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《南京大学》 2010年
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微晶硅薄膜高速沉积、界面控制及太阳电池应用

左则文  
【摘要】:微晶硅薄膜与非晶硅薄膜相比,有希望在太阳电池应用中提供更好稳定性和转化效率。微晶硅薄膜的间接带隙特性使得它的吸收系数比较低,对于太阳电池的应用希望尽可能充分地吸收利用太阳光,这就需要足够厚的本征吸收层(一般要求在1-3μm)。微晶硅薄膜在高度氢稀释条件下生长,因此其沉积速率通常非常低。为了使微晶硅电池能在太阳电池中得到应用,要求在保证质量的前提下尽可能地提高沉积速率。 微晶硅是在低温下(400℃)沉积在异质衬底上的。在此条件下,微晶硅需要经历一个孵化过程去完成成核,从而导致薄膜与衬底的界面留下一个非晶的过渡区,即孵化层。微晶硅的这种生长特征,尤其是非晶孵化层的存在使得微晶硅与下层(衬底或其它薄膜)之间的界面变得复杂,而功能层与衬底或者下层的界面由于涉及到载流子的输运及复合等过程,对器件性能有着非常重要的影响。因此,对孵化层及薄膜/衬底界面结构的控制对于微晶硅器件应用有着重要意义。 本工作致力于微晶硅薄膜的高速沉积、微晶硅界面结构的控制以及在异质结和纳米线太阳电池中的应用。 我们发展了一种新型的技术——喷射型电感耦合等离子体化学气相沉积(jet-ICPCVD)制备微晶硅薄膜,在低衬底温度下获得了超过20 nm/s的生长速率。jet-ICPCVD系统具有的高密度离子体及生长前驱体迅速的对流输运过程,使得可以获得较高的沉积速率。jet-ICPCVD过程有利于产生大量H原子,可以对无序结构进行化学退火,并对悬挂键进行有效的钝化,在低温条件下获得高晶化率的微晶硅薄膜。进一步,低温jet-ICPCVD过程有利于抑制氧杂质的掺杂与激活,获得了较低的本征暗电导率和高的光敏性。对微晶硅薄膜进行P型掺杂,得到了微晶硅薄层(20 nm)内较高的电导率(1.24 S/cm)。 我们研究了对微晶硅薄膜/衬底界面结构的控制以消除非晶孵化层。首先在jet-ICPCVD低温高速的条件下实现了在玻璃衬底上沉积无非晶孵化层、沿生长方向结构均一的微晶硅薄膜。研究表明,jet-ICPCVD系统中高密度等离子体、空间电荷势的产生以及较高的气压有利于产生大量具有适当能量的H原子,有效地扩散到孵化层并对该层进行H化学退火,使得存在于沉积初始阶段的非晶孵化层在后续生长过程中逐渐地晶化。其次,对PECVD过程的研究发现,沉积在H处理的非晶硅缓冲层上的微晶硅的成核与非晶硅的厚度密切相关。在一个H处理的超薄非晶硅层上,由于微晶硅的迅速成核,我们得到了一个非常薄的(-20nm)高电导的(1 S/cm)磷掺杂微晶硅薄膜。分析表明,H2等离子体处理导致超薄非晶硅层中压应力的增加,产生大量的应变Si-Si键和SiH。复合体,进而促进了微晶硅的迅速成核。并将此应用于带有非晶钝化层的异质结太阳电池中。通过对非晶钝化层的等离子体处理改变微晶硅发射结的结构,研究了微晶硅结构对电池性能的影响。结果表明通过H处理实现的微晶硅发射结可以增加电池的短路电流,进而增加转换效率。我们还尝试性地制备了ZnO:Al/(n)μc-Si:H/(p)c-Si结构同轴纳米线阵列,希望应用于硅纳米线太阳电池中。 本工作在微晶硅薄膜的低温高速沉积、孵化层与薄膜/衬底界面结构控制等方面取得了一些创新性研究结果,并在微晶硅薄膜光电性能和太阳电池应用方向上得到了初步结果。这些工作对于提高微晶硅薄膜电池性能等方面具有一定的意义。
【学位授予单位】:南京大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:O484.1;TM914.4

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【共引文献】
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