新型表面微结构硅及其在太阳能热电系统应用的研究与探索

【摘要】：在全球传统能源日益匮乏、生态环境日益恶化的今天,开发和利用可再生能源已经是大势所趋且刻不容缓。太阳能作为一种“取之不尽,用之不竭”的清洁能源,是人们重点研究和开发的利用对象。对我国而言,加大太阳能的利用规模,提高太阳能的利用效率,使我国尽快摆脱对进口能源的依赖,是提高我国能源安全,增强我国国际影响力的重要举措。 太阳能热电技术是目前非常有市场的一种利用太阳能来间接发电的技术。它能大规模地收集太阳能,高效率地把太阳能转换成电能,并且便于下一步的电能存储和传输。然而,目前商业化的太阳能热电站的总体光电转换效率仅为14%左右。造成这种利用效率较低的最主要原因是集热器存在表面反射,且目前的抗反射膜技术仅能部分吸收可见波段的太阳能,从而损失掉了相当一部分近紫外、可见和近红外波段的太阳光能量。太阳能无法高效被热传递介质所吸收,从而造成光能——热能的转换效率较低。 表面微结构硅,俗称“黑硅”,被誉为21世纪“革命性的新材料”。这种材料最大的特点就是在从紫外到可见,再到红外的超宽光谱区域都有超高效率的吸收,表面反射几乎为零。从吸光效果来讲,它可以作为完美的抗反射膜用于太阳能采集技术中。但是,目前这种黑硅都是以较厚的硅片为衬底来制作,黑硅样本缺乏可弯曲性和灵活性,无法应用于圆形的太阳能热电集热器上。此外,黑硅样本较厚也影响了它作为吸热层和传热层的热传递效率。 为了提高太阳能热电站的总体转换效率,迫切需要一种更有效的吸光材料来更高效率的吸收太阳能,并将其产生的热能传递给导热介质。而黑硅作为一种非常好的吸光材料,却因为无法弯曲和导热性较差,无法应用于太阳能热电领域。因此,研制出一种既可弯曲,又有较好的导热性能,同时保证在超宽光谱下较高的吸光效率的新型黑硅材料就显得尤为重要。 在国内外对太阳能热电技术和表面微结构硅的研究基础上,本论文分别用标量和矢量光学理论对普通表面微结构硅的光学特性进行了深入分析,并研究了普通表面微结构硅的能带结构特性和光电转换特性特性。之后,又进行了超薄可弯曲表面微结构硅的吸光特性和光热转换特性分析。在理论分析的基础上,逐步摸索制作工艺,进行了普通表面微结构硅和超薄可弯曲表面微结构硅的制作,并测试了它们的吸收光谱,验证了超薄可弯曲表面微结构硅作为吸光元件的可行性。从理论上讨论了超薄可弯曲黑硅对太阳光谱的吸收效率,并把超薄可弯曲黑硅用做吸光传热层,进行了原理性的实验。实验结果也验证了这种方法的可行性和优越性。最后,对黑硅的大规模工业化生产工艺进行了探索性的研究。具体研究内容包括: 1)用标量衍射理论求解了光在半导体表面的反射、透射和吸收特性;又根据矢量光学理论,结合黑硅独特的表面形态,用严格耦合波(RCWA)的方法求解了三种不同尺寸的表面微结构硅的反射效率,并对其反射效率与入射角度的相关性进行了研究;之后运用时域有限差分(FDTD)的方法,计算了这三种表面微结构硅的吸收效率,从理论上研究了表面微结构硅在可见波段高吸收的原因。 2)根据半导体能带理论,分析了掺杂致使半导体能带变窄,以及在能带带隙产生多个子能带的现象;又结合黑硅的制作工艺,从成分上分析了掺入硫元素的浓度对黑硅的能带结构以及在红外波段吸收效率的影响,从而解释了黑硅对光子能量较低光也有高效率吸收的原因。然后从半导体物理的角度讨论了黑硅的光电转换特性,分析了光在半导体内部的吸收,并讨论了半导体内部光生载流子的产生和寿命。 3)分别从标量衍射理论和矢量光学的角度讨论了超薄可弯曲黑硅的光学特性,计算了它的反射效率和吸收效率,并与普通黑硅进行了比较,解释了超薄可弯曲黑硅吸收效率稍低的原因;另外,研究了超薄黑硅作为传热层的热传递特性,计算了它的导热速率,并与其它材料的导热速率对比,证明了它作为吸光传热层的明显优势。 4)用飞秒激光脉冲加腐蚀气体的方法在普通硅片上制作了黑硅,电子扫描显微镜照片显示出了良好的黑硅表面结构;测试了普通黑硅的吸收光谱,测试结果表明制作的黑硅在极宽的光谱区域都具有超高效率的吸收,即使在光子能量较低的红外波段,吸收效率也在80%以上,进一步验证了理论分析和实验方法的正确性;实验中也暴露了这种方法的缺陷,于是改进了实验方法,采用自动扫描的方法取代了单点法,在不影响黑硅吸收效率的基础上,得到了制作效率更高、有效面积更大的黑硅样品。此外,对比了理论计算得到的吸收光谱与实验测得的吸收光谱,对于二者之间存在的误差做出了分析和解释。 5)创新性地提出了超薄可弯曲黑硅的制作方法。利用改进的自动扫描技术,在SOI上制作了表面微结构,然后用氢氟酸腐蚀掉SOI中间层,将最上层揭下,即得到超薄可弯曲表面微结构硅;电镜照片显示了硅层表面均匀的圆锥形微结构,吸收光谱也验证了超薄可弯曲黑硅理论和实验的正确性;从实验上研究了黑硅吸收效率与入射光入射角度的相关性,并探讨了其超高吸收效率的原因,实验结果验证了它作为高效率可弯曲吸光层的可行性。 6)分析了槽式系统聚光集热器的光学模型;计算了超薄可弯曲黑硅对整个太阳光谱的吸收效率;进行了原理性的实验,验证了超薄可弯曲黑硅的吸光导热效果,进而设计了基于超薄可弯曲黑硅吸光传热层的槽式太阳能热电集热器。 7)研究了负折射率材料和“超级透镜”(Superlens)的相关理论,然后用FDTD仿真了负折射率材料和“超级透镜”对于传统紫外光刻系统的成像分辨率所起到的提高作用,即加入了超级透镜之后的成像系统,其最大分辨率可以达到200 nm;再结合现有的半导体加工技术,对小尺寸黑硅的工业化加工方法进行了探索,给出了具体的技术路线。 【关键词】：太阳能热电 表面微结构硅 黑硅 吸收效率 飞秒激光脉冲
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TK514
【目录】：

