微晶硅鍺薄膜生長研究及其在太陽電池中的初步應(yīng)用.pdf

1、微晶硅鍺薄膜具有吸收系數(shù)高、帶隙可調(diào)等優(yōu)點,是非常有前景的疊層太陽電池的底電池有源層材料。但是,隨著鍺含量的增高,薄膜中的缺陷態(tài)增多、光暗電導(dǎo)比降低,阻礙了其在太陽電池中的實際應(yīng)用。因此,本論文采用VHF-PECVD技術(shù)系統(tǒng)地研究了微晶硅鍺薄膜的生長機(jī)理,分析了材料光電特性隨鍺含量增加而劣化的原因,并通過引入新的生長工藝、優(yōu)化沉積參數(shù)等方法制備了具有較高光電性能的微晶硅鍺薄膜,實現(xiàn)了在太陽電池中的初步應(yīng)用,為器件質(zhì)量級微晶硅鍺材料和電池

2、的制備奠定了實驗基礎(chǔ)。本論文的主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　 首先,采用SiH4+GeH4、SiH4+GeF4和Si2H6+GeF4三種不同的反應(yīng)源氣體系統(tǒng)地研究了微晶硅鍺薄膜的生長機(jī)理。通過對微晶硅鍺薄膜中鍺的融入速率、結(jié)構(gòu)特性及光電特性的研究,分析了不同源氣體微晶硅鍺薄膜的生長機(jī)制,發(fā)現(xiàn):SH4和GeH4生長的微晶硅鍺薄膜有較高的光敏性,但是材料的結(jié)構(gòu)隨鍺增加而趨于非晶化;GeF4可以起到促進(jìn)薄膜晶化的作用,但在生長高鍺含量

3、薄膜時,GeF4的加入會使薄膜中的缺陷態(tài)數(shù)量增多。此外,我們以SiH4和GeH4為源氣體,系統(tǒng)地研究了襯底溫度、輝光功率、沉積氣壓和氣體總流量等沉積參數(shù)對微晶硅鍺薄膜結(jié)構(gòu)和光電特性的影響。我們發(fā)現(xiàn):升高襯底溫度有助于促進(jìn)薄膜中縱向(220)晶向的生長,使薄膜趨于有序生長;隨著饋入功率的增加,薄膜的結(jié)構(gòu)有序度逐漸增加,但當(dāng)功率超過一定值后,正離子對薄膜生長表面的轟擊增強,增加了缺陷態(tài)生成的幾率并引起薄膜的光電特性劣化;隨氣體總流量增加,薄

4、膜的生長速率增加、鍺含量增加,同時薄膜的晶化率逐漸減小;而沉積氣壓的選取不僅要考慮電極間距,而且與總反應(yīng)氣體的濃度、輝光功率的大小密切相關(guān)。通過對沉積參數(shù)的優(yōu)化得到了適于太陽電池制作的微晶硅鍺薄膜有源層材料的基本參數(shù)。
　　 其次,我們引入了新的生長工藝和方法來改善微晶硅鍺薄膜縱向生長的微結(jié)構(gòu),包括:選擇不同絨度的襯底、預(yù)置生長籽晶層和混合鍺源(GeH4和GeF4)生長的方法。我們發(fā)現(xiàn):在彈坑狀絨面襯底上生長微晶硅鍺薄膜能促進(jìn)薄

5、膜初期的晶化生長,獲得表面致密的薄膜:預(yù)置生長籽晶層可以在一定程度上改善微晶硅鍺薄膜的縱向生長不均勻性,且不同晶化率的籽晶層對不同鍺含量薄膜縱向均勻性調(diào)節(jié)的尺度不同;混合鍺源的方法中,少量GeF4可以起到刻蝕薄膜生長表面弱鍵的效果,生長的微晶硅鍺薄膜既有較好的縱向微結(jié)構(gòu)一致性,又具有較高的光敏性。
　　 再次,我們采用氦氫氣體混合稀釋的方法生長微晶硅鍺薄膜。在等離子體中,氮被電離或被激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài),通過潘寧電離效應(yīng)和激發(fā)轉(zhuǎn)移的機(jī)制

6、可以使反應(yīng)空間中產(chǎn)生大量的原子氫。當(dāng)氫氣流量恒定,逐漸增加氦在稀釋氣體中比例時,使薄膜生長的過程中基團(tuán)在生長表面的擴(kuò)散長度增大,薄膜生長趨于有序。這種方法避免了單純增加氫氣時,薄膜的光敏性大幅度劣化的問題。對應(yīng)一定濃度的反應(yīng)氣體,通過優(yōu)化氦氫氣體混合比,獲得了具有較好的縱向生長均勻性和光電特性的微晶硅鍺薄膜。
　　 最后,選取有較好特性的微晶硅鍺薄膜初步應(yīng)用于太陽電池中。當(dāng)有源層的厚度約為7500A時,20％Ge含量的微晶硅鍺薄