硅微纳结构制备及其润湿性能减反性能研究
硅微结构由于其独特性能在能源、传感器领域内被广泛应用。本文利用湿法腐蚀法，通过碱溶液对单晶硅的各向异性腐蚀性，在单晶硅表面制备适用于各种领域的微结构。因为微纳结构是利用光在金字塔表面来回反射，从而降低表面反射率，来达到高的光能吸收率，所以硅微纳结构通常应用于太阳能电池。我们实验使用的KOH+IPA碱溶液和TMAH溶液，通过使用不同的刻蚀剂和刻蚀时间，制备尺寸接近纳米级别且表面均匀良好的金字塔形微纳结构。通过观察不同刻蚀时间下SEM图和反射率平均值，发现处于不同生长阶段的金字塔尺寸随反应时间由增大到减小，最后稳定均匀，TMAH下的金字塔结构比KOH下的金字塔结构更小更均匀。通过分析上述实验所得的微结构形貌、反射率以及表面与去离子水的接触角，得出硅微纳结构表面形貌会影响减反性能和润湿性能的结论。关键词 硅微纳，结构制备，金字塔结构，纳米级，反射率，润湿性
目录
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 硅微纳结构的分类 2
1.3 硅微纳的常用制备方法 3
1.4 硅微纳的应用 6
1.5 研究目的和研究内容 8
2 实验部分 8
2.1 主要试剂与仪器 8
2.2 实验方案 10
2.3 实验过程 11
3 实验结果与分析 13
3.1 不同时间和刻蚀剂制备的金字塔结构对比 14
3.2 硅微纳减反性能的影响因素 17
3.3 影响硅微纳润湿性能的因素 18
结 论 21
致 谢 22
参 考 文 献 23 1 绪论
硅微纳米结构是基于微米级，亚微米级，纳米级尺寸大小的硅表面上的材料单元，或由该组织构建的特殊微纳结构的新型结构系统。
硅微纳结构的各方面性能都很优秀主要，原因有以下三点：一是制备硅微纳结构的材料成本比较低，比如对于相同的光吸收量和光折射率来说，硅微纳结构里面的硅材料的使用只有硅片的百分之一。二是由于硅微纳结构的物理尺寸比较小，它的表面上的结构比较的少见，而且它的结构和其他的微纳结构有很大的不同，在性能上的差别也是很大的。三是因为硅微纳米材料对光的反射、对光能的吸收，还有对电子 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
的获取采集方面，有着其他纳米级别的材料所不具有的特点。
正是由于硅微纳米结构的材料的原料成本较低，性能优秀，所以这种纳米结构材料可以在不久的将来全面应用于硅太阳电池的结构设计，以及新能源产品的开发。接下来我们就对硅微纳结构制备方法和它的减反性能及其润湿性能进行研究与讨论。
1.1 研究背景
近年来，伴随着纳米技术的快速发展，硅微纳米材料成为了研究热点，并在制备方法、应用领域方面取得了重大的研究进展，有望成为新一代的高性能负极材料。硅微纳米材料由于其具有许多独特的物理性质和化学性质，更好的承受体积的应变能力，比表面积大，锂离子脱嵌的深度小，离子扩散路径短等优点，成为了一种高性能材料。根据这些优点，硅微纳米材料在光学、磁学、电学、传感学和生物医学等方面的应用与开发有着重大的意义。硅微纳米的研究意义在于：硅可以用作理想的太阳能电池材料，随着社会的发展，太阳能的开发利用是今后研究的大头，太阳能的主要运用是太阳能电池以及太阳能发电，而这种应用需要有高的光能吸收能力和低廉的材料，这些要求硅微纳米材料都能满足。很多纳米结构对光的反射率和光能的吸收性能都比大尺寸的表面结构材料要好，这些微纳结构可以使太阳能电池的光电效率更好，大大的减少了能源的浪费。因此，硅微纳米材料的研究应用对于新能源的开发与利用，对于改善人类的生活条件和社会发展有着重要的意义。
结合硅微纳米材料表面形貌具有高的光吸收率的优点，制备具有金字塔表面结构的硅微纳米材料，并通过实验来研究硅微纳米材料的光电学性质，优化硅材料的质量，制做硅微纳米结构太阳能电池，可以减少我们对能源的消耗，对我们今后的生活和资源可持续发展带来巨大的改善。随着科学界对硅微纳米材料研究的不断深入，硅微纳材料的应用领域、研究前景必定将更加的广泛，不会再局限于太阳能电池的研究，在计算机、医学、工业制造领域也将会有更大的应用。
