多晶硅薄膜材料与电池

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1、XX大学2021 2021学年冬季学期研究生课程考试小论文课程名称：课程编号：10SAZ9007论文题目：多晶硅薄膜材料与光伏电池研究生XX：高*学号: 1*论文评语:成绩：任课教师：黄健评阅日期:多晶硅薄膜材料与光伏电池Poly-SiliconThin Film Materials and Solar Cells高*微电子与固体电子学专业，材料科学与工程学院，XX大学摘要：多晶硅薄膜由许多小晶粒构成的，晶粒与晶粒之间是原子作无序排列的过 渡区，即晶界。光致载流子在被结分开之前，如果碰到晶界，会导致电子和空穴 的复合，从而降低电池效率。为提高多晶硅薄膜太阳电池效率，制备高性能的多 晶硅薄膜是关

2、键1,制备方法包括等离子增强化学气相沉积(PECVD)、常压化学气相 沉积(APCVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)催化化学气相沉积(cat-CVD)、液相外延 技术(LPE)、固相晶化(SPC)、激光晶化法(LIC)、区域熔化再结晶法(ZMR)、金属诱导 晶化(MIC)等方法囚。关键词：多晶硅；薄膜；晶粒；晶界；制备方法Abstract: Poly-silicon thin film is made up of many small crystal particles. The area among crystal particles is transition region made

3、up of the arrangement of disorderly, that is crystal interface. It can lead to rebination of electron and hole ifphoto-induced free carriers e across crystal interface before they were separated by junction. That will reduce the efficiency of cells. To improve the efficiency of poly-silicon thin fil

4、m solar cell, how to make high efficiency poly-silicon thin film is the most important thing. The methods to make poly-silicon thin film include PECVD, APCVD, LPCVD, cat-CVD, LPE, SPC, LIC, ZMR, MIC.Keyword: poly-silicon; thin film; crystal particle; crystal interface; preparation of method引言太阳电池分为以

5、下几种： 硅系列太阳电池，包括单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、多晶硅薄膜太 阳电池和非晶硅薄膜太阳电池等。 多元化合物薄膜太阳电池，主要包括砷化镓等川-V族化合物、硫化镉和铜 铟镓硒薄膜电池3。 聚合物多层修饰型电极太阳电池，主要是以有机聚合物代替无机材料制成 的太阳电池，目前尚处于研发阶段。 纳米晶太阳电池，现在主要包括TiO2纳米晶太阳电池和和纳米晶硅薄膜太 阳电池。 有机太阳电池此外，还有一些新型太阳电池，如量子点太阳电池和3D太阳电池等。硅是间接带隙半导体材料，禁带宽度1.12eV(T=300K)，在太阳光谱峰值500600nm附近，吸收值为104/cm数量级。原理上讲，数十微米厚的硅

6、便可以 吸收大局部太阳辐射能量。而在实际应用中，薄膜宽度至少是厚度的一倍，少数 载流子的扩散长度至少是厚度的一倍，因而要求多晶硅薄膜厚度一般在550um。晶体硅系列太阳电池包括单晶硅电池和多晶硅电池，占据约 75%的市场份额， 薄膜电池占据约 23%的市场份额。微晶硅又称纳米晶硅。晶粒在 10nm 左右的多晶硅材料。其性质不同于大晶 粒多晶硅，又不同于非晶硅问。带隙可达2.4eV（晶体硅为1.12eV），电子和空穴迁 移率均高于非晶硅两个数量级以上。光吸收系数介于晶体硅和非晶硅之间。单晶硅是晶体。多晶硅是由很多细小的小单晶硅组成，小单晶是晶体，组成 多晶硅后不是晶体6。非晶硅是由也硅原子组成的

7、，但不是晶体，微观上是无序的。 微晶硅/纳米晶硅是尺寸很小的单晶硅，晶粒在 10nm 左右的多晶硅材料。多晶硅薄膜由许多小晶粒构成的，晶粒与晶粒之间是原子作无序排列的过渡 区，即晶界。晶界包含很多复合中心（悬挂键或杂质），光致载流子在被结分开之前， 如果碰到晶界，会导致电子和空穴的复合，从而降低电池效率。所以晶界对太阳 电池性能的影响很大7。在一定的生长条件下，晶粒有一种主要的生长取向，称为择优取向。择优取 向对多晶硅薄膜的性能影响很大8。因此,如何加大晶粒粒度从而减少晶界,如何钝 化晶界,如何使晶粒具有择优取向从而避开晶界的影响 ,是制备优质多晶硅薄膜的 主要研究方向。如果晶粒生长得像一根根

8、柱子垂直于衬底，整片多晶硅薄膜就如同很多的小单晶并列而成9，这样的多晶硅薄膜制成的薄膜太阳电池，光致载流子穿过整个电池时可以不碰到晶界，极大地减少光致载流子的复合，提高电池效率。图1:不同尺寸下的多晶硅薄膜多晶硅薄膜太阳电池兼有晶体Si太阳电池技术和薄膜太阳电池及技术的优点10: 硅材料资源丰富而且没有毒性； 高的转化效率的潜力； 性能稳定，不存在效率衰退的问题； 硅材料是迄今被研究的最深入的材料。无论从材料制备还是材料构造及性 能的表征等各方面研究的都非常成熟11； 可以在一定程度上直接分享微电子领域对硅材料的研究成果； 可大幅度节省硅材料的用量，节省量约90% ； 可大面积制备，便于大规模

