Electroless etched silicon nanostructures for solar energy conversion

Abstract

Eine kostengünstigere und effizientere solare Energiewandlung ist die große Herausforderung für für Wissenschaftler und Ingenieure in unserer Zeit. Silizium Nanodrähte (SiNW) und poröses Silizium (PSi) haben eine spannende Zukunft bei der Erreichung dieses Ziels. In dieser Arbeit wurden SiNW und PSi mit dem kostengünstigen, nanotechnologischen ‚Metall-unterstützen chemischen Ätzen‘ (MACE) hergestellt. Bei den SiNW wurde entdeckt, dass durch MACE ein ausgezeichneter Reinigungseffekt von ‚schmutzigem‘ Si erzielt werden kann, durch den Metallverunreinigungen aus dem Si effizient entfernt werden können. Darüber hinaus wurden SiNW aus ‚schmutzigem‘ Si für die photoelektrische Wasserspaltung eingesetzt. SiNW zeigten eine deutliche Verbesserung der Effizienz der H2-Gewinnung. PSi konnte als meso-PSi mit großer Gleichmäßigkeit gewonnen werden. Die Porösität kann dabei variabel eingestellt werden. Diese einfache neue Technik hat eine höhere Ätzrate im Vergleich zu herkömmlichen Ätzverfahren. Deshalb kann es direkt für die Photovoltaik mit Schichttransfer angewandt werden und dabei den Prozessieraufwand deutlich senken.

Pursuing solar energy conversion devices with low cost and high efficiency has become the major task of scientists and engineers in our age. Si nanowire (SiNW) and porous Si (PSi) provide the exciting future for achieving this aim. In this thesis, we obtain SiNW and PSi through cost-effective nano-technique ‘metal assisted chemical etching’ (MaCE). In case of SiNW, we find that during MaCE of ‘dirty’ Si, superior purification effect is observed, and metal impurities inside ‘dirty’ Si can be effectively removed. We further apply SiNWs from ‘dirty’ Si in photoelectrochemical water splitting. SiNWs show significant efficiency enhancement for H2 evolution. In case of PSi, we successfully obtain meso-PSi with high uniformity. The porosity can be flexibly tuned. Compared with traditional etching methods, this simple new technique has a fast etching rate. Thus, it can be directly applied in layer transfer photovoltaics while significantly reducing process complexities.