硅基薄膜的制备及其在锂离子电池中的应用

【摘要】：硅由于具有在地壳中储量丰富,无毒等优点,成为目前能量开发、利用和存储领域研究的热点材料。在对以薄膜叠层电池和纳米结构电池为代表的第三代高效太阳电池的研究与开发中,微晶硅薄膜由于具有良好的光学稳定性、较高的电子迁移率、较窄的光学带隙被认为是理想的叠层电池的中间层或底层材料。具有宽的光谱吸收特性和天然的载流子输运通道的硅纳米线,可作为太阳电池的发射体和减反射层。在以降低成本、提高电池效率为目标的太阳电池的发展过程中,微晶硅薄膜和硅纳米线的制备与性质的研究成为其中的重要环节。同时,作为储锂材料,硅具有10倍于碳的理论容量,作为锂离子电池负极材料有望将手机电池等小型电子产品的待机时间延长为目前的10倍,因此,硅也被认为是最有前途的锂离子电池负极材料。 本论文中,我们采用电感耦合等离子体化学气相沉积(ICP-CVD)方法在低温下制备了微晶硅薄膜及单晶核/非晶壳硅纳米线,较为系统地对它们的生长机理、结构形态和光电特性进行了分析,并分别以电子辐照的硅薄膜和甚高频等离子体增强化学气相沉积(VHF-PECVD)方法制备的硅薄膜作为锂离子电池的负极组装了锂离子电池,对电池性能做了初步分析。论文所得到的主要研究结果总结如下： 1、在玻璃、塑料等廉价衬底上制备了微晶硅薄膜,研究了ICP-CVD系统沉积硅薄膜的低温晶化过程以及制备条件对薄膜结构和光电性质的影响。发现ICP-CVD沉积薄膜的过程中会产生大量的H原子,H原子对薄膜的结构和光学性质有重要的影响。所制备的薄膜光学带隙在1.55-2.1eV之间连续可调,并具有较高的电导率,有望作为薄膜叠层电池的中间层或底层材料。 2、分别采用CVD和ICP-CVD制备了硅纳米线。ICP-CVD方法成功地降低了硅纳米线的生长温度,并提高了产率。等离子体的辅助使纳米线呈单晶核/非晶壳结构,且其顶端明显呈现锥形。据此,我们给出了ICP-CVD制备单晶核/非晶壳硅纳米线的生长机制。由于光陷阱和缓变的有效折射率,硅纳米线阵列比非晶硅薄膜表现出了更强的减反射作用。 3、采用电子束辐照技术对ICP-CVD方法制备的硅薄膜进行了结构改性,用改性后的硅薄膜作为锂离子电池的负极材料有效地缓解了材料在脱嵌锂过程中的体积膨胀问题。在经历30个循环后,硅薄膜负极材料的放电比容量仍然保持在1819 mAh g-,是未辐照的硅薄膜负极材料的2.5倍。同时发现,用VHF-PECVD法制备的硅薄膜结构疏松,存在着大量的孔洞等,这种结构有利于提高锂离子电池的大电流充放电性能。