1.2 硅微纳结构的分类
硅片表面硅微纳结构作为接触面，有着良好的光能吸收能力和光的减反能力，可以作为硅太阳能电池反射光的表面。现在应用在硅微纳米太阳能电池表面的微纳结构有很多种，我们所用到的比较多的硅微纳结构有以下几种：一是金字塔结构，是本次实验制备的结构；二是纳米孔结构和纳米线结构，三是微纳复合结构。
1.2.1 金字塔结构
我这次实验所制备的硅微纳结构就是金字塔结构，这种结构的形貌像金字塔一样，所以叫金字塔结构，可以用于硅太阳电池光反射层的结构。实验制备通常采用的腐蚀剂包括KOH溶液或者NaOH溶液、Na2CO3溶液以及TMAH四甲基氢氧化铵溶液。采用腐蚀法制备金字塔结构，实验条件限制了试剂的选择，所以大部分情况选择成本比较低廉NaOH溶液，也可以制备出形貌比较均匀的金字塔结构[1]。这种溶液制备可以重复使用，制备要求简单，所以也是工业流水线生产的第一选择。
影响金字塔结构质量的因素有很多，简单介绍以下几种。一是腐蚀剂的有选择，腐蚀剂的选择也会对制备出的金字塔结构的表面形貌产生影响；二是刻蚀时间，金字塔结构的形貌随着反应的时间增加而逐渐变化；三是不同晶面的腐蚀速率，也会使金字塔结构的尺寸大小与表面形貌发生变化，要想稳定的控制不同晶面的腐蚀速率，可以通过改变腐蚀剂的浓度，或者改变加热温度。四是刻蚀剂浓度，金字塔结构的形貌和大小也随着刻蚀剂的浓度增加而逐渐变化。
1.2.2 硅纳米孔阵列与硅纳米线阵列结构
硅纳米孔阵列结构和硅纳米线结构顾名思义，就是形状像孔和线的表面微纳结构。制备这种结构主要利用纳米粒子通过空气穴注入微纳通道，在硅的表面引起有目的性的刻蚀，形成了纳米级别的孔或线结构。硅纳米孔阵列结构和硅纳米线阵列结构的减反性能和反射率比金字塔结构更加的出色，应用也比金字塔结构更加的广泛。
这几年来，金属纳米粒子催化刻蚀技术发展应用广泛，这种刻蚀技术一般使用含有Ag金属的化学溶液做催化剂，刻蚀溶液由HF和双氧水后配成。制备时，随着添加的双氧水浓度变大，硅片的表面结构向不均匀的表面结构发展。这种方法在制备过程中的操作不复杂，也不需要加以高温，所以我们在常温常压的条件下，就使用上述方法制备硅纳米孔阵列结构和硅纳米线阵列结构[2,3]。
目录
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 硅微纳结构的分类 2
1.3 硅微纳的常用制备方法 3
1.4 硅微纳的应用 6
1.5 研究目的和研究内容 8
2 实验部分 8
2.1 主要试剂与仪器 8
2.2 实验方案 10
2.3 实验过程 11
3 实验结果与分析 13
3.1 不同时间和刻蚀剂制备的金字塔结构对比 14
3.2 硅微纳减反性能的影响因素 17
3.3 影响硅微纳润湿性能的因素 18
结 论 21
致 谢 22
参 考 文 献 23 1 绪论
硅微纳米结构是基于微米级，亚微米级，纳米级尺寸大小的硅表面上的材料单元，或由该组织构建的特殊微纳结构的新型结构系统。
硅微纳结构的各方面性能都很优秀主要，原因有以下三点：一是制备硅微纳结构的材料成本比较低，比如对于相同的光吸收量和光折射率来说，硅微纳结构里面的硅材料的使用只有硅片的百分之一。二是由于硅微纳结构的物理尺寸比较小，它的表面上的结构比较的少见，而且它的结构和其他的微纳结构有很大的不同，在性能上的差别也是很大的。三是因为硅微纳米材料对光的反射、对光能的吸收，还有对电子 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
的获取采集方面，有着其他纳米级别的材料所不具有的特点。
正是由于硅微纳米结构的材料的原料成本较低，性能优秀，所以这种纳米结构材料可以在不久的将来全面应用于硅太阳电池的结构设计，以及新能源产品的开发。接下来我们就对硅微纳结构制备方法和它的减反性能及其润湿性能进行研究与讨论。
