优质纳米晶硅薄膜的低温制备技术及其在太阳能电池中的应用进展

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2、329981(2008)0420450205陈城钊1,邱胜桦1,刘翠青1,吴燕丹1,李1,余楚迎2,林璇英1,2平(1.韩山师范学院物理与电子工程系,广东潮州521041;2.汕头大学物理系,广东汕头515063)摘:纳米晶硅薄膜是集晶体硅材料和氢化非晶硅薄膜优点于一体,可望广泛应用于薄膜太阳能电要池,光存储器,发光二极管和薄膜晶体管等光电器件的一种新型功能材料.本文综述低温制备优质纳米晶硅薄膜技术的研究进展及其在薄膜硅太阳能电池上的应用.关键词:纳米晶硅薄膜;太阳能电池;低温制备;进展中图分类号:

3、TM914.4文献标识码:A嵌在a2SiζH网络里的一种硅纳米结构.由于它具有较高的电导率(10-3～10-1Ω-1·-1),cm宽带隙,高光敏性,高光吸收系数等优良的光电特性而引起学术界的重视.纳米晶硅薄膜同时具备宽带隙和高电导这两种太阳能电池窗口材料所需的优良性质,现已成为研究探索的热门纳米薄膜材料[1]制备薄膜太阳能电池外,在发光二极管,光存储器,隧穿二极管,薄膜晶体管以及单电子晶体管等光电器件方面也有潜在应用[2]1低温制备纳米晶硅薄膜的技术为了制备适用于以玻璃为衬底的太阳能电池的)纳米晶硅

4、薄膜,近年来发展了低温(<450℃制膜技术.按成膜过程可分为两大类:一类是先制备非晶态材料,再固相晶化为纳米晶硅;另一类是直接在玻璃衬底上沉积纳米晶硅薄膜[2].1.1固相晶化法的温度低于其熔融后结晶的温度.低造价太阳能电收稿日期:20082092113基金项目:韩山师范学院青年科研基金资助项目(0503))作者简介:陈城钊(1975—,男,广东潮州人,讲师,硕士.纳米晶硅(nc2SiζH)薄膜就是硅的纳米晶粒镶.除用于.固相晶化(SPC)法的特点是非晶固体发生晶化优质纳米晶硅薄膜的低温制备技术及其

5、在太阳能电池中的应用进展3等都属于固相晶化法.1.1.1常规高温炉退火池的纳米晶薄膜,一般以廉价的玻璃作衬底,以硅烷气为原材料,用PECVD法沉积a2Si:H薄膜,然后再用热处理的方法使其转化为纳米晶硅薄膜.这种方法的优点是能制备大面积的薄膜,可进行原位掺杂,成本低,工艺简单,易于批量生产.常规的高温炉退火,金属诱导晶化,快速热退火,区域熔化再结晶该方法是在氮气保护下把非晶硅薄膜放入炉腔内退火,使其由非晶态转变为纳米晶态[3].非晶硅晶化的驱动力是晶相相对于非晶相较低的Gibbs自由能.固相晶化过程

6、主要由晶核的形成及晶核长大两步完成.形核率和生长速率都受温度的影响,所以纳米晶硅薄膜的晶粒尺寸受温度的影响很大.晶硅薄膜的晶粒尺寸除受温度的影响外,与初始非晶硅膜的结构状况也有密切的关系.有研究者采用"部分掺杂法"来增大晶粒尺寸,即在基底上沉积两层膜,下层进行磷掺杂,作为成核层,上层不掺杂,作为晶体生长层,退火后可获得较大的晶粒[4].1.1.2金属诱导晶化金属诱导晶化就是在非晶硅薄膜上镀一层金属第2卷4期第陈城钊,等:优质纳米晶硅薄膜的低温制备技术及其在太阳能电池中的应用进展·451·膜或在镀有金

7、属膜的基片上再镀一层非晶硅膜,使非晶硅与金属接触,这样可大大降低非晶硅的晶化温度(300℃左右就能发生晶化),缩短晶化时间.可作诱导的金属有Al,Au,Ni,Pt,Ti,Cr,Pd等,不同的金属诱导晶化效果略有不同.由于Al的含量丰富,价格便宜,因此铝诱导晶化备受青睐[5].对于产生低温晶化的原因,比较一致的解释是:在a2Si:H与Al的界面处,由于Al扩散到非晶硅中,形成了间隙原子,使Si—Si共价键转变为Si—Al金属键,极大地降低了激发能.界面处的这些硅化物加速了Al和Si原子的相互扩散,导致

8、了Al—Si混合层的形成.由Al2Si相图可知,低温下(<300)℃,硅在铝中的固溶度几乎可以忽略,因此铝中的超饱和硅以核的形式在a2Si:H和Al的界面析出.这些固体沉淀物逐渐长大,最后形成了晶体硅和铝的混合物.与传统的固相晶化技术相比,该技术能大大降低退火温度,缩短退火时间,制备出较大晶粒的纳米晶硅薄膜[6].然而,有研究发现利用该技术制备的纳米晶硅薄膜会引入大量的金属原子,在很大程度上破坏了硅薄膜的电特性.这是一个不太容易解决的问题.1.1.3快速热退火的激光束