《硅薄膜材料》课件.ppt

第七章硅薄膜材料 提纲 7 1非晶硅薄膜材料非晶硅薄膜的特征及基本性质非晶硅薄膜的制备非晶硅薄膜的缺陷及钝化7 2多晶硅薄膜材料多晶硅薄膜的特征和基本性质多晶硅薄膜的制备多晶硅薄膜的晶界和缺陷 非晶硅薄膜材料 之特征及基本性质 材料和制造工艺成本低首先非晶硅薄膜太阳电池采用廉价的衬底材料上 如玻璃 不锈钢 塑料等 其次 其薄膜仅有数百纳米厚度 最后 非晶硅的规模生产的能耗小 以上三点均可以大幅度降低成本 易于形成大规模生产能力 多品种和多用途 易实现柔性电池非晶硅可以制备成轻型 柔性太阳电池 易于和建筑集成 非晶硅薄膜太阳能电池的优点 柔性太阳能电池 非晶硅薄膜太阳能电池的不足 在实际生产线上其效率不超过10 及稳定性较差 非晶硅薄膜材料 之特征及基本性质 薄膜非晶硅的基本特征和性质 1 非晶硅的原子在数纳米甚至更小的范围内呈有限的短程周期性的重复排列 但从长程结构来看 原子排列是无序的 2 共价键显示连续的无规则的网络结构 3 其物理性质具有各向同性 4 非晶硅中室温下其电阻率很高 5 非晶硅的禁带宽度为1 5eV 且在一定程度上可调 6 非晶硅的密度 电导率 禁带等性质可以连续变化和调整 7 在合适的热处理条件下 非晶硅可以转化为多晶硅 微晶硅和纳米硅 非晶 晶体 多晶 问题 非晶硅薄膜材料 之制备 非晶硅薄膜制备的关键问题及解决方法 单体的非晶硅本身并不具有任何重要的光伏性质 如果没有周期性的束缚力 则硅原子很难与其他四个原子键合 这使材料结构中由于不饱和或 悬挂 键而出现微孔 再加上由于原子的非周期性排列 增加了禁带中的允许态密度 结果就不能有效地掺杂半导体或得到适宜的载流子寿命 解决方法 辉光放电分解硅烷 SiH4 基本原理 SiH4分解产生的H2填补了膜内部微孔中的悬挂键及其他结构缺陷 非晶硅薄膜材料 之制备 辉光放电的基本原理 在真空系统中通入稀薄气体 两电极之间将形成放电电流从而产生辉光放电现象 辉光放电系统的I V特性曲线 非晶硅薄膜材料 之制备 辉光放电的基本原理 辉光放电系统的辉光区示意图 起作用区特点 电子和正离子基本满足电中性条件 处于等离子状态 在辉光放电过程中 等离子体的温度 电子的温度和电子的浓度是关键因素 一般而言 辉光放电是低温过程 等离子体的温度在100 500 而电子的能量在1 10eV左右 电子的浓度达到109 1012 cm3 电子的温度达到104 105K 非晶硅薄膜材料 之制备 等离子增强化学气相沉积制备非晶硅 SiH4 Si 2H2 反应方程式 非晶硅的性能对制备的条件十分敏感 不同的设备都需要独特的优化工艺 才能制备出高质量的非晶硅 一般而言 衬度温度在200 300 功率在300 500W m2时 比较适宜制备非晶硅 非晶硅薄膜材料 之缺陷与钝化 非晶硅薄膜的主要缺陷种类 图中表明悬挂键是怎样产生以及怎样被氢钝化 1 悬挂键 使非晶硅的电学性能不易控制 2 Si Si弱键 氢的作用 1 氢能够很好地和悬挂键结合 呈饱和悬挂键 降低其缺陷密度 去除其电学影响 达到了钝化非晶硅结构缺陷的目 2 氢的加入可以改变非晶硅缺陷态的密度及非晶硅的带隙宽度 3 过量的氢在非晶硅中能够产生光致衰减的缺陷 副作用 多晶硅薄膜材料 之特征及基本性质 多晶硅薄膜太阳能电池的特点 1 低成本2 使用性能稳定3 效率较高实验室效率已达18 日本三菱电机 4 无毒 毒性小 和材料资源丰富的优势 有望成为续单晶硅太阳能电池之后的下一代太阳电池 多晶硅薄膜的研究重点 其一 是如何在廉价的衬底上能够高速 高质量地生长多晶硅薄膜 其二 