《《第七章 硅薄膜材料》》.ppt

第七章 硅薄膜材料 提 纲 7.1 非晶硅薄膜材料 非晶硅薄膜的特征及基本性质 非晶硅薄膜的制备 非晶硅薄膜的缺陷及钝化 7.2 多晶硅薄膜材料 多晶硅薄膜的特征和基本性质 多晶硅薄膜的制备 多晶硅薄膜的晶界和缺陷 * * 之特征及基本性质 ①材料和制造工艺成本低 首先非晶硅薄膜太阳电池采用廉价的衬底材料上，如玻璃、不锈钢、塑料等；其次，其薄膜仅有数百纳米厚度；最后，非晶硅的规模生产的能耗小。以上三点均可以大幅度降低成本。 ②易于形成大规模生产能力 ③多品种和多用途 ④易实现柔性电池 非晶硅可以制备成轻型、柔性太阳电池，易于和建筑集成。 非晶硅薄膜太阳能电池的优点 柔性太阳能电池 非晶硅薄膜太阳能电池的不足 在实际生产线上其效率不超过10% 及稳定性较差 之特征及基本性质 薄膜非晶硅的基本特征和性质 1）非晶硅的原子在数纳米甚至更小的范围内呈有限的短程周期性的重复排列，但从长程结构来看，原子排列是无序的。 2）共价键显示连续的无规则的网络结构。 3）其物理性质具有各向同性 。 4）非晶硅中室温下其电阻率很高。 5）非晶硅的禁带宽度为1.5eV，且在一定程度上可调。 6）非晶硅的密度、电导率、禁带等性质可以连续变化和调整 。 7）在合适的热处理条件下，非晶硅可以转化为多晶硅、微晶硅和纳米硅 。 非晶 晶体 多晶 问题 之制备 非晶硅薄膜制备的关键问题及解决方法 单体的非晶硅本身并不具有任何重要的光伏性质。如果没有周期性的束缚力，则硅原子很难与其他四个原子键合。这使材料结构中由于不饱和或“悬挂”键而出现微孔。再加上由于原子的非周期性排列，增加了禁带中的允许态密度，结果就不能有效地掺杂半导体或得到适宜的载流子寿命。 解决方法 辉光放电分解硅烷(SiH4) 基本原理：SiH4分解产生的H2填补了膜内部微孔中的悬挂键及其他结构缺陷 之制备 辉光放电的基本原理 在真空系统中通入稀薄气体，两电极之间将形成放电电流从而产生辉光放电现象。 辉光放电系统的I-V特性曲线 能实现辉光放电的两个区域 之制备 辉光放电的基本原理 辉光放电系统的辉光区示意图 起作用区 特点：电子和正离子基本满足电中性条件，处于等离子状态 电子被加速方向 在辉光放电过程中，等离子体的温度、电子的温度和电子的浓度是关键因素。一般而言，辉光放电是低温过程，等离子体的温度在100～500℃，而电子的能量在1～10eV左右，电子的浓度达到109～1012/cm3，电子的温度达到104～105K。 之制备 等离子增强化学气相沉积制备非晶硅 等离子增强化学气相沉积系统的结构示意圈 正极 负极 SiH4 → Si + 2H2 反应方程式 非晶硅的性能对制备的条件十分敏感，不同的设备都需要独特的优化工艺，才能制备出高质量的非晶硅。一般而言，衬度温度在200～300℃，功率在300～500 W/m2时，比较适宜制备非晶硅。 之缺陷与钝化 非晶硅薄膜的主要缺陷种类 图中表明悬挂键是怎样产生以及怎样被氢钝化 1）悬挂键 使非晶硅的电学性能不易控制 2）Si-Si弱键 氢的作用 1）氢能够很好地和悬挂键结合，呈饱和悬挂键，降低其缺陷密度，去除其电学影响，达到了钝化非晶硅结构缺陷的目。 2）氢的加入可以改变非晶硅缺陷态的密度及非晶硅的带隙宽度。 3）过量的氢在非晶硅中能够产生光致衰减的缺陷（副作用） Staebler-Wronski效应（S-W效应） 之特征及基本性质 多晶硅薄膜太阳能电池的特点 1）低成本 2）使用性能稳定 3）效率较高 实验室效率已达18%（日本三菱电机） 4）无毒（毒性小）和材料资源丰富的优势 有望成为续单晶硅太阳能电池之后的下一代太阳电池 多晶硅薄膜的研究重点 其一，是如何在廉价的衬底上能够高速、高质量地生长多晶硅薄膜； 其二，是制备电池的工艺和方法，以便选用低价优质的衬底材料。比较合适的衬底材料为一些硅或铝的化合物，如SiC，Si3N4，SiO2，Si，Al2O3，SiAlON，Al等。 之特征及基本性质 多晶硅 多晶硅薄膜的优缺点 多晶硅（polycrystalline silicon，poly-Si）薄膜是指在玻璃、陶瓷、廉价硅等低成本衬底上，通过化学气相沉积等技术，制备成一定厚度的晶体硅薄膜，它是由众多大小不一和晶向不同的细小硅晶粒组成，直径一般在几百纳米到几十微米。 1）对可见光又具有很高的吸收系数； 2）具有晶体硅一样的光稳定性； 3）具有低成本、大面积和制备简单的优势； 4）晶界引入的结构缺陷会导致电学性能的大幅度降低； 5) 晶粒体内含有大量的位错等微缺陷，严重影响多晶硅薄膜性能。 缺点 优点 柱状多晶硅薄膜的SEM形貌照片 之制备 1）化学气