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纳米非晶硅薄膜光电性能与微观结构研究

盛大德  
【摘要】: 本论文以热丝化学气相沉积(HWCVD)法制备含有纳米颗粒的非晶硅薄膜为实验样品,以分析研究硅薄膜微观结构与宏观光电性能之间的联系为目标,对硅薄膜的光电性能进行了表征,并从微观结构角度对宏观性能进行了分析研究。利用表面光电压(SPS)测试仪、四探针方块电阻测试仪、多功能物理参数测试仪(PPMS)、紫外-可见光反射光谱测试仪等分析了硅薄膜的光电压谱、光电流谱以及方块电阻、载流子浓度和紫外-可见光反射光谱等并与两年前的测试结果进行比较,分析了研究硅薄膜光电性能和稳定性;采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、Raman散射光谱测试仪等分析方法研究了硅薄膜的表面形貌、截面形貌、截面高分辨像以及Raman散射谱,并理论计算了样品的晶态体积比,晶粒尺寸以及光电转换效率。 研究结果表明,硅薄膜的光电性能相对于单晶硅衬底具有较大幅度的提高,并具有较好的稳定性。镀膜后样品的表面形貌得到了改善,有利于降低样品对光的反射率。高分辨透射电子显微镜(HRTEM)分析表明硅薄膜微观结构为含有纳米颗粒的非晶硅,其颗粒尺寸为数纳米;硅薄膜由表面到衬底方向晶相颗粒逐渐增多,颗粒尺寸逐渐增大,呈现连续的变化趋势。硅薄膜晶态体积比约为15.4%,晶粒尺寸约为11nm。通过I-V曲线和光电流谱对比实验得出,镀膜后的样品在300nm-800nm范围内样品的光电转换效率约为17.9%,比单晶硅衬底原片的提高8.2%。硅薄膜中纳米颗粒的存在由于量子效应等提高了样品的载流子浓度,载流子浓度的提高是材料表现出各种优异的宏观光电性能的原因。结合制备工艺的分析推断,适当降低本样品沉积速率可以有效改善薄膜的微观结构,提高宏观光电性能。


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