窄帶隙納米鍺材料及其在太陽電池中的應(yīng)用研究.pdf

1、納米鍺（nc-Ge:H）具有窄帶隙、高吸收系數(shù)、高遷移率等優(yōu)點，應(yīng)用到太陽電池的吸收層可以有效拓展太陽電池紅外波段光譜的吸收。目前關(guān)于在硅片上外延生長 Ge和 SiGe的研究有很多，但是所用設(shè)備均為分子束外延法（Molecular Beam Epitaxy, MBE）和超高真空化學(xué)氣相沉積法（Ultra High Vacuum Chemical Vapor Deposition, UHV-CVD），而這些設(shè)備造價昂貴，制備nc-Ge:H

2、的成本高，并不利于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。本文采用射頻等離子體增強化學(xué)氣相沉積(RF-PECVD)技術(shù)，在260℃的溫度下，在單晶Si（100）襯底上生長出晶粒尺寸在3-7nm可調(diào)的nc-Ge:H薄膜材料，并對nc-Ge:H的制備工藝進行了系統(tǒng)的研究。在此基礎(chǔ)上，制備出nc-Ge:H/微晶硅（nc-Ge:H/μc-Si:H）周期性多層薄膜并作為吸收層應(yīng)用到太陽電池中，使電池的QE響應(yīng)拓展至1400nm處。具體研究內(nèi)容包括:
　?。?）研究

3、了不同工藝參數(shù)（輝光功率、反應(yīng)氣壓、鍺烷濃度）對 nc-Ge:H薄膜的材料特性的影響。系統(tǒng)的分析了沉積參數(shù)對其形貌、晶化率、沉積速率以及光電性能的影響。研究發(fā)現(xiàn):輝光功率和反應(yīng)氣壓的增大可以增大材料的晶化率，進而導(dǎo)致材料表面粗糙度增大，同時長波的吸收系數(shù)增大。但是縱向電導(dǎo)由于晶化率的不斷增大會先增大后減小。鍺烷（GeH4）濃度的增大會降低材料的晶化率，降低表面粗糙度，使材料的長波吸收下降，材料的縱向電導(dǎo)也隨著GeH4濃度的增大而減小，但

4、是沉積速率會隨之增大，所以從光電性能以及實際操作可行性的角度，GeH4濃度不能過低。
　　為了抑制nc-Ge:H晶粒的長大和交聯(lián)，我們在其生長過程中引入μc-Si:H鈍化層，并通過周期性結(jié)構(gòu)增加nc-Ge:H薄膜的總厚度，進而實現(xiàn)對太陽光譜的充分吸收。最終，用nc-Ge:H/μc-Si:H多層結(jié)構(gòu)并將其作為太陽電池的吸收層，電池的QE響應(yīng)可以拓展至1400nm處。說明nc-Ge:H的加入會增加紅外波段光的吸收。當(dāng)外加0.5V的反向

5、偏壓時，QE響應(yīng)有明顯的提升，說明 nc-Ge:H的長波吸收能力強，在提高電池效率方面有潛力，改善電學(xué)輸運性能后有望使電池性能大幅提高。
　?。?）為了探索nc-Ge:H薄膜的生長機制，我們通過生長不同厚度的nc-Ge:H層證明了用PECVD工藝在低溫下Ge的生長并不是遵從S-K模式，而是從非晶到微晶的轉(zhuǎn)變過程。這種生長模式會在生長初期引入孵化層，影響材料的光電特性。對 nc-Ge:H薄膜進行后退火處理可以有效避免孵化層對電學(xué)性能