2023年优质纳米晶硅薄膜的低温制备技术及其在太阳能电池中的应用进展.doc

优质纳米晶硅薄膜的低温制备技术及其在太阳能电池中的应用进展.txt37真诚是美酒，年份越久越醇香浓烈；真诚是焰火，在高处绽放才愈显美丽；真诚是鲜花，送之于人，手有余香。 本文由liujunxia80600奉献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第2卷 4期 第 2023年12月 材 料 研 究 与 应 用 MA TERIAL S R ESEA RC H AND A PPL ICA TION Vo1. 2 ,No . 4 Dec . 2 0 0 8 文章编号 :167329981 ( 2023) 0420450205 陈城钊1 , 邱胜桦1 , 刘翠青1 , 吴燕丹1 , 李 1 , 余楚迎2 , 林璇英1 ,2 平 ( 1. 韩山师范学院物理与电子工程系 , 广东 潮州 521041 ; 2. 汕头大学物理系 , 广东 汕头 515063) 摘 : 纳米晶硅薄膜是集晶体硅材料和氢化非晶硅薄膜优点于一体 , 可望广泛应用于薄膜太阳能电 要 池, 光存储器 , 发光二极管和薄膜晶体管等光电器件的一种新型功能材料 . 本文综述低温制备优质纳米 晶硅薄膜技术的研究进展及其在薄膜硅太阳能电池上的应用 . 关键词 : 纳米晶硅薄膜 ; 太阳能电池 ; 低温制备 ; 进展 中图分类号 : TM914. 4 文献标识码 : A 嵌在 a2Si ζ H 网络里的一种硅纳米结构 . 由于它具 有较高的电导率 ( 10 - 3 ～10 - 1 Ω - 1 · - 1 ) , cm 宽带隙 , 高光敏性 , 高光吸收系数等优良的光电特性而引起 学术界的重视 . 纳米晶硅薄膜同时具备宽带隙和高 电导这两种太阳能电池窗口材料所需的优良性质 , 现已成为研究探索的热门纳米薄膜材料 [1 ] 制备薄膜太阳能电池外 , 在发光二极管 , 光存储器 , 隧穿二极管 , 薄膜晶体管以及单电子晶体管等光电 器件方面也有潜在应用 [2 ] 1 低温制备纳米晶硅薄膜的技术 为了制备适用于以玻璃为衬底的太阳能电池的 ) 纳米晶硅薄膜 , 近年来开展了低温 ( < 450 ℃ 制膜 技术 . 按成膜过程可分为两大类 : 一类是先制备非晶 态材料 ,再固相晶化为纳米晶硅 ; 另一类是直接在玻 璃衬底上沉积纳米晶硅薄膜[ 2 ] . 1. 1 固相晶化法 的温度低于其熔融后结晶的温度 . 低造价太阳能电 收稿日期 :2023209211 3 基金项目 : 韩山师范学院青年科研基金资助项目 (0503) ) 作者简介 : 陈城钊 (1975 — ,男 ,广东潮州人 ,讲师 ,硕士 . 纳米晶硅 ( nc2Si ζ H) 薄膜就是硅的纳米晶粒镶 . 除用于 . 固相晶化 ( SPC) 法的特点是非晶固体发生晶化 优质纳米晶硅薄膜的低温制备技术及其 在太阳能电池中的应用进展 3 等都属于固相晶化法 . 1. 1. 1 常规高温炉退火 池的纳米晶薄膜 ,一般以廉价的玻璃作衬底 ,以硅烷 气为原材料 ,用 P ECVD 法沉积 a2Si :H 薄膜 ,然后 再用热处理的方法使其转化为纳米晶硅薄膜 . 这种 方法的优点是能制备大面积的薄膜 , 可进行原位掺 杂 ,本钱低 ,工艺简单 ,易于批量生产 . 常规的高温炉 退火 , 金属诱导晶化 , 快速热退火 , 区域熔化再结晶 该方法是在氮气保护下把非晶硅薄膜放入炉腔 内退火 ,使其由非晶态转变为纳米晶态[ 3 ] . 非晶硅晶 化的驱动力是晶相相对于非晶相较低的 Gibbs 自由 能 . 固相晶化过程主要由晶核的形成及晶核长大两 步完成 . 形核率和生长速率都受温度的影响 ,所以纳 米晶硅薄膜的晶粒尺寸受温度的影响很大 . 