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中文摘要中文摘要非晶硅太阳能电池作为一种新型太阳能电池,其原材料来源广泛、生产成本低、便于大规模生产,因而具有广阔的市场前景。
它具有较高的光吸收系数,在0.4~0.75um的可见光波，其吸收系数比单晶硅要高出一个数量级,比单晶硅对太阳能辐射的吸收率要高40倍左右,用很薄的非晶硅膜(约1um厚)就能吸收约80%有用的太阳能,且暗电导很低,在实际使用中对低光强光有较好的适应,特别适用于制作室内用的微低功耗电源,这些都是非晶硅材料最重要的特点,也是它能够成为低价太阳能电池的重要因素。
非晶硅薄膜电池由于没有晶体硅所需要的周期性原子排列要求,可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题,在较低的温度(200摄氏度左右)下可直接沉积在玻璃、不锈钢、塑料膜和陶瓷等廉价衬底材料上,工艺简单,单片电池面积大,便于工业化大规模生产,同时亦能减少能量回收时间,降低生产成本。
另外,非晶硅的禁带宽度比单晶硅大,随制备条件的不同约在1.5~2.0eV的范围内变化,这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高,同时,还适合在柔性的衬底上制作轻型的太阳能电池,可做成半透明的电池组件,直接用做幕墙和天窗玻璃,从而实现光伏发电和建筑房屋一体化。
总之,非晶硅薄膜电池具有生产成本低、能量回收时间短、适于大批量生产、弱光响应好以及易实现与建筑相结合、适用范围广等优点。
关键字：非晶硅薄膜;光致衰退效应;界面态;太阳能电池I目录目录中文摘要 (I)第一章非晶硅薄膜太阳电池 (1)第一节非晶硅薄膜太阳电池基础知识简介 (1)第二节非晶硅薄膜太阳电池生产线及制造流程简介 (4)第二章非晶硅薄膜太阳电池应用分析 (7)第一节非晶硅电池特点 (7)第二节非晶硅电池光致衰退效应 (8)第三节非晶硅电池性能影响因素及发展前景 (9)第三章总结 (11)致谢 (12)参考文献 (13)II第一章 简易文本编辑器内容和功能第 1 页第一章 非晶硅薄膜太阳电池第一节 非晶硅薄膜太阳电池基础知识简介1976年美国RCA 实验室的D.E.Conlson 和C.R.Wronski 在Spear 形成和控制p-n 结工作的基础上利用光生伏特(PV)效应制成世界上第一个a-Si 太阳能电池，揭开了a-Si 在光电子器件或PV 组件中应用的幄幕。
非晶硅薄膜太阳能电池关键生产设备工作原理研究摘要：太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生清洁能源。
大阳能电池技术是近些年来发展最快、最受瞩目的项目之一，其生产设备是决定其品质与性能的关键。
关键词：薄膜、太阳能、设备、PECVD、激光划刻系统、磁控溅射系统Abstract: solar energy is the human the inexhaustible renewable clean energy. Sun arises to battery technology in recent years is the fastest growing and most notably one of the project, the production equipment is the quality and performance of the decision to key.Keywords: film, solar energy, equipment, PECVD, laser row moment system, magnetron sputtering system非晶硅太阳能电池具有较高的转换效率和较低的成本及重量轻等特点，它主要是以非晶硅薄膜为基础，通过掺杂、沉积得到N形或P形掺杂的非晶硅薄膜，其主要生产设备包括：PIN层沉积系统、激光划刻系统、磁控溅射系统、清洗机、汇流电极装备、叠层装置系统、辊压机、层压机、接线盒安装设备、在线模拟测试设备等。
其中以PIN层沉积系统、激光划刻系统、磁控溅射系统最为关键。
PIN层沉积系统（PECVD）PECVD反应室中通入反应气体，并在两极板之间加上激励电压时，在系统的两个电极之间就会产生放电现象，形成放电电流。
辉光放电区域由发光部分和暗区部分组成。
辉光区可分为许多辉光度及其密度差别很大的小区域。
由于从阴极发射出的电子能量非常低，很难对气体分子发生作用，因此在非常靠近阴极的地方形成阿斯顿暗区，从阴极发射出的电子，在穿过阿斯顿暗区的过程中，被在放电电压中占大部分的阴极电压降产生的电场加速，获得了足够的能量，当它们与气体分子作用时，就会使气体分子激发而发光，形成阴极辉光区。
非晶硅薄膜研究进展非晶硅薄膜及其制备方法研究进展摘要：氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜在薄膜太阳能电池、薄膜晶体管、辐射探测和液晶显示等领域有着重要的应用，因而在世界范围内得到了广泛的关注和大量的研究。
