求从物理本质上优化微纳结构硅材料结构的设计和器件制备工艺。

通过多学科的交叉，以及各种实验、表征手段的互相配合，设立阶段性目标，循序渐进，在基于超快脉冲激光微纳制备和检测技术的新型高效太阳能电池研究中取得原创性重大成果，发展具有自主知识产权的新型微纳结构硅材料和太阳能器件的制备技术，建立相应理论与材料/器件制备的原始技术创新体系，研制出新一代太阳能光伏器件。

2、技术途径

超快激光光源

黑硅材料制作

工艺处理

器件制作

材料物理模型

器件物理模型

性能表征

器件测试

表面作用模型

⑴

⑵

⑶

⑷

⑸

⑹

⑺

⑻

⑼

⑽

⑾

⑿

⒀

⒁

图1技术途径

技术途径如图1所示，即利用超快脉冲激光制作黑硅材料⑴，建立表面作用机理模型⑵，调整激光参数⑶；对黑硅材料进行退火等工艺处理⑷，对其进行显微结构、光学、电学特性表征⑸，分析后建立材料物理模型⑹，修正材料制备参数⑺和工艺处理⑻；提高材料质量并制备器件⑼，进行器件参数测试⑽，建立器件物理模型⑾，并将测试结果反馈到材料制作⑿、工艺处理⒀、和器件制作⒁，进一步优化器件参数，完善材料制作技术和新型微纳结构硅太阳电池制作技术。

本项目将围绕发展新型高效硅基太阳能光伏电池的研究目标，从超快脉冲激光直接诱导微纳米结构的路径出发，充分利用超快脉冲激光超强、超快和超高时、空分辨的特性，对硅材料进行改性和超高灵敏度的表征，研究能带调控、表面减反结构及TCO膜优化，拓展研制高效硅基太阳能电池的新原理、新结构和新方法。

具体研究方案和技术路线如下：

（1）超快脉冲激光辐照诱导材料表面微结构机理研究：

采用进口掺钛宝石飞秒激光振荡器、啁啾脉冲激光放大器和飞秒光学参量放大器作为超快脉冲激光微纳制备和检测光源。

通过调整激光脉冲参数（包括能量、脉宽、脉冲数、波长和偏振态等）和聚焦光斑大小，系统研究不同气体和真空条件以及液体环境下对超快脉冲激光烧蚀硅材料形成微纳米结构的影响。

通过计算机编程控制实现激光脉冲参数调节、三维精密样品平台传动、以及检测数据采集之间的自动或半自动化，提高实验的可靠性、可重复性和整体效率；

（2）通过建立具有飞秒量级时间分辨和亚微米级空间分辨能力的微纳结构硅材料光学、光谱学特性的检测装置，研究超快脉冲激光作用下硅材料中微纳结构产生的超快速动态过程。

通过飞秒激光作用硅表面等离子体稳态和瞬态光谱测量，研究弱激发下介质的瞬态响应，分析其中的光电互作用机理和力学效应；通过系统研究激光波长、脉冲宽度、激发频率、单脉冲峰值功率、偏振等条件，实时观测激发光在固体表面产生准周期波纹图案的形成过程，分析各参数对波纹图案形成的影响力度，从而揭示激发光与物质相互作用机理；同时通过更换不同晶向硅片，包括非晶硅以及其它固态介质如金属、有机物、电介质、玻璃等材料，研究表面准周期结构与材料固有的晶格对称性、应力、缺陷态之间的关系。

（3）理论上将通过遗传算法等结构优化方法确定微纳结构硅材料表层中杂质、缺陷的分布和结构，由此进一步说明和解释微观过程的物理机制；在此基础上采用第一性原理计算表层的电子结构，并研究其光学吸收和光电相互作用等性质。

经验势和第一性原理的结合，可以兼顾效率和精度。

结构的最终优化，能带的计算，以及分子动力学模拟都将采用基于第一性原理的计算方法进行。

为了增加与实验结果的可比性，视具体情况，采用含时密度泛涵（TD-DFT）的理论作进一步的计算。

采用超快现象诊断的泵浦-探测原理，研究硅材料微纳结构区域内光致激子和自由电子的动力学行为，诊断和分析激光微纳化处理对硅材料的能带结构变化及其电子-空穴复合特性，探求增强硅材料对入射太阳光广谱有效吸收、降低光电转换中热动力损耗的新原理。