晶硅薄 膜的晶粒尺寸除受温度的影响外 , 与初始非晶硅膜 的结构状况也有密切的关系 . 有研究者采用 "局部掺 杂法" 来增大晶粒尺寸 , 即在基底上沉积两层膜 , 下 层进行磷掺杂 , 作为成核层 , 上层不掺杂 , 作为晶体 生长层 ,退火后可获得较大的晶粒 [ 4 ] . 1. 1. 2 金属诱导晶化 金属诱导晶化就是在非晶硅薄膜上镀一层金属 第2卷 4期 第 陈城钊 ,等 : 优质纳米晶硅薄膜的低温制备技术及其在太阳能电池中的应用进展 ·451 · 膜或在镀有金属膜的基片上再镀一层非晶硅膜 , 使 非晶硅与金属接触 , 这样可大大降低非晶硅的晶化 温度 ( 300 ℃ 左右就能发生晶化) ,缩短晶化时间 . 可 作诱导的金属有 Al ,A u ,Ni , Pt , Ti ,Cr , Pd 等 , 不同 的金属诱导晶化效果略有不同 . 由于 Al 的含量丰 富, 价格廉价 ,因此铝诱导晶化备受青睐[ 5 ] . 对于产生低温晶化的原因 ,比拟一致的解释是 : 在 a2Si :H 与 Al 的界面处 , 由于 Al 扩散到非晶硅 中 ,形成了间隙原子 , 使 Si —Si 共价键转变为 Si — Al 金属键 , 极大地降低了激发能 . 界面处的这些硅 化物加速了 Al 和 Si 原子的相互扩散 , 导致了 Al — Si 混合层的形成 . 由 Al2Si 相图可知 , 低温下 ( < 300 ) ℃ ,硅在铝中的固溶度几乎可以忽略 , 因此铝中的 超饱和硅以核的形式在 a2Si :H 和 Al 的界面析出 . 这些固体沉淀物逐渐长大 , 最后形成了晶体硅和铝 的混合物 . 与传统的固相晶化技术相比 ,该技术能大 大降低退火温度 ,缩短退火时间 ,制备出较大晶粒的 纳米晶硅薄膜 [ 6 ] . 然而 ,有研究发现利用该技术制备 的纳米晶硅薄膜会引入大量的金属原子 , 在很大程 度上破坏了硅薄膜的电特性 . 这是一个不太容易解 决的问题 . 1. 1. 3 快速热退火 的激光束频率 , 受光次数以及激光能量密度等都会 影响非晶硅薄膜的结晶状况 . 另外 ,激光束的形状和 扫描方向也会影响晶化过程中晶粒的生长方向 [ 829 ] . 实现大面积制备等 . 1. 2 直接沉积纳米晶硅薄膜 1. 2. 1 热丝化学气相沉积法 该技术的缺点是设备昂贵 , 工艺的重复性较差 , 难以 采用固相晶化法制备纳米晶硅薄膜 , 由于需先 沉积非晶硅薄膜 ,再转化为纳米晶硅薄膜 ,所需时间 较长 . 如果沉积非晶硅薄膜和热处理不在同一系统 中 ,那么在转移非晶硅薄膜的过程中 ,容易造成薄膜的 氧化 ,生成 SiO2 ,或引入其它杂质 ,对薄膜的性能产 生不良的影响 . 近几年来 ,许多科研工作者都在探索 不经退火 ,直接在同一系统中制备纳米晶硅薄膜的 新技 术 , 这 些 技 术 包 括 : 热 丝 化 学 气 相 沉 积 ( H WCVD) ,高压 rf2P ECVD 和采用新气源等 . 当硅烷或其它源气体通过装在衬底附近 , 温度 高达 2023 ℃ 的钨丝时 , 源气体的分子键发生断裂 , 形成各种中性基团 ,在衬底上沉积成纳米晶硅薄膜 . 沉积时衬底的温度约 175～400 ℃,可用廉价的玻璃 作衬底[ 10 ] . 用 HWCVD 法制备的纳米晶硅薄膜的 晶粒尺寸约 0. 3～1. 0 μm ,具有柱状结构 ,择优取向 于 ( 110) 晶面 ,可应用于光伏打器件 . 由于钨丝的温 度很高 ,对局部设备的耐热要求较高 . 而且晶粒尺寸 较小 ,不适宜大面积均匀薄膜的制备 ,所以应用范围 受到较大限制 . 1. 2. 2 高压高氢稀释硅烷 P ECVD 法 快速热处理技术 ( R TP) 是近年来开展很快的半 导体工艺新技术 . 