微晶硅薄膜材料生長(zhǎng)及電池制備的研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源危機(jī)日益加重，無(wú)污染的光伏發(fā)電受到了大家的廣泛關(guān)注。微晶硅薄膜太陽(yáng)能電池既有高效率和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，又有節(jié)省原材料、可大面積連續(xù)生產(chǎn)的特點(diǎn)，它一直是人們比較關(guān)注的薄膜太陽(yáng)能電池。對(duì)微晶硅薄膜太陽(yáng)能電池來(lái)說，窗口層和本征層的質(zhì)量對(duì)電池性能影響比較大。因此，重視研究薄膜的生長(zhǎng)機(jī)理，可以為調(diào)控薄膜質(zhì)量和改善電池性能提供指導(dǎo)。由于微晶硅薄膜的生長(zhǎng)是個(gè)復(fù)雜的氣相反應(yīng)過程，對(duì)其生長(zhǎng)機(jī)理還沒有達(dá)成共識(shí)，有必要對(duì)薄膜的生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行研

2、究。此外，實(shí)現(xiàn)微晶硅薄膜太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵是如何縮短生產(chǎn)周期，降低器件成本。提高本征層薄膜的生長(zhǎng)速率，就是降低生產(chǎn)成本的重要措施之一。在薄膜高速生長(zhǎng)條件下制備的器件，其性能往往容易變差。其中重要的是在高速沉積條件下，要注意改善薄膜的縱向均勻性，使得在高速生長(zhǎng)條件下能制備出器件級(jí)優(yōu)質(zhì)微晶硅薄膜，從而制備出高效率電池。根據(jù)以上目標(biāo)本論文對(duì)其進(jìn)行了研究，具體分為以下幾個(gè)方面:
　　1.薄膜生長(zhǎng)機(jī)理的研究。薄膜的生長(zhǎng)過程分為氣相反應(yīng)動(dòng)

3、力學(xué)和表面生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)兩部分。對(duì)氣相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)采用模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的手段進(jìn)行了研究。模擬輝光功率對(duì)氫等離子體和氫氣與硅烷混合氣體等離子體的影響。隨功率的增加，氫等離子體中Hα和Hβ的數(shù)密度均呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，電子濃度和電勢(shì)也呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，而電子溫度的變化很小;混合氣體中的SiHx基團(tuán)的濃度也隨功率增加呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，促進(jìn)了薄膜生長(zhǎng)。通過和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，兩者的結(jié)果是吻合的。另外分析了反應(yīng)壓強(qiáng)、氣體流量和反應(yīng)時(shí)間對(duì)氫等離子體的影響。對(duì)表面生長(zhǎng)動(dòng)

4、力學(xué)主要采用橢圓偏振光譜儀對(duì)薄膜的生長(zhǎng)進(jìn)行了研究。首先分析了原子力顯微鏡和橢圓偏振光譜儀這兩種測(cè)量手段在表征薄膜表面粗糙度時(shí)的異同，并得出結(jié)論:采用橢圓偏振光譜儀也是表征薄膜表面粗糙度的有效的、可靠的手段。由于實(shí)時(shí)在線橢圓偏振光譜儀相對(duì)于離線裝置更加昂貴，對(duì)比了在線和離線測(cè)量薄膜時(shí)的異同，發(fā)現(xiàn)在薄膜厚度較大時(shí)，兩種測(cè)量得到薄膜的厚度幾乎沒有差異;而當(dāng)薄膜厚度較小時(shí)，在線得到的薄膜總厚度比在離線得到的要小，而在線測(cè)量的薄膜表面粗糙度比離線

5、的大。也就是說在線測(cè)量手段在表征較薄的薄膜時(shí)更加準(zhǔn)確。采用實(shí)時(shí)在線橢圓偏振光譜儀對(duì)薄膜的生長(zhǎng)過程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并根據(jù)薄膜表面粗糙度的演化過程，監(jiān)測(cè)到薄膜從非晶相向非晶微晶混合相的轉(zhuǎn)變，以及進(jìn)一步向微晶硅單相轉(zhuǎn)變的生長(zhǎng)過程。
　　2.分析輝光功率和硼摻雜濃度對(duì)P型微晶硅薄膜性能的影響。隨輝光功率的增加，薄膜的晶化率呈現(xiàn)先增加再減小的趨勢(shì)，并且薄膜沉積時(shí)光發(fā)射譜中的SiH*、Hβ和Hα的強(qiáng)度呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。當(dāng)硼摻雜比例增加時(shí)，因?yàn)榕鹨种?/p>

6、了薄膜的晶化，薄膜的晶化率下降;由于硼的催化作用，使得薄膜的沉積速率隨硼摻雜濃度的增加而增加。當(dāng)硼摻雜濃度增加時(shí)，由于硼的催化作用和陰影效應(yīng)使薄膜的生長(zhǎng)指數(shù)增加，并且粗糙度因子發(fā)生下降。
　　3.提高本征層微晶硅薄膜的沉積速率。采用高壓、高功率和高硅烷濃度的方法可以提高薄膜的沉積速率。為了減小薄膜在高速生長(zhǎng)初期形成的非晶孵化層，采用兩步法制備微晶硅薄膜。首先采用低壓低功率法沉積一薄的籽晶層，然后再高速沉積微晶硅薄膜。在兩步法高速沉

7、積的微晶硅薄膜中，薄膜的晶化率隨薄膜厚度的增加而增加，使得薄膜在縱向存在嚴(yán)重的不均勻性。為改善這一狀況，在籽晶層沉積結(jié)束后，保持輝光不斷，使反應(yīng)氣壓、輝光功率和硅烷濃度這三個(gè)參數(shù)同時(shí)線性緩慢增加，這樣制備的薄膜縱向均勻性得到了改善。采用這種籽晶層法和三參數(shù)同時(shí)線性增加的方法，制備了縱向均勻性較好沉積速率高達(dá)3.4nm/s的高質(zhì)量微晶硅薄膜。
　　4.制備單結(jié)微晶硅薄膜太陽(yáng)能電池，并且改善沉積工藝提高電池性能。電池的結(jié)構(gòu)為玻璃/絨面

8、ZnO/p型微晶硅/i型微晶硅/n型微晶硅/Al電極。首先對(duì)電池的制備工藝進(jìn)行了探索，得到了光電轉(zhuǎn)換效率為4.2％的單結(jié)微晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。然后通過模擬計(jì)算本征層質(zhì)量對(duì)電池性能的影響，為實(shí)驗(yàn)進(jìn)行提供指導(dǎo)。在實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)整本征層厚度、制備緩沖層、對(duì)Al背電極退火以及優(yōu)化本征層沉積參數(shù)等，最終在沉積速率為1nm/s時(shí)制備了光電轉(zhuǎn)換效率為7.8％的電池。
　　本文是國(guó)家“973”項(xiàng)目“大面積低價(jià)長(zhǎng)壽命太陽(yáng)電池關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題的基礎(chǔ)研