（4）研究超快脉冲激光参数、气体氛围等条件对掺杂纳米颗粒基本材料参数（颗粒种类、大小、密度分布、掺杂浓度）的调节，探索硫系元素的红外吸收特性，实现更大范围内对太阳光谱吸收，同时实现表面缺陷的钝化。

研究其光学吸收和光电相互作用等性质，从物理机制上系统研究纳米点的陷光效应和量子效应，从微观层面探讨量子点电池性能的机理。

（5）探索中间子带有效调控手段，提炼电池性能与其具体的依存关系，利用变温霍尔测试、深能级瞬态谱和电化学方法相结合的方法，系统研究载流子浓度随温度的演化规律以及载流子浓度导致的深能级位置对原型器件开路电压的影响规律，以了解材料的中间带信息，模拟黑硅材料产生中间带条件，进而在制备技术上进行优化。

（6）采用反胶束法制备金属纳米颗粒，结合电池能带结构及光吸收特性，通过对纳米颗粒基本材料参数（颗粒种类、大小、密度分布、核/壳结构）的调节，增强表面等离激元陷光层陷光效果，提高光电性能。

探索利用介质层包覆，在更大范围内对消光峰进行调控，同时实现表面缺陷的钝化。

全面考察散射及近场增强两种机理，有针对性地优化纳米颗粒表面等离激元陷光层具体结构。

深入研究入射光、金属表面等离激元及光生载流子的耦合过程以及表面等离激元的弛豫过程，从微观层面探讨表面等离激元陷光层增强电池性能的物理机制。

（7）在新型微纳结构硅太阳电池制作方面，我们将采取如下两种不同的方案：

a）先制备PN结，然后制备表面微纳结构；b）先制备微纳结构，再制备PN结。

我们将对这两条路径进行仔细比较，找出一种工艺相对简单，性能稳定的技术路线作为后续研究的基础。

在电池结构中用载流子补偿的方法，来形成本征层，使内建电场与光吸收区重合，促使电子-空穴对分离；同时沉积包覆性好的p型导电层，以克服表面复合中心对载流子的俘获，加强对载流子的收集和输运；即可使p型非晶和微晶层吸收可见光，又使微纳结构硅吸收红外和部分可见光，大大加强了异质结的光吸收能力；而非晶硅、微晶硅薄膜的宽能带将有助于提高开路电压，从而达到提高光电转换效率的目的。

（8）采用两条不同的技术路线制备点接触电极：

一是采用超快脉冲激光对钝化层进行点剥离，然后沉积金属电极，并在接触点用超快脉冲激光进行激光退火，使金属电极与硅形成良好的欧姆接触。

另一个是在钝化层上直接沉积金属电极，再用超快脉冲激光进行局部点退火，使金属验证穿过钝化层与硅形成合金，从而得到良好欧姆接触的点接触电极。

通过测量I-V曲线，推算出相应肖特基势垒的高度，从而准确的估算出电池的内建电场。

3、创新性和特色

（1）研究思路的创新和特色

我们提出利用超快脉冲激光在硅材料中产生特殊微纳结构从而改变硅的能带结构，有效地增强其广谱吸收特性的思路，来大幅提高太阳能电池光电转换效率。

特别是我们强调研究高能量密度的脉冲激光与硅材料相互作用的内在规律和微纳结构调控材料能带结构的基本实践和理论，以求揭示产生巨大光伏效应增强的可行性和本质原因。

理论上，我们结合第一性原理计算，系统地给出微纳结构硅材料在原子、电子层次上的基本物理性质及特点。

在器件水平上，本项目则借助于新型的超快脉冲激光烧蚀处理来改进或直接形成新的电极工艺，进而为发展新型高效太阳能光伏电池奠定重要的实践与理论基础。

（2）研究方法的创新与特色

本项目首次提出建立超快脉冲激光微纳制备或处理硅材料的参数空间，综合研究激光参数和微加工环境对在硅材料中形成具有广谱吸收特性的特殊微纳米结构的影响和规律；在理论分析层面上，通过发展微纳结构硅材料的能带理论，揭示光子、PN结载流子和纳米结构三者间复杂的耦合机制，为寻求最佳带隙、PN结和陷光结构提供指南。

