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高速沉积大面积均匀氢化非晶硅薄膜及其优异的光电特性的研究

专 业: 材料物理与化学
关键词: 氢化非晶硅薄膜 光电特性 太阳能电池 MWECR CVD技术 化学气相沉积
分类号: TM914.42  TM286
形 态: 共 105 页 约 68,775 个字 约 3.29 M内容
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内容摘要


本文以高速制备兼具优异光电特性和高稳定性的氢化非晶硅薄膜为主要研究内容,从设备改进和性能分析、薄膜制备工艺两方面展开自己的研究工作。

由于单磁场线圈微波电子回旋共振化学气相沉积MWECRCVD系统设备相对简单,对微波吸收效率不高。

为了提高系统的性能,我们对其微波窗口、耦合波导、磁场分布等都进行了精心的设计。

实验中,选择多层不同介电常数的绝缘板组成微波输入窗,来达到阻抗匹配和抑制功率反射,增加微波吸收功率和提高等离子密度的目的,采用Al2O3陶瓷和BN组成的微波输入窗。

这种设计,一方面能很好地保护微波系统,另一方面又能使微波高效地馈入,效率高:

同时采用三角形均铜片的耦合矩形波导的设计,使微波转换功率达92%;磁场分布的设计上,通过改变磁场线圈电流来实现,当磁场线圈电流减小时,ECR区位置朝微波窗口方向移动,将更有利于提高微波的吸收。

采用磁场电流为115.2A产生的磁场分布,可以使微波的功率吸收在1分钟内达到92.3%,18分钟内达到94.6%。

在沉积室的磁场分布的改变,还可以通过在衬低下面放置永磁体的方法来获得,采用这种方法,在沉积室内可以得到由原先的发散的磁场分布改变为一种先发散再收敛的磁场分布。

这些研究工作对同类沉积系统提供了有益的技术参考。

由于磁场梯度对制备氢化非晶硅薄膜有直接的影响,而磁场分布的定量研究至今还未见有文献报道。

本文用Lorentzian拟合方法定量地得到了三种形貌磁场的磁场梯度值。

通过研究发现:

在衬底附近,磁场线圈电流137.7A并在加热台下面放置钐钴永磁体的磁场分布的磁场梯度最大,其次为磁场线圈电流137.7A磁场分布,磁场梯度最小的为磁场线圈电流115.2A磁场分布的情况;同时,磁场梯度对薄膜沉积速率有很大的影响,磁场梯度大,沉积速率大,在磁场线圈电流为137.7A并加放永磁体的方法产生的磁场分布下,得到最高沉积速率约为17埃每秒;磁场梯度对薄膜的均匀性有一定的影响,在磁场梯度大的条件下沉积的样品其均匀性要差;同时,磁场梯度对a-Si:

H薄膜的光电特性影响较大,在温度不太高时,磁场梯度大,制备的a-Si:

H薄膜光敏性较好。

这种用Lorentzian拟合定量地得到形貌磁场的磁场梯度值的方法,对所有的同类个体系统都适用。

用Maley和Langford等人发展的红外透射谱分析技术计算H含量,能较好地消除误差。

但是在计算单磁场线圈MWECRCVD系统沉积的氢化非晶硅薄膜时,还发现有较大的偏差。

为此,本文对这一技术在计算氢含量时产生的误差进行了研究,结果表明,在结构因子F值较小的情况下,薄膜折射率接近3.4或薄膜厚度值d=0.71~0.89μm时,计算得到的氢含量是可靠的。

为了计算得到可靠的氢含量值,实验时,应将样品厚度沉积为0.710~0.89μm之间,这一工作为用红外透射谱准确地得到氢含提供了方法和理论上的指导。

另外,本文首次提出用红外透射谱分析技术分析薄膜结构均匀性。

在大面积内达到薄膜的均匀性研究方面,我们通过改进矩形耦合波导和热丝辅助及减小磁场线圈电流的方法,用HW-MWECRCVD系统,在直径为6cm的衬底上,沉积得到了厚度均匀性<3.5%的a-Si:

