3D硅纳米线阵列以吸收光

最新研究ACS应用能源材料欧洲杯足球竞彩已经表明，垂直排列的硅纳米线（VA-SINW）阵列能够大量增加光吸收并导致光反射的显着降低。

用电子显微镜观察到的硅纳米线。学习：在三个维度的工程光吸收的结构和构图硅纳米线阵列方面的最新进展。图片来源：Roberto Lo Savio/Shutterstock.com

该研究推断出这种结构可以通过合成薄且有效的基于硅的太阳能电池来增强太阳能电池的设计。在三个维度上的控制结构和SI的模式可以通过允许三维对光吸收的控制，从而具有额外的灵活性。

Si - 纳米线的光电特性

由于光相互作用，观察到各种光学效应，例如波导，衍射效应，蛾眼效应，Fabry-Perot共振和近场耦合。

SINW阵列的光电特性。（a）显示在SINW阵列合成过程中可以轻松调整几何​​参数的方案：电线直径（D），长度（L）和阵列俯仰（P）。（b）在我们的实验室中合成的各种SINW阵列的照片显示覆盖整个可见光谱的颜色，包括明显捕获入射光的黑色硅表面。（c，d）（c）各种光捕获效应的示意图，这些效应会导致吸收，减少反射和衍射；（d）从电荷分离过程中解耦的光吸收，这可能导致电荷重组减少。图片来源：Bartschmid，T等人，ACS应用能源材料欧洲杯足球竞彩

泄漏的波导效应

硅纳米线可以作为下波介电肾小管波导，引导和捕获电线内的光，并在某些波长处导致光吸收增加。Leu等人研究了直径为25至300 nm的SINW的直径依赖性波导行为。

Fabry-Perot共鸣

Fabry-Perot共振可以在正常入射率（即平行于NW长轴平行）的VA-SINW中维持反射光谱中的独特倾角。当往返纳米线长度2L = m时_eff，其中M是整数，可以看到这样的Fabry-Perot腔。

蛾眼作用

原始的硅太阳能电池反映了由于硅的高折射率，因此很大一部分入射太阳能（即在紫外线到近IR光谱中> 30％）。这是因为光反射发生，并且当两个表面突然且实质性地转移折射率时，最大。

由于所谓的飞蛾效应，诸如硅纳米线阵列之类的纳米结构界面可以逐步修改折射率，从而导致底物反射率大幅下降。

衍射效应

在纳米线的周期性阵列中可以看到衍射作用。可以看到生动的结构颜色，具体取决于衍射顺序，波长，入射角和阵列。

脱钩的光吸收

SINW从其一维形状中获利，除了与散装硅相比，除了它们更好的光学质量外，还可以从电荷分离过程中隔离光吸收。在提取之前，光激发电荷的重组可以降低光伏或光催化系统中的转化效率。

经典方法

纳米线形式，大小和组成的独立控制是统一阵列合成的基本问题。通过选择性改变掺杂剂的浓度，可以更改蒸气液 - 固醇（VLS）合成，以在VLS发育过程中对纳米线的直径进行精细控制，并在纳米线的整个长度上与选择性化学蚀刻或通过调节或调整纳米线的长度催化剂液滴尺寸。

金属辅助化学蚀刻（MACE）和胶体光刻

在MACE期间，将Si晶片浸入由纳米结构金属涂层的溶液中，通常由贵金属（如Au）组成，Au通常含有氢氟酸（HF）和氧化氧化氧化物（H）（H₂o₂）。在存在HF的情况下，孔通过金属传输并注入硅，该硅氧化和溶解，产生氢气作为副产品。

使用可编程几何形状的胶体光刻和MACE与合成VA-SINW阵列的使用是一种桌面，具有成本效益和适应性的方法。

双段VA-SINW阵列。（a）使用顺序MACE和KOH蚀刻步骤的合成途径的示意图。（b）分别为DBI的顶部和底部直径，顶部= 98 nm和DBI，底部= 133 nm的辅助电子SEM图像。（c）测量了两个不同的VA-SINW的反射光谱，其单直径为dsingle1 = 87 nm（红色曲线）和dsingle2 = 118 nm（蓝色曲线）。黑色曲线显示了面板b中所示的双分割结构的测得的反射率。（d）对应于面板C中所示的VA-SINW的模拟反射光谱，相同的颜色代码。（e）在553和638 nm处模拟的双分割的VA-SINW阵列中一个SINW中模拟相对吸收的二维图，其尺寸与面板b中显示的电线相似。改编自参考11.版权2020美国化学学会。图片来源：Bartschmid，T等人，ACS应用能源材料欧洲杯足球竞彩

低分辨率图案

可以使用各种过程将其他欧洲杯足球竞彩材料沉积在硅纳米线阵列上。电化学是对SINW阵列的特定部分进行构图的最有前途的方法。可以通过将光孔层掩盖阵列的底部，可以在电线顶部电沉积。

构造和模式以吸收光

胶体光刻和金属辅助化学蚀刻的混合物用于创建SINW阵列（MACE）。

带有椭圆形或六角形横截面的异国情调的SINW形态，通过将MACE和KOH蚀刻结合在一起，使用浸润技术将底物与渐变的光学性质结合在一起，并与位于NananoWirers层良好定义位置的等离子或催化纳米结构功能的Si Nanowires一起使用。使用台式方法（3Deal），可以使用三维电化学光刻。

进行了原始3Deal的修改是为了与Sio2绝缘壳安排SINW阵列，这些阵列指导电化学沉积在SINW表面的暴露区域中，为社区提供了一个合成平台，可以进行如此复杂的研究。

总而言之，VA-SINW阵列的一流特性使它们成为太阳能电池的最佳候选者。结构化和模式化了优化的硅纳米线增强了光吸收特性，使其适合其他研究目的。

可以肯定地说，合成方法应该使大多数对纳米结构化硅底物感兴趣和工作的组织受益，因为它使用了大多数研究人员可以访问的基本台式和化学程序。

参考

Bartschmid，T.，Wendisch，F.J.，Farhadi，A。，＆Bourret，G。R.（2021）。在三个维度上，用于工程光吸收的结构和构图硅纳米线阵列的最新进展。ACS施加的能源材料。https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsaem.1C02683

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