针对纳米间隙结构具有增强光电场耦合效应的特点，研究周期性或准周期性特殊纳米结构对表面减反和光谱吸收增强的作用。

（3）研究内容的创新与特色

研究内容的提出和设计是在项目组成员多年从事超快脉冲激光技术和薄膜太阳能电池技术研究的基础上凝炼出来的，具有前瞻性和原创性。

通过理论和实验研究制备适合微纳结构硅材料的PN结型光伏电池的结构与制备方法，用飞秒激光技术制备点接触电极，取代或弥补复杂的光刻过程。

在电池结构中用载流子补偿的方法，来形成本征层，使内建电场与光吸收区重合，促使电子-空穴对分离；同时沉积包覆性好的p型导电层，加强对载流子的收集和输运并提高开路电压，从而达到提高光电转换效率的目的。

提出利用表面等离激元进一步增强太阳电池的性能。

这些创新性的研究内容可解决高效硅基第三代太阳能电池研究中的一些基本科学问题，促进关键技术的突破。

4、可行性分析

（1）整体论证

本项目研究团队集中了国内半导体材料物理、高能激光物理、太阳能电池制造、纳米激光科学与光电子学等多个交叉学科的优势力量，在微纳结构硅材料研制、光伏电池、超快光学、高功率全固态激光源、半导体材料和硅基光电池领域具有长期的工作积累和丰富的经验，并已取得了一些在相关研究领域有影响力的研究成果。

研究队伍中相当一部分骨干有在发达国家学习、研修和工作的经验，具备科技研究和竞争的国际化视野，并与国际上一些高水平研究单位有着深入的实质性合作。

科研团队年富力强，结构合理、极具创新开拓精神，是开展该项目的有力保障。

项目组的依托单位已拥有开展超快脉冲激光微纳结构制备、超快载流子动态过程探测、硅基太阳电池制作和纳米结构合成、表面改性和化学组装的专业化实验室和仪器设施，包括波长、脉宽、脉冲能量、偏振态均可调谐的飞秒激光系统，皮秒和纳秒激光器，飞秒时间分辨荧光光谱和瞬态吸收光谱系统，离子束刻蚀机，离子注入机，磁控溅射镀膜机，原子力显微镜，电池I-V测试及量子效率测试系统，傅立叶变换红外光谱仪，激光Raman光谱仪，半导体异质结耗尽层成像的电子束诱导电流（EBIC）仪，台阶仪，紫外-可见分光光度计，荧光光度计等，以及可以共享的X射线荧光光谱仪、X射线衍射仪、配备有阴极荧光和电子束诱导电流谱仪的场发射扫描电子显微镜、热分析仪等核心测试仪器。

这些硬件条件为本项目的实验研究提供了坚实的保障。

项目的研究方案经过了多角度、多层面充分论证，在优良的设施和团队条件、前期理论、实验及工艺基础上开展本项目研究工作，一定能在相关基础理论和关键器件方面取得创新和突破。

尤其在微纳结构硅太阳能电池方面，研究团队提出了一些创新性方案和关键性技术，有望解决黑硅光伏电池在光电转换效率方面的世界性难题，取得突破。

黑硅材料开发出来十余年了，它所具有的强减反作用和广谱高吸收率无疑对研发高效太阳能电池具有强大的吸引力。

但任何发明创造都是有风险的。

黑硅先驱—美国的EricMazur教授虽然很早就预言黑硅材料在高效太阳能电池领域具有其他材料无可比拟的优越性，但时至今日，全世界也还没能研发出真正意义上的高效黑硅太阳能电池。

在黑硅太阳能电池面前，既是挑战、也是机遇。

在关键性技术没有突破之前，只有不断探索和勇于挑战，我们才有机会走到世界的前沿！

（2）技术分析

首先，硅材料无法吸收低于其带隙的红外光，而黑硅材料对全太阳光谱的强减反和强吸收（光吸收率超过90％），特别是对红外光的吸收，使得黑硅可以将红外光能量转换为电能输出，而红外光能量占晶体硅吸收的太阳能总量的三分之一，如果这部分能量全部转换为电能输出，则电池效率增加22.5%。