H薄膜。

认为对于单磁场线圈MWECRCVD系统,ECR区的不均匀性和沉积室的磁场梯度的不均匀,是影响薄膜均匀性的主要原因,在研究方法上,通过紫外-可见透射谱技术计算薄膜各个位置的拟合厚度值来研究薄膜的厚度不均匀性,用紫外-可见透射谱和红外吸收谱峰宽度等技术来研究薄膜的结构不均匀性,这种研究薄膜结构均匀性的方法,未见有文献报道。

为了得到具有较高的光电导稳定性和优异的光电特性,进行了两相结构薄膜的制备的研究工作。

首先,用MWECRCVD系统制备了微晶硅薄膜,表明,在较高的微波功率例如500W的条件下,低沉积压例如0.7Pa以下和高的衬底温度170℃以上是制备得到微晶硅薄膜的重要因素。

同时,用Raman谱分析了薄膜中晶相体积比,发现当薄膜中晶相体积比增加时,其光敏性将下降,μτ乘积值迅速增大,当体积晶相比为30%左右时,样品兼具很好的光电导稳定性和优良的光电特性,其光敏性约为104,μτ乘积值约为10-5。

其次,在HW-MWECRCVD系统下,用氢等离子体处理间隙生长堆积层表面LBL技术制备了一系列不同薄膜厚度的μc-Si:

H薄膜。

发现,当薄膜厚度在0.55μm以下时,样品具有较为典型的非晶硅特征,光电导衰退率很大;当薄膜厚度为0.60μm-0.70μm之间时,样品兼备非晶和微晶的特点,在这一厚度值范围内,光电导随薄膜厚度变化非常敏感,光电导衰退率较小,例如厚度为0.70μm的样品,其光电衰退率约为11%;当薄膜厚度为0.80μm以上时,薄膜表现为明显的微晶硅性质,光电导衰退率非常小,其光电衰退率约为8%,通过模拟光照53.5小时,其光电导几乎不再发生变化。

这种LBL技术能实现控制沉积微晶硅薄膜的厚度,制备出适合制备太阳电池的微晶薄膜,具有重要的实用价值;另外,提出的用高斯拟合得到足够长的模拟光照时间的方法,可以研究光电导在长时间的光照下衰退行为。

第三,用HW-MWECRCVD制备得到了na-Si:

H薄膜。

薄膜制备过程采用二步法,用低氢稀释沉积a-Si:

H层,用高氢稀释沉积nc-Si层。

当用来沉积nc-Si层的硅烷浓度SiH4/SiH4+H2=0.143时,得到最宽光学带隙为1.89eV、最低氢含量9.5%、最高晶相比65.4%及高光敏性1.43×105的na-Si:

H薄膜。

这种特异的薄膜材料有望制备性能优异非晶硅太阳电池。

本文还报道了在原子氢的气氛下用热退火的同时进行光诱导退的方法得到稳定的氢化晶硅薄膜的研究结果。

利用HW-ECRCVD系统实现了光诱导退火实验。

虽然不同退火方法处理的样品的光电导率衰退都能很好地符合扩展指数规律,但用光诱导退火处理的样品与其它方法处理的样品相比,其光电导率衰退有明显的不同。

光电导率的饱和值可以通过用认为足够长的模拟光照时间代入光电导率的拟合方程得到。

这样根据光电导和光照时间在双对数坐标系中的表示,由斜率和截距得到β和τ的值。

实验结果显示,TLAH方法处理的样品,其稳定性、薄膜微结构和光电特性能得到很好的改善;同时其光学带隙明显地减小;PL谱峰显著地向着低能方向移动;费米能级移向带隙中央,其激活能为0.56eV,适宜制备非晶硅太阳电池..……