9、连续化生产，更高的产率； 可实现组件水平上的集成串联连接，无需使用导线，提高了电池的可靠性，同时也减小了组件生产过程中的密集型劳动本钱12； 具有大幅度降低太阳电池制造本钱的潜力等。多晶硅薄膜在长波段具有高光敏性，对可见光能有效吸收，且具有与晶体硅样的光照稳定性，因此被公认为高效、低耗的最理想的光伏器件材料。根本原理为提高poly-Si薄膜太阳电池效率，制备高性能的poly-Si薄膜是关键。多 晶硅的制备方法很多g：第一种是直接制备法，包括等离子增强化学气相沉积(PECVD)、常压化学气相 沉积(APCVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)催化化学气相沉积(cat-CVD)、液相外延 技术(L

10、PE)。第二种是间接制备法14，包含固相晶化(SPC)、激光晶化法(LIC)、区域熔化再 结晶法(ZMR)、金属诱导晶化(MIC)。第一种直接制备法工艺简单、操作方便，但相对较高的沉积温度对异质衬底 要求较高。而“两步工艺法具有本钱低、易于大规模生产、能够在较低的温度下 晶化等特点而被广泛采用，但“两步工艺法同样存在晶粒尺寸较小的问题需要克 制。下面对这两种制备多晶硅薄膜的方法加以介绍购。化学气相沉积技术制备多晶硅薄膜是最常用的技术，主要是利用SiH、SiH Cl、422SiHCl等和H的混合气体，在一定的压力、温度、气体配比等各种条件下分解，2然后再加热300-1200C。，在衬底上沉积多晶

11、硅薄膜I%2.2 eV , (1)4.0 eV , (2)4.2 eV , (3)5.7 eV , (4)4.5 eV . (5)e +SiH SiH +H+e422e +SiH SiH +H+e43e +SiH Si + 2H+e42e + SiH SiH + H + H + e42e + H 2H + e2-SiH* SiH*4H* Si *_bii丄ji1QF 1b HF 10ng18辱离子协中的图 2：化学气相沉积多晶硅原理1. 射频化学气相沉积 PECVD般CVD的沉积温度较高，除少数可在600 C。以下外，多数都必须要在90于 1000 C才能实现，有的甚至要在更高温度下进展Pi。

12、高温工艺可以使沉积在衬底上 的硅原子很好地结晶，并且衬底温度越高多晶硅薄膜的质量越好。但高温工艺对 衬底材料提出了更高的要求18：是衬底材料有较高的玻璃化温度；二是衬底材料 在高温时与硅有较好的晶格匹配；三是衬底材料相对高纯。因此，利用高温工艺 制备多晶硅薄膜，衬底的选择受到限制19。近年来，人们利用CVD技术的根本原理加以改良完善，衍生出其他类型的CVD 技术用于制作多晶硅薄膜20。现在供PECVD使用的电磁波的频率从kHz到GHz都有，艮据所使用的电磁波 频率不同，可分为以下几种21：射频等离子体化学气相沉积RF-PECVD超高频等离子体化学气相沉积VHF-PECVD微波等离子体化学气相沉

13、积mic ro wave-PECVD利用辉光放电等离子体对沉积过程施加影响的技术称为等离子体辅助化学气 相沉积(PECVD)技术。等离子体中含有大量高能量的电子，它们可以提供化学气相沉积过程所需要 的激活能 Ea22。电子与气相分子的碰撞可以促进气体分子的分解、化合、激发和电离过程， 生成活性很高的各种化学基团，因而显著降低CVD薄膜沉积过程的温度范围，使 得原来需要在高温下才能进展的 CVD 过程得以在低温实现。在等离子体中，除了带负电的电子和带正电的离子外，还有处于激发态的原 子、分子和大量的被局部解离的活性基23，活性基的产生大大增强了反响气体的活性，可以在较低的温度下沉积薄膜。2. 固

14、相晶化 SPC固相晶化SPC工艺采用两步法，先通过物理或化学气相沉积法沉积a-Si 薄膜，再进展后续退火使其晶化2绢。一般在SPC工艺中，常规退火温度为600C。 左右，退火时间为 10 100 h。p-Si 薄膜晶粒尺寸与初始 a-Si 薄膜的无序程度以及后续退火工艺密切相关。 发现初始材料越无序，SPC过程中成核速率越低，晶粒尺寸越大。一般退火温度越低，成核速率越低，所能得到的晶粒尺寸越大。3. 激光晶化 LIC激光晶化工艺是利用脉冲激光产生的高能量入射到 a-Si 薄膜外表，使 a-Si 薄膜表层在瞬间到达1000C甚至高于Si熔化温度，实现a-Si向p-Si的转变 26。采用激光辐照，

15、选择适宜的激光功率、波长、激光扫描速度，能够使a-Si薄 膜晶化形成较大晶粒尺寸的 p-Si 薄膜27，同时在晶化过程中保证基片温度较低。4. 快速热退火 RTA快速热退火 (RTA) 制备多晶硅薄膜技术是采用光加热的方式，在短时间内将非晶硅薄膜升至很高的温度28，并进展快速降温来晶化多晶硅薄膜的一种热处理工在RTA晶化制备多晶硅薄膜过程中，退火温度和退火时间是影响非晶硅薄膜 晶化的主要控制因素购。提高退火温度和增加退火时间是增大多晶硅薄膜晶粒尺寸和减少多晶硅薄膜缺陷密度的主要途径之一30。5. 金属诱导晶化MIC金属诱导方法是将a-Si与金属的复合薄膜进展退火处理，在退火过程中由于 金属减弱了 Si-Si键的键强31，促进金属原子与Si原子的相互扩散，从而使a-Si 薄膜在较低温度下发生晶化。金属诱导法因可有效降低a-Si薄膜处理温度、晶化时间短、本钱低32，且制 备的poly-Si薄膜晶粒尺寸较大卩m级、适合大面积制备常见的诱导金属有Al、 Au、Ag、C