微晶硅鍺薄膜生長(zhǎng)研究及其在太陽(yáng)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(diǎn),是非常有前景的疊層太陽(yáng)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(yáng)電池中的實(shí)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(zhǎng)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(guò)引入新的生長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)了在太陽(yáng)電池中的初步應(yīng)用,為器件質(zhì)量級(jí)微晶硅鍺材料和電池

2、的制備奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。本論文的主要研究?jī)?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(zhǎng)機(jī)理。通過(guò)對(duì)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(zhǎng)機(jī)制,發(fā)現(xiàn):SH4和GeH4生長(zhǎng)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(zhǎng)高鍺含量

3、薄膜時(shí),GeF4的加入會(huì)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(duì)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(zhǎng),使薄膜趨于有序生長(zhǎng);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(guò)一定值后,正離子對(duì)薄膜生長(zhǎng)表面的轟擊增強(qiáng),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(zhǎng)速率增加、鍺含量增加,同時(shí)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(guò)對(duì)沉積參數(shù)的優(yōu)化得到了適于太陽(yáng)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(zhǎng)工藝和方法來(lái)改善微晶硅鍺薄膜縱向生長(zhǎng)的微結(jié)構(gòu),包括:選擇不同絨度的襯底、預(yù)置生長(zhǎng)籽晶層和混合鍺源(GeH4和GeF4)生長(zhǎng)的方法。我們發(fā)現(xiàn):在彈坑狀絨面襯底上生長(zhǎng)微晶硅鍺薄膜能促進(jìn)薄

5、膜初期的晶化生長(zhǎng),獲得表面致密的薄膜:預(yù)置生長(zhǎng)籽晶層可以在一定程度上改善微晶硅鍺薄膜的縱向生長(zhǎng)不均勻性,且不同晶化率的籽晶層對(duì)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(zhǎng)表面弱鍵的效果,生長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(shí),使薄膜生長(zhǎng)的過(guò)程中基團(tuán)在生長(zhǎng)表面的擴(kuò)散長(zhǎng)度增大,薄膜生長(zhǎng)趨于有序。這種方法避免了單純?cè)黾託錃鈺r(shí),薄膜的光敏性大幅度劣化的問(wèn)題。對(duì)應(yīng)一定濃度的反應(yīng)氣體,通過(guò)優(yōu)化氦氫氣體混合比,獲得了具有較好的縱向生長(zhǎng)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(yáng)電池中。當(dāng)有源層的厚度約為7500A時(shí),20％Ge含量的微晶硅鍺薄