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微纳结构在光电功能器件方面的应用研究

可行性报告

一、立项必要性

近年来，随着绿色能源概念的提出，对于太阳能、风能、生物能源的利用需

求促使人们为提高能量利用率而对器件结构、材料提出更高的要求，其中对于光

能的利用涉及到光电功能器件的高效发射、传输、转换、接收与探测光子信号的

过程，器件类型包括发光二极管（LED），光学波导，太阳能电池，可见及红外

光探测器等，器件结构设计与优化对于性能的提高起到非常重要的作用。近年来

在器件结构优化的过程中经常用到二维微纳米周期阵列结构，用来增加对于光线

的调控，均取得了较好的效果，如：

1.用于LED的“表面粗化技术”和“蓝宝石图形化衬底技术”。LED芯片在制

作过程中，通常会遇到由于界面及表面折射率差过大而影响到光线出射的问

题，从而影响到LED外量子效率的提高，通常采用的结构改进方法为表面粗

化与蓝宝石图形化衬底技术（PSS）等，分别在外延片顶部与衬底表面采用

光刻+刻蚀等工艺制作二维周期性结构，一方面能够有效改善LED表面结构

对称性，增加出光几率，另一方面，还能够通过侧向外延等手段，有效地减

少衬底与外延层晶格失配，达到减少位错密度，改善晶体质量的效果。

2.用于太阳能电池硅材料表面及其封装玻璃表面的二维周期阵列结构。为了增

加太阳能电池对于光线的吸收，减少材料表面的反射，通过微纳结构设计，

并采用严格耦合波分析（RCWA）仿真，能够得到高吸收、低反射的二维周

期结构。如通过各向异性腐蚀、飞秒脉冲激光等硅表面微加工技术制作的“黑

硅”表面，具有周期性，微纳尺寸的“小金字塔”结构，在250nm—2500nm

的宽光谱范围都具有超高效率的吸收。在封装玻璃表面通过光刻结合蚀刻的

技术，或者通过微纳尺寸小球的自组装技术获得类似“蛾眼”结构，能够形

成折射率从玻璃到空气端的有效梯度减少，从而能够获得宽光谱

（400nm-1100nm），宽角度（0-60度）范围极低的反射率，在太阳能电池产

品中有着重要的应用前景。

3.二维有序半导体量子点阵列。当半导体尺寸减少到小于其玻尔半径的时候，

会产生重要的量子限制效应，并在光电子领域产生独特的物理现象。相比于

无序量子点材料，有序量子点阵列更能够带来光电性能的增强。

因此，本项目提出了一种制备过程简单，易操控的自下而上（buttom-up）

基于分子自组装技术的微结构制备方法，得到密堆及非密堆的介质纳米球阵列，

以此作为材料继续生长的模板结构或器件的关键组成结构，并将微纳结构分别应

用于前述LED的蓝宝石衬底、太阳能电池表面以及半导体量子点材料生长的过

程中，研究微纳结构影响典型光电功能器件性能的机理，并以此指导器件性能优

化的仿真及实验过程，为获得高性能光电功能器件，提高浙江省在该领域的竞争

力而奠定基础。

二、建设单位现有工作基础和条件

项目申请单位是我省从事能源研究开发的科研单位，拥有省级太阳能及节能

技术重点实验室，在LED和太阳能领域具有较强的研究基础。项目合作单位是

我国光学工程的诞生地。项目负责人已主持完成过多项省级科研项目，项目组成

员专业互补性强，梯次合理，具备完成本项目各项任务的能力。项目组已经做了

相关的前期工作，我们采用静电自组装以及旋涂自组装的方法已经对SiO2、PS

介质球进行了微纳结构制作，通过研究溶液成分、PH值以及组装工艺参数，获

得了较大面积较为均匀的微纳有序结构，为我们进一步将该技术应用于光电功能

器件奠定了很好的基础。下图是我们采用旋涂自组装的方法在蓝宝石衬底上制作

的密堆SiO2二维有序阵列。

图1.利用旋涂自组装法制备的二维有序SiO2介质球阵列

我们也尝试了在蓝宝石衬底上利用非密堆阵列形成的图形化衬底对于芯片

光致发光性能的影响，通过对比实验发现，图形化衬底一方面能够很有效地改进

GaN材料晶体质量，另一方面能够有效提高出光效率。光功率提高了17.8%。

图2.利用静电自组装得到的阵列图3.PSS上芯片发光强度与普通芯片的比较

我们设计了一种针对太阳能电池封装玻璃的减反射薄膜，利用梯度折射率薄

膜以及表面有序微结构形成复合层，能够在宽光谱、宽角度范围有