• 中文摘要3-6
• 英文摘要6-11
• 1 绪论11-27
• 1.1 太阳能利用11-18
• 1.1.1 世界传统能源消费形势11
• 1.1.2 太阳能利用11-14
• 1.1.3 太阳能热电技术的发展14-18
• 1.2 硅表面微加工技术18-22
• 1.2.1 硅表面微加工技术19
• 1.2.2 飞秒激光法制作表面微结构硅19-22
• 1.3 课题的研究意义22-23
• 1.4 论文的主要内容23-25
• 1.5 小结25-27
• 2 表面微结构硅的特性分析27-61
• 2.1 普通表面微结构硅的标量光学分析27-32
• 2.2 普通表面微结构硅的矢量光学分析32-46
• 2.2.1 严格耦合波法（RCWA）32-41
• 2.2.2 时域有限差分法（FDTD）41-46
• 2.3 普通表面微结构硅的能带结构和光电特性分析46-52
• 2.3.1 普通表面微结构硅的能带结构分析46-50
• 2.3.2 普通表面微结构硅的光电特性分析50-52
• 2.4 超薄可弯曲表面微结构硅的特性分析52-58
• 2.4.1 超薄可弯曲表面微结构硅的标量光学模型52-55
• 2.4.2 超薄表面微结构硅的矢量光学分析55-57
• 2.4.3 超薄可弯曲表面微结构硅的热传导特性57-58
• 2.5 小结58-61
• 3 表面微结构硅的制成及测试61-83
• 3.1 实验方案的确定61-64
• 3.1.1 机械法61
• 3.1.2 电化学腐蚀法61-62
• 3.1.3 活性离子腐蚀法62-64
• 3.1.4 飞秒激光法64
• 3.2 表面微结构硅的制作64-75
• 3.2.1 普通表面微结构硅的制作64-72
• 3.2.2 超薄可弯曲表面微结构硅的制作72-75
• 3.3 表面微结构硅的光学性能测试及分析75-81
• 3.3.1 普通表面微结构硅的光学性能测试76-78
• 3.3.2 超薄可弯曲表面微结构硅的光学性能测试78-81
• 3.4 超薄可弯曲表面微结构硅的超高吸收原因探讨81
• 3.5 小结81-83
• 4 基于超薄黑硅吸光传热层的槽式太阳能热电系统83-95
• 4.1 太阳能热电技术83-86
• 4.2 基于超薄黑硅吸热层的槽式太阳能热电系统86-91
• 4.2.1 槽式集热器的光学模型86-88
• 4.2.2 超薄黑硅对太阳光的吸收特性分析88-89
• 4.2.3 超薄黑硅的吸光及导热特性实验研究89-91
• 4.3 基于超薄可弯曲黑硅吸光传热层的聚光集热器91-93
• 4.4 小结93-95
• 5 基于负折射率材料的黑硅大规模生产工艺的探索95-107
• 5.1 负折射率材料和“超级透镜”95-102
• 5.1.1 基本原理95-97
• 5.1.2 模拟仿真97-100
• 5.1.3 具有模式转换功能的新型“超级透镜”100-102
• 5.2 基于超级透镜的黑硅大规模生产工艺探索102-105
• 5.3 小结105-107
• 6 结论107-111
• 致谢111-113
• 参考文献113-123
• 附录123

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