其次，黑硅的光电流响应非常大，一个250mm直径的黑硅二极管在850nm波长辐照下的光电响应已达到0.77A/W@0V，是Si-pin器件的100多倍，具有明显的增益特征。

第三，晶锥结构增大了黑硅的表面积，扩大了内建电场区域的厚度，因此，更有利于黑硅对入射光子的吸收。

此外，为了最终实现大幅度提高太阳能电池光电转换效率的总体目标，我们对制约提高太阳能电池效率的各个因素进行深入的研究，且对要实现的总光电转换效率的目标进行“因素分解”，即从提高各个（或某几个）子因素的效率来达到总效率的提高。

5、课题设置

课题1，超快激光与硅表面相互作用机理研究

主要研究内容

超快脉冲激光辐照诱导材料表面微结构机理研究：

研究弱激发下介质的瞬态响应，分析其中的光电互作用机理和力学效应；通过系统研究激光波长、脉冲宽度、激发频率、单脉冲峰值功率、偏振等条件，实时观测激发光在固体表面产生准周期波纹图案的形成过程，分析各参数对波纹图案形成的影响，揭示激发光与物质相互作用机理；研究表面准周期结构与材料固有的晶格对称性、应力、缺陷态之间的关系。

通过对激光脉冲辐照时的发光信号进行超快时间分辨光谱测量，研究飞秒与半导体表面相互作用的非线性动力学过程。

研究飞秒、皮秒等超快脉冲激光参数对表面纹波与融滴自组装形貌、大小、结构的影响，重点分析其分布的周期性和对称性，获取融滴自组装形成的光与物质作用的微观机理。

研究超快脉冲激光诱导微纳结构硅材料广谱高效吸收的机理，包括建立相应的数学物理模型，揭示增强吸收性能与样品微纳结构参数的内在联系。

预期目标：

探明超快脉冲激光初期微构造光物理和光化学过程，建立超快激光脉冲微构造硅表面的动力学和热力学模型，揭示超快激光脉冲和硅表面相互作用的非线性动力学过程与表面图形演变的微观机理。

建立微纳结构硅材料体系中的载流子输运动力学模型，为研制高效微纳结构硅太阳能电池提供理论指导。

发表SCI与EI收录论文约12篇，申请专利约4项，培养博/硕士生9名。

承担单位：

南开大学，中国科学院半导体研究所

负责人：

姚江宏

经费分配：

与总经费的比例为13.5%

课题2，减反与广谱吸收的黑硅材料研究

主要研究内容：

研究在不同薄膜（如微晶硅、非晶硅薄膜）材料上制备黑硅材料的技术，研究这类薄膜黑硅材料的能带隙随激光脉冲辐照条件和硫系掺杂物浓度改变的情况及其对太阳光减反与广谱吸收系数的影响；分析确定产生具有宽带高效吸波功能的微纳结构硅材料所需的最佳激光加工或处理条件；包括在飞秒激光作用下，硅材料与气体反应形成微纳结构，并测量其光吸收与能带结构的变化。

研究激光快速退火、热退火黑硅材料的技术，研究用这两种方式分别和混合退火降低晶格损伤和缺陷态的条件和作用机理，研究损伤恢复阈值的大小及缺陷态激活能的高低，提高微纳结构硅材料的载流子迁移率。

研究硫系掺杂元素在微纳结构层内的浓度、分布和化学结构，及其对黑硅表面能带以及太阳光谱尤其是近红外光吸收率的影响；研究微纳结构硅材料的能带结构对宽光谱吸收、转换特性的影响；研究确立不同类型微纳结构对入射光波增强吸收效率与范围影响的关键物理要素，寻求优化设计实现硅材料广谱、高效吸收的新方法。

预期目标：

建立能制作各种黑硅材料的技术平台，探明掺杂元素、制备条件和退火方式等与材料光电响应的规律性联系，并针对硅材料表面减反和广谱吸收的要求提供最佳工艺参数选择指南，与气相化学刻蚀技术相结合制备获得在250nm-2500nm光谱范围内具有高于90%有效