1.1 研究背景
近年来，伴随着纳米技术的快速发展，硅微纳米材料成为了研究热点，并在制备方法、应用领域方面取得了重大的研究进展，有望成为新一代的高性能负极材料。硅微纳米材料由于其具有许多独特的物理性质和化学性质，更好的承受体积的应变能力，比表面积大，锂离子脱嵌的深度小，离子扩散路径短等优点，成为了一种高性能材料。根据这些优点，硅微纳米材料在光学、磁学、电学、传感学和生物医学等方面的应用与开发有着重大的意义。硅微纳米的研究意义在于：硅可以用作理想的太阳能电池材料，随着社会的发展，太阳能的开发利用是今后研究的大头，太阳能的主要运用是太阳能电池以及太阳能发电，而这种应用需要有高的光能吸收能力和低廉的材料，这些要求硅微纳米材料都能满足。很多纳米结构对光的反射率和光能的吸收性能都比大尺寸的表面结构材料要好，这些微纳结构可以使太阳能电池的光电效率更好，大大的减少了能源的浪费。因此，硅微纳米材料的研究应用对于新能源的开发与利用，对于改善人类的生活条件和社会发展有着重要的意义。
结合硅微纳米材料表面形貌具有高的光吸收率的优点，制备具有金字塔表面结构的硅微纳米材料，并通过实验来研究硅微纳米材料的光电学性质，优化硅材料的质量，制做硅微纳米结构太阳能电池，可以减少我们对能源的消耗，对我们今后的生活和资源可持续发展带来巨大的改善。随着科学界对硅微纳米材料研究的不断深入，硅微纳材料的应用领域、研究前景必定将更加的广泛，不会再局限于太阳能电池的研究，在计算机、医学、工业制造领域也将会有更大的应用。
1.2 硅微纳结构的分类
硅片表面硅微纳结构作为接触面，有着良好的光能吸收能力和光的减反能力，可以作为硅太阳能电池反射光的表面。现在应用在硅微纳米太阳能电池表面的微纳结构有很多种，我们所用到的比较多的硅微纳结构有以下几种：一是金字塔结构，是本次实验制备的结构；二是纳米孔结构和纳米线结构，三是微纳复合结构。
1.2.1 金字塔结构
我这次实验所制备的硅微纳结构就是金字塔结构，这种结构的形貌像金字塔一样，所以叫金字塔结构，可以用于硅太阳电池光反射层的结构。实验制备通常采用的腐蚀剂包括KOH溶液或者NaOH溶液、Na2CO3溶液以及TMAH四甲基氢氧化铵溶液。采用腐蚀法制备金字塔结构，实验条件限制了试剂的选择，所以大部分情况选择成本比较低廉NaOH溶液，也可以制备出形貌比较均匀的金字塔结构[1]。这种溶液制备可以重复使用，制备要求简单，所以也是工业流水线生产的第一选择。
影响金字塔结构质量的因素有很多，简单介绍以下几种。一是腐蚀剂的有选择，腐蚀剂的选择也会对制备出的金字塔结构的表面形貌产生影响；二是刻蚀时间，金字塔结构的形貌随着反应的时间增加而逐渐变化；三是不同晶面的腐蚀速率，也会使金字塔结构的尺寸大小与表面形貌发生变化，要想稳定的控制不同晶面的腐蚀速率，可以通过改变腐蚀剂的浓度，或者改变加热温度。四是刻蚀剂浓度，金字塔结构的形貌和大小也随着刻蚀剂的浓度增加而逐渐变化。
1.2.2 硅纳米孔阵列与硅纳米线阵列结构
硅纳米孔阵列结构和硅纳米线结构顾名思义，就是形状像孔和线的表面微纳结构。制备这种结构主要利用纳米粒子通过空气穴注入微纳通道，在硅的表面引起有目的性的刻蚀，形成了纳米级别的孔或线结构。硅纳米孔阵列结构和硅纳米线阵列结构的减反性能和反射率比金字塔结构更加的出色，应用也比金字塔结构更加的广泛。
这几年来，金属纳米粒子催化刻蚀技术发展应用广泛，这种刻蚀技术一般使用含有Ag金属的化学溶液做催化剂，刻蚀溶液由HF和双氧水后配成。制备时，随着添加的双氧水浓度变大，硅片的表面结构向不均匀的表面结构发展。这种方法在制备过程中的操作不复杂，也不需要加以高温，所以我们在常温常压的条件下，就使用上述方法制备硅纳米孔阵列结构和硅纳米线阵列结构[2,3]。
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