微晶硅薄膜材料生長及電池制備的研究.pdf

1、隨著經濟的發(fā)展，能源危機日益加重，無污染的光伏發(fā)電受到了大家的廣泛關注。微晶硅薄膜太陽能電池既有高效率和穩(wěn)定性好的優(yōu)點，又有節(jié)省原材料、可大面積連續(xù)生產的特點，它一直是人們比較關注的薄膜太陽能電池。對微晶硅薄膜太陽能電池來說，窗口層和本征層的質量對電池性能影響比較大。因此，重視研究薄膜的生長機理，可以為調控薄膜質量和改善電池性能提供指導。由于微晶硅薄膜的生長是個復雜的氣相反應過程，對其生長機理還沒有達成共識，有必要對薄膜的生長機理進行研

2、究。此外，實現微晶硅薄膜太陽能電池產業(yè)化的關鍵是如何縮短生產周期，降低器件成本。提高本征層薄膜的生長速率，就是降低生產成本的重要措施之一。在薄膜高速生長條件下制備的器件，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，使得在高速生長條件下能制備出器件級優(yōu)質微晶硅薄膜，從而制備出高效率電池。根據以上目標本論文對其進行了研究，具體分為以下幾個方面:
　　1.薄膜生長機理的研究。薄膜的生長過程分為氣相反應動

3、力學和表面生長動力學兩部分。對氣相反應動力學采用模擬和實驗相結合的手段進行了研究。模擬輝光功率對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的數密度均呈現出增加的趨勢，電子濃度和電勢也呈現增加的趨勢，而電子溫度的變化很小;混合氣體中的SiHx基團的濃度也隨功率增加呈現增加的趨勢，促進了薄膜生長。通過和實驗對比，兩者的結果是吻合的。另外分析了反應壓強、氣體流量和反應時間對氫等離子體的影響。對表面生長動

4、力學主要采用橢圓偏振光譜儀對薄膜的生長進行了研究。首先分析了原子力顯微鏡和橢圓偏振光譜儀這兩種測量手段在表征薄膜表面粗糙度時的異同，并得出結論: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。由于實時在線橢圓偏振光譜儀相對于離線裝置更加昂貴，對比了在線和離線測量薄膜時的異同，發(fā)現在薄膜厚度較大時，兩種測量得到薄膜的厚度幾乎沒有差異;而當薄膜厚度較小時，在線得到的薄膜總厚度比在離線得到的要小，而在線測量的薄膜表面粗糙度比離線

5、的大。也就是說在線測量手段在表征較薄的薄膜時更加準確。采用實時在線橢圓偏振光譜儀對薄膜的生長過程進行了監(jiān)測，并根據薄膜表面粗糙度的演化過程，監(jiān)測到薄膜從非晶相向非晶微晶混合相的轉變，以及進一步向微晶硅單相轉變的生長過程。
　　2.分析輝光功率和硼摻雜濃度對P型微晶硅薄膜性能的影響。隨輝光功率的增加，薄膜的晶化率呈現先增加再減小的趨勢，并且薄膜沉積時光發(fā)射譜中的SiH*、Hβ和Hα的強度呈現增加的趨勢。當硼摻雜比例增加時，因為硼抑制

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。當硼摻雜濃度增加時，由于硼的催化作用和陰影效應使薄膜的生長指數增加，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重的不均勻性。為改善這一狀況，在籽晶層沉積結束后，保持輝光不斷，使反應氣壓、輝光功率和硅烷濃度這三個參數同時線性緩慢增加，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同時線性增加的方法，制備了縱向均勻性較好沉積速率高達3.4nm/s的高質量微晶硅薄膜。
　　4.制備單結微晶硅薄膜太陽能電池，并且改善沉積工藝提高電池性能。電池的結構為玻璃/絨面

8、ZnO/p型微晶硅/i型微晶硅/n型微晶硅/Al電極。首先對電池的制備工藝進行了探索，得到了光電轉換效率為4.2％的單結微晶硅薄膜太陽能電池。然后通過模擬計算本征層質量對電池性能的影響，為實驗進行提供指導。在實驗中通過調整本征層厚度、制備緩沖層、對Al背電極退火以及優(yōu)化本征層沉積參數等，最終在沉積速率為1nm/s時制備了光電轉換效率為7.8％的電池。
　　本文是國家“973”項目“大面積低價長壽命太陽電池關鍵科學和技術問題的基礎研