氫化微晶硅鍺薄膜的微結(jié)構(gòu)及光電特性的研究與優(yōu)化.pdf

1、硅基薄膜太陽(yáng)電池由于低成本等潛在優(yōu)勢(shì)，日益引起人們的重視并得到了迅速的發(fā)展。疊層太陽(yáng)電池可有效提高硅基薄膜電池的轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性，成為目前硅薄膜研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。氫化微晶硅鍺薄膜(μc-Si1-xGex∶H)由于具有窄帶隙、帶隙可調(diào)、高吸收系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，是疊層電池中底電池有源層材料的理想選擇之一，有著廣闊的應(yīng)用前景。
　　但μc-Si1-xGex∶H薄膜中存在復(fù)雜的混合相結(jié)構(gòu)（非晶相、晶相、晶界和空洞）及各種合金組態(tài)的化學(xué)鍵(Si

2、-Si、Si-Ge、Ge-Ge和(Si(Ge)-Hn）n等），為薄膜結(jié)構(gòu)的分析和性能的優(yōu)化帶來(lái)一定的困難。為了獲得不同Ge含量下μc-Si1-xGex∶H薄膜的微結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)與光電性能的關(guān)系，本論文采用RF-PECVD技術(shù)，從薄膜微結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，對(duì)μc-Si1-xGex∶H薄膜的電學(xué)特性和光吸收性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　首先，我們從Ge含量(0～100％)和晶化率(Si-Ge，Si-Ge，Ge-Ge)這兩個(gè)

3、結(jié)構(gòu)參數(shù)出發(fā)，系統(tǒng)地研究了不同Ge含量下，μc-Si1-xGex∶H薄膜的微結(jié)構(gòu)及其對(duì)薄膜電學(xué)性質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn):
　　1) Ge含量小于60％時(shí)，與Ge相關(guān)的成鍵（Si-Ge和Ge-Ge）較易處于非晶網(wǎng)格中，薄膜的晶化率取決于Si-Si鍵的有序程度（XSi-Si）和Ge含量。通過(guò)對(duì)不同條件下制備的微晶硅鍺薄膜的測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)，Ge含量以及薄膜的晶化率的變化對(duì)薄膜的微結(jié)構(gòu)及電學(xué)性能的影響主要存在以下幾種規(guī)律:(i)，Ge含量的增加

4、引起XSi-Si減小，薄膜的整體晶化率減小。此時(shí)，雖然薄膜中的Ge懸掛鍵增加，但致密性變好。暗電導(dǎo)率單調(diào)減小，光電導(dǎo)率先減小后增大，薄膜的光敏性存在一個(gè)極大值;(ii)，Ge含量不變，隨晶化率的提高，薄膜的H含量減小，結(jié)構(gòu)因子R增加，晶粒增大，暗電導(dǎo)率增加，光電導(dǎo)率先增加后減小，當(dāng)XSi-Si處于45～60％時(shí)，薄膜的光敏性達(dá)到了最大值;(iii)，XSi-Si固定時(shí)，隨Ge含量的增加，光電導(dǎo)率下降，暗電導(dǎo)率增加，薄膜光敏性下降。此時(shí)，

5、繼續(xù)增加Ge含量（大于70％）時(shí)，光、暗電導(dǎo)率明顯增大，薄膜喪失光敏性;(iv)，通過(guò)調(diào)節(jié)工藝條件（如減小電極間距），使Ge含量和XSi-Si同時(shí)增加。隨著Ge含量和XSi-Si的增加，薄膜H含量減小，結(jié)構(gòu)較致密，光敏性存在最大值。
　　2) Ge含量大于60％時(shí)，通過(guò)提高氫稀釋率或減小氣體總流量等方法，可增加Si-Ge和Ge-Ge在有序結(jié)構(gòu)中的含量，薄膜的晶化率增加。此時(shí)，薄膜晶粒尺寸較大，H含量較小，空洞數(shù)量和懸掛鍵含量增加。

6、隨著Ge含量的增加，薄膜的光電導(dǎo)率下降，暗電導(dǎo)率增加，光敏性大幅下降。
　　其次，系統(tǒng)研究了制備參數(shù)對(duì)μc-Si1-xGex∶H薄膜光吸收特性的影響，并結(jié)合高壓高功率技術(shù)，使薄膜同時(shí)獲得高吸收系數(shù)和較好的電學(xué)性質(zhì)。確定了低Ge含量下(≤25％)，器件質(zhì)量級(jí)μc-Si1-xGex∶H薄膜的結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)參數(shù)。我們發(fā)現(xiàn):減小電極間距、增加襯底溫度或提高氫稀釋均可使微晶硅鍺薄膜的光吸收系數(shù)單調(diào)增加;而在氣體總流量、輝光功率和沉積氣壓系列中，

7、隨著Ge含量的增加，光吸收系數(shù)都是先增加后減小。在基本實(shí)驗(yàn)參數(shù)得到優(yōu)化的基礎(chǔ)上，引入高壓高功率技術(shù)，Ge懸掛鍵的減少改善了薄膜的電學(xué)性能;同時(shí)，薄膜總的有序度增加，空洞減少，結(jié)構(gòu)更致密，這些促使了光吸收系數(shù)的增加。Ge含量小于25％的器件質(zhì)量級(jí)μc-Si1-xGex∶H薄膜及Ge含量處在25～45％區(qū)間的光電性能較好的μc-Si1-xGex∶H薄膜的典型特征如下:1）Ge含量小于25％的薄膜:材料的暗電導(dǎo)率在10-8～10-7S·cm-

8、1;光敏性在1000～1500;1000nm處的光吸收系數(shù)大于103cm-1; Si-Si晶化率為45～60％;H濃度在6～8％; XRD測(cè)試結(jié)果給出(220)擇優(yōu)取向;晶粒大小在15～20nm之間;結(jié)構(gòu)因子R小于0.3; Ge-H優(yōu)先因子大于0.5;2）25～45％Ge含量的薄膜:材料的暗電導(dǎo)在10-8～10-6 S·cm-1;光敏性在500～700;1000nm處的光吸收系數(shù)大于5×103cm-1; Si-Si晶化率40～55％;H

9、濃度在5～7％; XRD測(cè)試結(jié)果給出(220)擇優(yōu)取向;晶粒大小在15～25nm之間;結(jié)構(gòu)因子R小于0.45;Ge-H優(yōu)先因子大于0.2。
　　最后，為了充分發(fā)揮高Ge含量μc-Si1-xGex∶H薄膜在拓展光譜響應(yīng)和提高長(zhǎng)波光吸收系數(shù)方面的優(yōu)勢(shì)，我們采用H2和He為稀釋氣體，進(jìn)一步優(yōu)化了高鍺含量(～40％)的μc-Si1-xGex∶H薄膜的微結(jié)構(gòu)，改善其電學(xué)性質(zhì)，使其具有較好的光電性能。He在等離子體中，發(fā)生“潘寧電離效應(yīng)”，為