百科:黑硅


来源:中国粉体网   平安

[导读]  黑硅的加工与应用

中国粉体网讯  黑硅的名字由来,正如人眼所看到的一样,颜色为黑色,因为表面的微结构,黑硅可以将入射光接近100%吸收,极少数光被反射,所以人眼看来呈黑色。


抛光硅(左)与黑硅(右)对比


1998年哈佛大学首次发现黑硅材料,并一直致力于研发飞秒激光制造黑硅工艺的拓展与优化。黑硅材料独特的光学和半导体特性为光电传感器(光电探测器、热成像相机等)带来了广阔的应用,如工作在可见光与近红外双波段的微光相机,为民用与军事应用场景带来诸多便利。

黑硅最吸引人的特性之一是其在宽光谱范围内具有相当低的反射率和广角吸收的能力,黑硅的反射率通常可以达到10%以下,对于纳米锥或纳米线等具有高长径比的特殊结构,通过优化工艺参数可以进一步将平均反射率降低至3%以下。

随着硅精细加工技术的发展,黑硅的微结构已从最早的飞秒激光加工出的纳米锥结构发展到金字塔型、孔洞型、纳米线型和复合结构等。

黑硅的加工方法经过多年的探索,建立起多种加工体系,常用手段有飞秒激光法、电化学刻蚀法、反应离子刻蚀法、酸法、碱法、金属辅助刻蚀法等多种方法。每一种加工方法都有着不同的微结构形貌,可利用的光学特性也不尽相同。

同时,黑硅的定义也逐渐发生了拓展,不再局限为飞秒激光加工出的微结构硅,颜色也不仅仅局限为黑色,只要具有明显的陷光能力的微结构硅,都可以称之为黑硅材料。



不同折射率的黑硅颜色。(a)绿色;(b)红色;(c)紫色;(d)棕色


研究人员通过控制多层多孔硅的特征结构尺寸,人为地控制其折射率变化,硅表面对不同的光的吸收效果不同,最终在人眼观察下出现不同颜色。这种技术方案可以应用在四象限探测器之上,使得每个象限表现出不同的光谱响应特性。



黑硅四象限探测器


黑硅作为一种新型材料,具有众多优良的特性,在诸多领域得到了应用,如极高的光吸收率和光敏感度,可以作为光电探测器的吸收层;利用黑硅的减反射性能和广角吸收等特点可以提高器件的光电响应率和响应光谱范围等器件性能;黑硅的尖锥结构具有优良的场致发射特性能,因此可以作为场致发射材料,同时黑硅还具有优良的光致发光性能,可以作为光致发光材料;利用黑硅超高的比表面积,可以作为硅材料之间的固体粘合剂或散热结构等。

在众多的应用中,黑硅材料显示出其在改善工业晶硅太阳能电池光伏效率领域的巨大价值。伴随金刚线切割硅片技术的井喷式发展,大大降低了硅片切割时的损伤层,同时也能够提供更薄的单晶或多晶硅片,极大地促进了光伏产业的蓬勃发展,为提高器件的光电转换效率,光电池急需具有低反射率和广角吸收的前表面工艺和具有增强吸收作用的结构设计。黑硅技术在光伏领域表现出了天然的耦合性。

资料来源:黑硅制备方法与器件设计研究,于天一,电子科技大学

(中国粉体网编辑整理/平安)

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作者:平安

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