快速热退火属于快速热处理的范 畴 ,是一种新的退火方式 , 它的热源是卤钨灯 . 与传 统的退火炉相比 , 该方法有很多优点 , 除了用时短 , 耗热少 , 产量大 , 过程易控外 , 晶化后的纳米晶硅膜 缺陷较少 , 内应力小 . 一些研究发现对非晶膜进行快 速热退火时 ,温度的改变 , 时间的延长对晶粒尺寸的 影响不大 ; 但升温速率对晶粒尺寸的影响很大 ,升温 速率较大时 , 硅晶粒较小 , 升温速率较小时 , 硅晶粒 较大[ 7 ] . 1. 1. 4 区域熔化再结晶 区域熔化再结晶是将一束很窄的能量源在硅薄 膜的外表移动使硅薄膜材料的不同区域依次熔化而 结晶 . 比拟成熟和用得较普遍的是激光加热 ,即激光 晶化法 . 该晶化技术的特点是可以采用不同类型的 激光在很短的时间内将非晶硅材料加热到很高的温 度使其熔化然后结晶 ,由于熔化结晶的时间很短 ,因 此衬底的温度不太高 , 从而能够使用廉价的玻璃作 为衬底 . 准分子激光由于其脉冲时间极短 ( 10 ～ 30 ns) ,且波长处于超紫外范围 , 因而是在玻璃衬底上 制备硅薄膜材料理想的能量束 . 在硅薄膜上所照射 系统 ,采用较高的反响气压 , 匹配比拟高的鼓励功 率 . 以 0. 7 nm/ s 制 备 出 优 质 的 氢 化 纳 米 晶 硅 薄 膜 [ 11 ] . 薄膜的晶化率约 60 % , 平均晶粒尺寸约 6. 0 nm ,暗电导率为 10 - 3 ～ 10 - 4 Ω - 1 ·cm - 1 , 薄膜 的 SEM 图如图 1 所示 . 在本实验室的条件下 , 制备纳 米晶硅薄膜时有以下结论 : ( 1) 射频功率太小薄膜中 没有晶态成分 . 在其他条件不变的情况下 ,功率太大 晶化率反而下降 . 在一定的射频功率范围内 ,薄膜中 的晶态成分随功率增大而增加 . ( 2) 在一定的温度范 围内 ,薄膜中的晶态成分随温度的升高而增加 ,晶粒 随温度的升高而增大 . ( 3 ) 随着 H2 稀释度 R H = H2 / ( Si H4 + H2 ) 的增加 , 薄膜晶化率变大 , 生长速 率变小 . 结合 Raman 和 F TIR 谱 , 认为在高氢条件 下 ,氢的作用在于通过刻蚀反响外表弱的 Si - Si 最近 ,我们用常规的 13. 56 M Hz 的 rf2P ECVD ·452 · 材 料 研 究 与 应 用 2023 键 ,形成牢固的 Si - Si 键 , 从而调整 nc2Si ζ H 薄膜 的微观结构及其键合特征 . ( 4) 反响气压在一定程度 上能提高薄膜的晶化率和沉积速率 , 但太高的压强 1. 2. 3 采用新原材料的 P ECVD 技术 所造成的反响离子对薄膜外表的轰击反而会降低晶 化率和沉积速率 . 图1 纳米晶硅薄膜的外表形貌 ( a) 三维原子力显微镜 ( A FM) 图 ; ( b) 外表 SEM 图 导体工业技术相匹配可以降低本钱 , 从而激发了国 内外对纳米硅薄膜的研究兴趣 . Sukti Hazra 等人首次用纳米硅薄膜作为太阳 能电池的本征层 ,做成了本征型纳米硅 p2i2n 单结太 阳电池[ 15 ] . 电池结构为 glass/ TCO/ a2Si ζ H/ nc2Si ζ H/ Back co ntact/ Al ( 图 2) . 实验结果说明 ,所制作 的太阳能电池在长时间光照条件下具有优良的稳定 性 ,而且开路电压也比拟高 ,到达了 0. 93 V . 胡志华 等人运用美国宾州大学开发的 AM PS 程序模拟分 析并计算了 n 型纳米硅 ( n + 2nc2Si ζ H ) / p 型晶体硅 (p2c2Si ) 异质结太阳能电池的光伏特性 [ 16 ] . 此结构 电池是