为增强晶体硅太阳能电池的光利用率, 提高光电转换效率, 研究了硅纳米线(Silicon nanowires, SiNWs)阵列的光学特性。首先运用时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain, FDTD)方法对硅纳米线阵列在300~1100 nm波段的吸收率进行了模拟计算, 并对硅纳米线阵列的光吸收效率进行了优化计算。结果表明, 当硅纳米线阵列的周期为600 nm, 填充比为0.7时硅纳米线阵列的光吸收效率最大, 可达32.93%。然后采用金属催化化学刻蚀(Metal Assisted Chemical Etching, MACE)的方法, 于室温、室压条件下在单晶硅表面制备了不同结构的硅纳米线阵列, 并测试了其反射率R, 并对实验结果进行了分析, 表明硅纳米线阵列相对于单晶硅薄膜, 其减反射增强吸收的效果明显。因此, 在硅表面制备这种具有特殊形貌的微结构不仅能降低太阳电池的制造成本, 同时还能大幅降低晶体硅表面的光反射, 增强光吸收, 提高电池的光电转换效率。

提出用碱溶液修饰硅纳米线阵列制作太阳能绒面的方法。实验中首先采用金属催化化学腐蚀法在Si(100)基底上制备了定向排列的硅纳米线阵列，然后将纳米线阵列浸入碱溶液中进行修饰，修饰时间分别为10，30，50，60，90 s。通过扫描电子显微镜（SEM）对硅纳米线阵列进行形貌分析，采用太阳能测试系统附带的积分球测量纳米线阵列绒面结构的反射光谱。通过测量和分析发现硅纳线阵列在碱溶液中修饰30 s时表面分布均匀，在400~1000 nm波段的综合反射率低于4%。结果表明碱溶液修饰纳米线阵列的方法能够有效分散束状硅纳米线阵列，明显降低绒面的反射率，并且初步分析了碱溶液修饰硅纳米线阵列的分散机理。

基于金属援助硅化学刻蚀机理，成功地发展了一种形貌可控地制备硅纳米线阵列的有效方法。在该方法中，通过银纳米颗粒催化层的微结构和硅化学刻蚀的时间来调控硅纳米线阵列的形貌。扫描电子显微镜(SEM)形貌表征的实验结果证实：硅纳米线阵列的孔隙率依赖银纳米颗粒催化层的微结构，硅纳米线阵列的高度依赖于硅的刻蚀时间。这种形貌可控地制备单晶硅纳米线阵列的方法简单、有效，可用于构筑硅纳米线光伏电池等各种硅基纳米电子器件。

结合光刻工艺和金属援助硅化学刻蚀法成功地制备了图形化的硅纳米线阵列场发射阴极, 研究了其场发射性能。扫描电子显微镜照片显示,嵌入在硅衬底的硅纳米线阵列为垂直取向, 形成图形化。场发射测试与分析表明,该阴极能够有效实现场电子发射, 并且有利于获得图形化、低发散角的电子束。本研究提供了一种在硅基底上简单、有效地选域制备图形化硅纳米线阵列场发射阴极的途径, 可潜在用于构筑各种真空微电子器件。

在常温常压条件下, 采用改进的金属催化化学腐蚀方法在n型单晶硅片(100)上制备了大面积垂直于硅衬底、直径均匀、排列整齐的硅纳米线阵列。分析了样品的表面形貌和反射谱, 纳米线直径为10～50 nm。在腐蚀时间分别为15, 30, 60 min时, 纳米线长度分别为9, 17, 34 μm。样品的减反射性能优异, 在300～1 000 nm波段, 得到了2.4%的反射率。初步分析了纳米线阵列的减反射机制和不同腐蚀时间样品的反射率差异。