微纳结构硅材料及其太阳能电池研究
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[摘 要]由于传统的硅结构存在自身的缺陷，现在随着技术的进步与发展，微纳结构材料的硅被发现，它可以弥补传统硅结构的缺陷，这可以促进太阳能电池的发展。本文就微纳结构硅材料及其太阳能电池研究进行探讨，分别介绍了微纳结构硅材料及其太阳能电池的研究进展，以供参考。
[关键词]微纳结构硅材料；太阳能电池研究
中图分类号：P635 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）04-0189-01
一、硅微纳结构的研究进展
1.1多孔硅结构
多孔硅在1990年以前科学家并没有发现其光致发光的特性，为此，其硅结构没有得到开发。直到1990年，相关的人员意外发现多孔硅在室温下可以产生很强的光致发光特性，这才让多孔硅重回人们的视野，为此，相关的研究人员大力研究多孔硅，研究取得一些进步和成果。由于多孔硅孔深和孔径可以观察极其微小的事物，会达到微米、纳米级别，为此，科学家常常利用电化学阳极氧化腐蚀法，观察微纳结构硅材料，在该方法中，常常用铂做阴极，硅片做阳极，在HF溶液中进行电化学腐蚀，一般采用恒电位模式或者恒电流模式。
1.2纳米线结构
纳米材料具有热能稳定、具有光子传输性等特点。另外，随着硅技术的发展，一维硅纳米线材料被广泛的开发和研究，由于一堆硅纳米线材料的物理性质独特，已经得到了相关人员的关注，未来对一堆硅纳米线结构的研究也将会增多。而制备硅纳米线来说，一般采取“自下而上”（bottom—up）和“自上而下”（top—down）两类方法。第一种是让硅化物借助催化剂还原结晶，从而生长出纳米线。第二种方法则是将多余的硅原子进行剥离，剩下所需要的纳米线结构。
1.3金字塔结构
为了提高电池的效率，增强电池的射光吸收率，一般会采取金字塔结构，利用金字塔结构可以对入射光进行很好的折射，增加电池对光能的吸收。将这种思想应用在微纳结构材料研究过程中，可以增强硅表面的吸光率。另外，为了提高电池效率，还可以利用表面制绒的方法，通过在硅表面覆盖一些薄膜，来增强电池的吸光率，减少光源折射率。一般常用到的制绒方法是碱溶液腐蚀法。这主要是对溶液浓度和反应温度等进行控制，在单晶硅表面制备出形貌规则的金字塔结构。
1.4硫掺杂黑硅结构
就黑硅结构本身而言，其分为干法黑硅形成的硅片表面结构和湿法黑硅形成的硅片表面结构。干法黑硅形成的硅片表面结构一般是利用六氟化硫、O2、Cl2等气体进行分离反应，从而使得表面硅结构变得凹凸不平，这样可以增加入射光的折射，减少光反射现象，目前该方法应用广泛。另外，湿法黑硅形成的硅片表面结构则是利用AgNO3中的Ag/Ag+，并利用H2O2腐蚀性能的基础上，进行反应，使得硅表面腐蚀出制绒结构，进而减少光的折射，增加光的吸收率。利用这种黑硅结构可以形成产业化生产，近年来，湿法黑硅叠加PERC工艺的研究开展较多，利用该工艺可以更好的减少制绒表面的反射率，降低金属制绒切割过程中的成本，推进电池效率的提高。总之，黑硅结构可以更好的改变光的折射，增加电池的吸光率，可以帮助电池更大程度上发挥电池特性。
二、太阳能电池的工作原理和研究进展介绍
2.1太阳能电池的基本工作原理
太阳能电池的结构基本和p-n结二极管的结构类似。在p-n结二极管的结构中，当p、n两个半导体接触到时，电子会从高浓度的n型材料流向低濃度的P型材料。这时n型边由于失去电子，剩余的电离施主显示出正电荷。同理，P型边由于失去空穴，剩余的电离受主显示出负电荷。这样一来，电荷可以生成一个小型的电场，与电子或空穴的运动产生的扩散电场方向刚好相反，从而会阻碍电子或空穴的流动，最终达到平衡的状态。
2.2传统硅电池的研究进展
传统硅电池首次被研制出来则是在1954年，而在1954年的实验中相关的科研人员只研究出了一小部分实用型晶体硅太阳能电池，这为硅电池的发展奠定了基础。之后，随着科学技术的进步和研究环境、设备的改善，相关研制人员研制出效率较高的单晶硅太阳能电池。虽然单晶硅太阳能电池效率较高，但是其研制成本较高，很难得以广泛的应用，这给传统硅电池的发展带来挑战。因此，为了推进硅电池的发展，在未来的研究中，研究人员需要在考虑电池效率的基础上，考虑成本因素，尽最大可能降低成本。为此，以不锈钢和玻璃为衬底的多晶硅和非晶硅薄膜太阳能电池被研制出来，但是由于其方案还不成熟，还没有得到广泛的应用。
2.3硅纳米线电池的研究进展
近年来，随着纳米材料的出现和发展，纳米硅结构的太阳能电池的得到了发展。它可以发展的原因，一是由于纳米硅结构可以帮助电池更好的吸收太阳光，减少太阳光的反射，二是利用p-i—n结硅纳米线结构，可以增强电池表面的制绒面积，增强纳米线的量子尺寸效应，帮助电池更好的传送电子。考虑到以上优点，Lieber等报道了他们研制出的单根同轴p-i-n结硅纳米线太阳能电池。他们先利用VLS机制制备了单根直径约l OOnm的P型硅纳米线，之后通过化学气相沉积在其表面依次生长同轴的本征硅壳层和n型硅壳层，得到直径约300nm的芯一壳结构的p-i—n结硅纳米线，最后经过选择性腐蚀和电子束曝光工艺，组装得到单根同轴p—i-n结硅纳米线原型太阳能电池。与轴向异质结相比，径向异质结具有更大面积的p-n结区，能使得更多的光生载流子产生、分离、被收集。虽然纳米材料硅得到了广泛的开发，该结构可以增强电池的吸光率，但是电池表面存在很严重的散射现象，影响电池对光能的吸收，还有待改进。
总而言之，现阶段，随着微纳结构硅材料和太阳能电池的结合应用，相关的科学人员可以利用硅材料的优点，通过增加硅结构表面的凹凸性，来减少光的折射，增加电池对光能的吸收，帮助电池提高自身的工作效率，实现太阳能电池的性能。为此，加强微纳结构硅材料的研究对太阳能电池的发展和硅材料的应用有着重大意义。
参考文献：
[1]刘孔.微纳结构硅材料及其太阳能电池研究[J]. 半导体超晶格国家重点实验室， 2013.
[2]吴瑞伟.微纳结构硅材料可控制备及其太阳能电池研究[D]. 中国科学院大学， 2016.
[3]薛亚莉.硅基微纳结构的制备及其在太阳能电池和微球自组装中的应用[D]. 华南师范大学， 2016.
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