新型表面微結(jié)構(gòu)硅及其在太陽能熱電系統(tǒng)應用的研究與探索.pdf

1、在全球傳統(tǒng)能源日益匱乏、生態(tài)環(huán)境日益惡化的今天.開發(fā)和利用可再生能源已經(jīng)是大勢所趨且刻不容緩。太陽能作為一種“取之不盡，用之不竭”的清潔能源，是人們重點研究和開發(fā)的利用對象。對我國而言，加大太陽能的利用規(guī)模，提高太陽能的利用效率，使我國盡快擺脫對進口能源的依賴，是提高我國能源安全，增強我國國際影響力的重要舉措。
　　 太陽能熱電技術(shù)是目前非常有市場的一種利用太陽能來間接發(fā)電的技術(shù)。它能大規(guī)模地收集太陽能，高效率地把太陽能轉(zhuǎn)換成電

2、能，并且便于下一步的電能存儲和傳輸。然而，目前商業(yè)化的太陽能熱電站的總體光電轉(zhuǎn)換效率僅為14％左右。造成這種利用效率較低的最主要原因是集熱器存在表面反射，且目前的抗反射膜技術(shù)僅能部分吸收可見波段的太陽能，從而損失掉了相當一部分近紫外、可見和近紅外波段的太陽光能量。太陽能無法高效被熱傳遞介質(zhì)所吸收，從而造成光能--熱能的轉(zhuǎn)換效率較低。
　　 表面微結(jié)構(gòu)硅，俗稱“黑硅”，被譽為21世紀“革命性的新材料”。這種材料最大的特點就是在從紫

3、外到可見，再到紅外的超寬光譜區(qū)域都有超高效率的吸收，表面反射幾乎為零。從吸光效果來講，它可以作為完美的抗反射膜用于太陽能采集技術(shù)中。但是，目前這種黑硅都是以較厚的硅片為襯底來制作，黑硅樣本缺乏可彎曲性和靈活性，無法應用于圓形的太陽能熱電集熱器上。此外，黑硅樣本較厚也影響了它作為吸熱層和傳熱層的熱傳遞效率。
　　 為了提高太陽能熱電站的總體轉(zhuǎn)換效率，迫切需要一種更有效的吸光材料來更高效率的吸收太陽能，并將其產(chǎn)生的熱能傳遞給導熱介質(zhì)

4、。而黑硅作為一種非常好的吸光材料，卻因為無法彎曲和導熱性較差，無法應用于太陽能熱電領(lǐng)域。因此，研制出一種既可彎曲，又有較好的導熱性能，同時保證在超寬光譜下較高的吸光效率的新型黑硅材料就顯得尤為重要。
　　 在國內(nèi)外對太陽能熱電技術(shù)和表面微結(jié)構(gòu)硅的研究基礎(chǔ)上，本論文分別用標量和矢量光學理論對普通表面微結(jié)構(gòu)硅的光學特性進行了深入分析，并研究了普通表面微結(jié)構(gòu)硅的能帶結(jié)構(gòu)特性和光中轉(zhuǎn)換特性特性。之后，又進行了超薄可彎曲表面微結(jié)構(gòu)硅的吸光

5、特性和光熱轉(zhuǎn)換特性分析。在理論分析的基礎(chǔ)上，逐步摸索制作工藝，進行了普通表面微結(jié)構(gòu)硅和超薄可彎曲表面微結(jié)構(gòu)硅的制作，并測試了它們的吸收光譜，驗證了超薄可彎曲表面微結(jié)構(gòu)硅作為吸光元件的可行性。從理論上討論了超薄可彎曲黑硅對太陽光譜的吸收效率，并把超薄可彎曲黑硅用做吸光傳熱層，進行了原理性的實驗。實驗結(jié)果也驗證了這種方法的可行性和優(yōu)越性。最后，對黑硅的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)工藝進行了探索性的研究。具體研究內(nèi)容包括：
　　 1)用標量衍射理

6、論求解了光在半導體表面的反射、透射和吸收特性；又根據(jù)矢量光學理論，結(jié)合黑硅獨特的表面形態(tài)，用嚴格耦合波(RCWA)的方法求解了三種不同尺寸的表面微結(jié)構(gòu)硅的反射效率，并對其反射效率與入射角度的相關(guān)性進行了研究；之后運用時域有限差分(FDTD)的方法，計算了這三種表面微結(jié)構(gòu)硅的吸收效率，從理論上研究了表面微結(jié)構(gòu)硅在可見波段高吸收的原因。
　　 2)根據(jù)半導體能帶理論，分析了摻雜致使半導體能帶變窄，以及在能帶帶隙產(chǎn)生多個子能帶的現(xiàn)象；

7、又結(jié)合黑硅的制作工藝，從成分上分析了摻入硫元素的濃度對黑硅的能帶結(jié)構(gòu)以及在紅外波段吸收效率的影響，從而解釋了黑硅對光子能量較低光也有高效率吸收的原因。然后從半導體物理的角度討論了黑硅的光電轉(zhuǎn)換特性，分析了光在半導體內(nèi)部的吸收，并討論了半導體內(nèi)部光生載流子的產(chǎn)生和壽命。
　　 3)分別從標量衍射理論和矢量光學的角度討論了超薄可彎曲黑硅的光學特性，計算了它的反射效率和吸收效率，并與普通黑硅進行了比較，解釋了超薄可彎曲黑硅吸收效率稍低

8、的原因；另外，研究了超薄黑硅作為傳熱層的熱傳遞特性，計算了它的導熱速率，并與其它材料的導熱速率對比，證明了它作為吸光傳熱層的明顯優(yōu)勢。
　　 4)用飛秒激光脈沖加腐蝕氣體的方法在普通硅片上制作了黑硅，電子掃描顯微鏡照片顯示出了良好的黑硅表面結(jié)構(gòu)；測試了普通黑硅的吸收光譜，測試結(jié)果表明制作的黑硅在極寬的光譜區(qū)域都具有超高效率的吸收，即使在光子能量較低的紅外波段，吸收效率也在80％以上，進一步驗證了理論分析和實驗方法的正確性；實驗中

9、也暴露了這種方法的缺陷，于是改進了實驗方法，采用自動掃描的方法取代了單點法，在不影響黑硅吸收效率的基礎(chǔ)上，得到了制作效率更高、有效面積更大的黑硅樣品。此外，對比了理論計算得到的吸收光譜與實驗測得的吸收光譜，對于二者之間存在的誤差做出了分析和解釋。
　　 5)創(chuàng)新性地提出了超薄可彎曲黑硅的制作方法。利用改進的自動掃描技術(shù)，在SOI上制作了表面微結(jié)構(gòu)，然后用氫氟酸腐蝕掉SOI中間層，將最上層揭下，即得到超薄可彎曲表面微結(jié)構(gòu)硅；電鏡照

10、片顯示了硅層表面均勻的圓錐形微結(jié)構(gòu)，吸收光譜也驗證了超薄可彎曲黑硅理論和實驗的正確性；從實驗上研究了黑硅吸收效率與入射光入射角度的相關(guān)性，并探討了其超高吸收效率的原因，實驗結(jié)果驗證了它作為高效率可彎曲吸光層的可行性。
　　 6)分析了槽式系統(tǒng)聚光集熱器的光學模型；計算了超薄可彎曲黑硅對整個太陽光譜的吸收效率；進行了原理性的實驗，驗證了超薄可彎曲黑硅的吸光導熱效果，進而設(shè)計了基于超薄可彎曲黑硅吸光傳熱層的槽式太陽能熱電集熱器。