是制备电池的工艺和方法 以便选用低价优质的衬底材料 比较合适的衬底材料为一些硅或铝的化合物 如SiC Si3N4 SiO2 Si Al2O3 SiAlON Al等 多晶硅薄膜材料 之特征及基本性质 多晶硅 多晶硅薄膜的优缺点 多晶硅 polycrystallinesilicon poly Si 薄膜是指在玻璃 陶瓷 廉价硅等低成本衬底上 通过化学气相沉积等技术 制备成一定厚度的晶体硅薄膜 它是由众多大小不一和晶向不同的细小硅晶粒组成 直径一般在几百纳米到几十微米 1 对可见光又具有很高的吸收系数 2 具有晶体硅一样的光稳定性 3 具有低成本 大面积和制备简单的优势 4 晶界引入的结构缺陷会导致电学性能的大幅度降低 5 晶粒体内含有大量的位错等微缺陷 严重影响多晶硅薄膜性能 缺点 优点 柱状多晶硅薄膜的SEM形貌照片 多晶硅薄膜材料 之制备 1 化学气相沉积直接制备多晶硅薄膜利用加热 等离子体 光辐照等能源 通过硅烷或其他气体的分解 在不同的衬底上采用一步工艺直接制备多晶硅薄膜 2 非晶硅晶化制备多晶硅薄膜首先制备非晶硅薄膜 然后利用其亚稳的特性 通过不同的热处理技术 将非晶硅晶化成多晶硅薄膜 又称为两步工艺法 常用的多晶硅薄膜的制备的两类方法 在玻璃衬底上的多晶硅薄膜的SEM照片 多晶硅薄膜材料 之制备 化学气相沉积直接制备多晶硅薄膜 1 等离子增强化学气相沉积 PVCVD 是非晶硅薄膜的常用制备方法 具有温度低 100 300 能耗小的特点 最常用的是卤硅化合物 如SiF4 或者是硅烷和卤硅化合物的混合气体 如SiF4 SiH4和H2 为气源 生成的多晶硅晶粒较大 可达到4 6 m 而且有明显的择优取向 2 低压化学气相沉积 LPCVD 其晶粒具有 110 择优取向 同时内部含有高密度的微孪晶缺陷 且晶粒尺寸小 载流子迁移率不够大 通过降低反应室压力 多晶硅的晶粒尺寸可以增大 LPCVD系统的示意图 特点 低压力 多晶硅薄膜材料 之制备 3 热丝化学气相沉积 HWCVD 工艺及组织特点它是在反应室的衬底附近放置一个直径为0 3 0 7mm的金属钨丝 然后通入大电流 使钨丝加热升温至1500 2000 此时SiH4等源气体在流向衬底的途中 受到钨丝的高温催化作用而发生热解 从而使硅原子直接沉积在衬底上形成多晶硅薄膜 利用HWCVD技术制备的多晶硅薄膜的晶粒尺寸可以到达1 m以上 具有柱状结构 并表现出强烈的 110 择优取向 优点 该技术的衬底温度低 因此可以利用廉价的材料作为衬底 高温钨丝可使硅烷充分分解 达到充分利用源气体的目的 薄膜生长速率高 HWCVD制备的多晶硅薄膜结构均匀 一致性高 载流子迁移率高 一种相当有前景的技术 多晶硅薄膜材料 之制备 非晶硅晶化制备多晶硅薄膜 1 固相晶化 SPC 指非晶硅薄膜在一定的保护气中 在600 以上温度进行常规热处理 此时 非晶硅可以在远低于熔硅晶化温度的条件下结晶 形成多晶硅 2 金属诱导固相晶化 MISPC 在制备非晶硅薄膜之前 之后或同时 沉积一层金属薄膜 如Al Ni Pd 然后在低温下进行热处理 在金属的诱导作用下使非晶硅低温晶化而获得多晶硅 Al诱导a Si在425 结晶的OM图 多晶硅薄膜材料 之制备 非晶硅晶化制备多晶硅薄膜 3 激光晶化指通过脉冲激光的作用 非晶硅薄膜局部迅速升温至一定温度而使其晶化 对衬底材料的要求并不严格 但是激光晶化技术也有明显弱点 主要是设备复杂 生产成本高 难以实现大规模工业应用 4 快速热处理晶化 RTP 指采用光加热的方式 在数十秒内能将材料升高到1000 以上的高温 并能快速降温的热处理工艺 快速热处理具