全文目录


文摘
英文文摘
第1章 绪论
1.1选题背景及意义
1.2同类研究工作国内外研究现状分析
1.2.1氢化非晶硅薄膜制备技术的研究现状
1.2.2微波电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积技术研究现状
1.2.3单磁场线圈MWECR CVD沉积a-Si:H薄膜研究现状及存在的问题
1.2.4氢化非晶硅薄膜光电特性的研究
1.2.5大面积均匀氢化非晶硅薄膜制备的研究
1.3相关测试手段和方法的研究
1.3.1红外分析技术的应用和研究
1.3.2紫外测试技术及应用研究
1.3.3拉曼测试技术及应用研究
1.3.4暗电导激活能测试原理
1.4课题来源及研究内容
1.5本文结构
第2章 单磁场线圈MWECR CVD系统磁场梯度对沉积氢化非晶硅薄膜的影响
2.1引言
2.2单磁场线圈MWECR CVD沉积系统结构
2.3单磁场线圈MWECR CVD沉积系统设计原理
2.3.1微波输入窗的设计
2.3.2组合磁场的设计
2.4磁场梯度对沉积氢化非晶薄膜的影响
2.4.1磁场分布改变
2.4.2氢化非晶薄膜制备及测量
2.5结果
2.5.1磁场分布和磁场梯度
2.5.2氢化非晶薄膜特性
2.6讨论
2.6.1磁场梯度大情况下制备a-Si:H薄膜沉积速率大的原因
2.6.2沉积速率与温度的关系
2.6.3磁场梯度影响制备的a-Si:H薄膜光敏性的原因
2.6.4磁场梯度对沉积速率的均匀性的影响
本章小结
第3章 氢化非晶硅薄膜红外透射谱分析及氢含量
3.1引言
3.2样品制备和测试
3.3氢含量计算
3.3.1红外透射谱的基线拟合
3.3.2红外吸收谱
3.3.3氢含量计算
3.4结果与分析
3.4.1结果
3.4.2分析
3.5组分分析
3.6本章小结
第4章 用HW-MWECR CVD系统沉积大面积均匀氢化非晶硅薄膜的研究
4.1引言
4.2 HW-MWECR CVD系统
4.3氢化非晶硅的紫外-可见光透射谱
4.4氢化非晶硅薄膜的制备及测试
4.5结果与分析
4.5.1厚度不均匀性
4.5.2结构不均匀性
4.6本章小结
第5章 用MWECR CVD系统制备氢化非晶/微晶硅薄膜
5.1引言
5.2样品制备
5.3薄膜的拉曼谱分析
5.3.1拉曼散射的经典解释
5.3.2拉曼散射谱结果
5.4微晶硅薄膜的光电特性
5.4.1微晶硅薄膜的光敏性
5.4.2载流子迁移率与寿命乘积
5.5本章小结
第6章 用LBL技术制备微晶硅薄膜的研究
6.1引言
6.2样品制备和测试
6.3结果与讨论
6.3.1暗电导测试结果
6.3.2拉曼散射谱测试结果
6.3.3红外吸收谱结果
6.3.4光吸收系数与氢含量结果
6.3.5光电导衰退结果
6.4本章小结
第7章 用热丝辅助MWECR CVD方法制备纳米非晶硅薄膜的研究
7.1引言
7.2样品制备
7.3结果与分析
7.3.1拉曼散射谱测试结果
7.3.2光学带隙测试结果
7.3.3红外吸收谱测试结果
7.3.4光电导和暗电导测试结果
7.4本章小结
第8章 氢化非晶硅薄膜在氢气环境下同时进行热退火和光诱导退火的研究
8.1引言
8.2实验
8.2.1样品制备
8.2.2样品退火
8.3结果与讨论
8.3.1光电导衰退扩展指数参数
8.3.2红外吸收谱与氢含量
8.3.3光学带隙
8.3.4光荧光光谱
8.3.5光敏性结果
8.3.6暗电导激活能结果
8.4本章小结
结论
参考文献

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中图分类: > TM914.42 > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术(直接发电) > 光电池
其他分类: > TM286 > 工业技术 > 电工技术 > 电工材料 > 电工陶瓷材料 > 金属陶瓷材料

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