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本文綜述了黑硅的制備方法及其產(chǎn)生的形態(tài)，并對其光電特性進行了定量比較,為了進行定量比較，研究黑硅太陽能電池的不同小組合作進行了本研究,以光吸收和少數(shù)載流子壽命作為基準參數(shù),討論了等離子體蝕刻、化學蝕刻或激光加工過程中的差異，并與數(shù)值模型進行了比較。
圖1四種常用的發(fā)黑方法的示意圖。a顯示了SF6和O2氣氛中的感應耦合等離子體反應離子蝕刻（ICPRIE或短ICP）過程；b描述了HF和H2O2水溶液中基于Ag或Au催化劑顆粒的金屬輔助濕化學蝕刻(MACE)過程；c顯示了用于大孔硅（MacP-Si）制造的電化學蝕刻單元；d示意圖，顯示了fs激光處理硅表面（L-Si）的實驗裝置。所有的示意圖都表明了在本工作中用于準備不同的表面形態(tài)的參數(shù)。
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圖1
黑硅的制造方法
本文綜述了b-Si的四種主要制備方法：誘導耦合等離子體(ICP-RIE)、鎂、Au催化劑、光電化學陽極化形成macP-Si、和飛秒(fs)激光脈沖(L-Si)照射表面。各種黑色蝕刻方法（圖1）都導致宏觀b-Si表面均勻，在整個硅吸收范圍內(nèi)具有相當?shù)偷姆瓷渎?，然而，根?jù)可用的工藝參數(shù)，微觀或納米結(jié)構(gòu)有不同的形態(tài)。
活性離子蝕刻法的黑硅（ICP-RIE）:圖1b說明了硅表面的典型例子中的MACE原理。從HF/h2o2溶液中提取的h2o2（或其他氧化劑）通過消耗電子在金屬表面被催化還原，消耗的電子通過金屬/硅界面的硅價帶轉(zhuǎn)移在金屬中恢復。因此，電子孔穴被注入到金屬下方的半導體中。
本研究制備的b-Si結(jié)構(gòu)采用ICPRIE在SF6和o2的氣體混合物中進行單步蝕刻。根據(jù)壓力和時間，形成了不同的b-Si形態(tài)。通過在含有次硝酸3等氧化劑的水氟醚磺酸水溶液中蝕刻硅而形成納米結(jié)構(gòu)在50多年前首次被描述，這種特殊的硅蝕刻，在高稀釋和一定的高頻/氧化劑濃度范圍內(nèi)進行，通常被稱為“染性蝕刻”(SE)。因此，MACE迅速獲得普及，并被提出在光電領(lǐng)域的各種應用。
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圖2
為了比較不同b-Si技術(shù)在相似條件下的光學特性，我們與來自世界各地不同群體的這些技術(shù)進行了實驗比較。除了b-Si制造步驟外，我們處理了所有類似的樣品，并測量了它們的吸收。為了進行比較，我們包括了兩個理論限制：無光捕獲的完美反反射體涂層和亞布洛諾維奇所討論的蘭伯特極限，完美的反反射涂層的計算方法是忽略了樣品表面入射光的第一次反射，而是考慮了后硅/空氣界面的反射。如圖6所示，有一個完美的ARC，但沒有任何光捕獲。最后，研究了不同fs激光結(jié)構(gòu)樣品的光學特性，黑色樣品(L-Si黑色)顯示出一個非常相似的特征，就像紫外線中的氫氧化鉀紋理一樣（圖6）。
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圖6
黑硅光學特性的探討
在不同的b-Si制備方法和結(jié)構(gòu)中，所研究的b-Si結(jié)構(gòu)的紫外/VIS反射率和NIR捕光效率均存在顯著差異（圖7）。它們?nèi)Q于地形特征的特征尺度，對于高于光波長的特征長度尺度，可以使用射線光學。在相反的情況下，當結(jié)構(gòu)小于光的波長時，必須考慮波光學。因此，我們將分別討論這兩類結(jié)構(gòu)，并將其與數(shù)值模擬進行比較。
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黑硅電子特性
根據(jù)b-Si制備方法和工藝參數(shù)的不同，由此得到的載流子壽命和有效表面重組速度Seff有很大差異。為了了解有效表面重組速度Seff發(fā)生變化的原因，我們首先將Seff分解為其相關(guān)參數(shù)，即表面積增強和表面缺陷密度增強，利用該模型，將給出提高不同技術(shù)下b-Si電子性能的可能策略。
黑硅中重組活性表面缺陷的成因分析:我們分析了缺陷密度δmax（第5列）的增強功能，在每種技術(shù)中，我們還分析了不同的制備條件，并與非結(jié)構(gòu)化參考文獻(δmax=1)和氫氧化鉀金字塔(δmax=1.8)進行了比較，對于ICP-RIE蝕刻方法，δmax在誤差條內(nèi)，與參考值(δmax≈1)相同，幾乎與蝕刻時間和壓力無關(guān)。因此，ICP深和ICP淺具有大約相同的δmax，但不相同的內(nèi)表面增強γ，這表明，ICP-RIE過程可以用來生產(chǎn)幾乎完全沒有額外的電子（亞）表面缺陷的b-Si表面。
我們概述了b-Si的制造方法，它們產(chǎn)生的形態(tài)和b-Si的太陽能電池，所研究的方法分別為電感耦合的SF6/O2等離子體(ICP-RIE)中的干RIE、MACE、MacP-Si的電化學蝕刻和空氣中的飛秒激光處理(L-Si)，為了進行系統(tǒng)和定量的比較，不同的b-Si太陽能電池研究小組合作進行了本研究，以光吸收作為最大短路電流的關(guān)鍵參數(shù)，以少數(shù)載流子壽命作為太陽能電池最大開路電壓的基準參數(shù)，對不同b-Si技術(shù)的光學特性的分析和相應的模擬表明，捕光性能主要取決于b-Si特征的橫向相關(guān)長度，而相關(guān)長度較大的結(jié)構(gòu)往往表現(xiàn)得更好。