纳米|大气环境下采用激光清洗辅助激光烧蚀在宽带超低反射率的硅表面制备多尺度微纳结构( 五 ) mms|探测器|太阳能电池

图6 用椭圆斑激光清洗氧化沉积示意图。插入的“a”显示了某一区域随着时间的推移(也意味着脉冲的时间顺序)的激光辐照量。插入的“b”是激光行扫描中脉冲的时间顺序。插图“c”是用椭圆斑解释氧化沉积的清洗机理。
激光注量沿椭圆斑长轴由高能区向低能区连续衰减，衰减梯度较小。因此，利用这一特性，可以在某一区域实现激光能量无级降低的多次激光清洗氧化沉积粒子(图6c) 。该方法解决了圆斑需要多次激光扫描的能量降解问题，大大提高了加工效率。
为优化椭圆斑激光清洗激光织构Si表面的增透性能，对不同的工艺参数(功率、扫描速度和扫描螺距)进行了优化。图S4显示了不同激光功率、扫描速度和扫描间距下激光清洗激光织化Si表面的反射光谱和化学成分。结果表明，随着激光加工参数的增加，硅表面反射率和O种原子百分率均呈现先降后升的演化规律。随着激光清洗功率从400 mW增加到600 mW ，更强烈的烧蚀导致去除更多的材料。当扫描速度从4 mm/s增加到12 mm/s时，点重叠数减小，消融程度降低。过弱的激光烧蚀不能完全去除激光织构Si表面的氧化物沉积。如果激光烧蚀强度过大，材料的表面熔化会影响微纳米结构的层次结构，并产生更多新的氧化物沉积。扫描间距从40 μm增加到80 μm时，烧蚀重叠面积减小。过小的扫描间距会导致过度的清洗，导致微纳米结构的熔化和沉积颗粒的增加。过大的扫描间距会导致清洗不充分。因此，选择合适的激光烧蚀参数对硅表面的氧化物沉积进行清洗，以提高其反射率。

图S4 (a)不同激光功率、扫描速度和扫描间距下激光清洗激光织构Si表面的反射光谱。 (b)不同激光功率、扫描速度和扫描螺距下硅表面化学成分的变化。
实验结果表明，在扫描速度为8 mm/s、扫描间距为60 μm的条件下，在500 mW范围内进行激光清洗，获得了宽频带的超低反射率硅表面，加工效率比圆点激光清洗提高了4.8倍。我们清楚地观察到，网格块状微结构表面诱发了纳米和微细结构，在硅表面制备了多尺度的微纳分层结构(表面的SEM图像如图7a所示) 。这些特征的不同尺寸有利于拓宽光阱和表面等离子体共振的有效波长范围，从而形成更高效的有效介质。 EDX测量结果表明， O被有效消除，优于圆点激光清洗氧化沉积的方法(见图7b) 。
如图7c所示，平均反射率为2.06% ，在300 ~ 2500 nm波长范围内达到最小反射率1.48% ，明显优于圆点法的平均反射率(5.3%) 。这一结果也证明了有效去除材料表面氧化沉积有利于降低材料表面反射率。宽带反射降低到2.86%以下可见的近红外宽带光谱区域。然而，更重要的是，我们证明了在780-2500 nm范围内的近红外光谱的平均反射率为1.94% ，这是迄今为止激光加工技术报道的最少的。解决了在空气中激光处理导致硅表面氧化而难以实现低反射率的问题。

图7 (a)在500 mW、扫描速度为8 mm/s、扫描间距为60 μm的条件下，激光清洗表面结构形貌的SEM图像。 (b-c)分别用圆形光斑和椭圆光斑激光清洗和不清洗激光织构Si表面的化学成分分析和反射光谱分析。
长波长范围内硅的抗反射性能相对较差。到目前为止，还没有关于在环境空气中直接制造增强中红外吸收的黑硅的报道。在此背景下，我们证明了在2.5-16μm范围内，其增透性能随波长的变化而改善。如图8所示，实验实现了硅的MIR吸收在宽波长范围内的显著增强。结果表明，在宽频带反射低于6.6%的情况下，平均反射率降低到4.98% ，比初始Si表面提高了8.7倍。特别是在2.5 ~ 10 μm范围内，获得了低于5.0%的反射率，平均反射率为4.3% ，这是目前所知激光加工技术在硅表面实验获得的最低反射率。