本文主要介绍了a-Si:H薄膜的主要掺杂类型和a-Si:H薄膜的主要制备方法。
关键词：非晶硅薄膜；掺杂；制备方法；研究进展Research Progress on a-Si:H Thin Films and Related PreparationMethodAbstract:Hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) thin film has attracted considerable attention and been a subject of extensive studies worldwide on account of its important applications such as thin film solar cells, thin film transistors, radiation detectors, and liquid crystal displays based on its good electrical and optical properties. In this paper, the progress research on a-Si:H thin films and related preparation method are reviewed.Key words: a-Si:H thin films; doped; preparation method; research progress1 引言氢化非晶硅(a-Si:H)是硅和氢的一种合金，网络中Si-H键角和键长的各种分布打乱了晶体硅晶格的长程有序性，从而使非晶硅具有独特的光电性质。
非晶合金薄膜研究背景简介1.1 非晶合金非晶合金（或称金属玻璃）是一种显著区别于传统金属材料的新型合金，其在极快的冷却速度下(107K/S)形成，原子在快速凝固时来不及形核、长大形成晶体，微观结构上呈现为长程无序、短程有序的特征，因此没有晶界和位错等晶体材料的常见缺陷。
与传统的合金材料相比，具有诸多优异的性能，如高强度、高硬度、耐磨损及耐腐蚀，主要缺点是非晶形成能力限制（冷却速度），三维尺寸不易做大，以及室温下塑性较低，一定程度上影响了其作为结构材料的工程实际应用。
晶体原子排列长程有序非晶原子排列长程无序1.2 非晶合金薄膜非晶合金薄膜（Amorphous alloy thin film），也称为金属玻璃薄膜（thin film metallic glasses)，作为一种二维形态的非晶合金，继承了非晶合金的诸多性能优势，同时尺寸不易受非晶形成能力的影响，可以制备较大面积的薄膜。
同样的，非晶合金薄膜由于在结构上呈现各向同性，没有晶界和位错等晶体缺陷，在过冷液相区具有超塑性，从而具有良好的弯曲延展成形能力，并且薄膜表面较为光滑，粗糙度较小，可以达到10nm以内。
非晶合金薄膜在MEMS/NEMS 有着良好的应用前景。
1.3 样品制备我们选取的研究对象是具有稳定非晶形成能力的简单二元非晶合金系Cu50Zr50，靶材为圆饼状，尺寸为φ50mm×3mm。
采用直流磁控溅射法镀膜，选取NaCl作为基底，磁控溅射镀膜设备外观及原理如图所示。
主要原理：将系统抽真空至10-3Pa，然后通氩气使系统气压升至3Pa，调节功率至60W，打开电源开关启辉，辉光稳定后将氩气气压调节至0.7Pa，预溅射15min 后开始稳定溅射制备薄膜样品。
其中的Ar原子在电场作用下电离为Ar+轰击靶材，使得靶材中的原子逸出并落在基底上形成薄膜。
磁控溅射参数汇总：设备型号：JGP560梨形单室磁控溅射沉积系统（中科院沈科仪）真空度：1×10-3Pa溅射功率：60W起辉气压：3.0Pa溅射气压：0.7Pa直流偏压：70V溅射时间：30min，40min，50min。
非晶合金薄膜生长机理研究非晶合金薄膜是一种具有广泛应用前景的新型材料，在物理、化学、电子、机械等领域都有重要的应用。
本文将从非晶合金薄膜的基本概念，生长机理和研究现状三个方面进行探讨。
一、非晶合金薄膜的基本概念非晶合金薄膜是采用物理气相沉积方法在载体上制备的一种具有非晶结构的金属合金材料。
该材料具有高硬度、高韧性、高导电性和优秀的阻隔性能等优点，因而引起了众多研究人员的关注。
非晶合金薄膜的制备方法主要有物理气相沉积方法和化学气相沉积方法两种。
物理气相沉积方法是采用一定的物理气相反应条件，在低压下将固态金属材料蒸发并沉积在基板上形成薄膜。
而化学气相沉积方法则是通过化学反应在基底表面或者气相沉积过程中合成非晶合金膜。
二、非晶合金薄膜的生长机理非晶合金薄膜的生长机理涉及到物理、化学和热力学等多个方面。
其中最主要的是金属材料的原子结构、能量和热力学稳定性等。
非晶合金膜的形成需要满足以下三个条件：第一，材料具有充足的流体性质；第二，材料的自由能足够低，使得非晶态相对于其他晶态相更为热力学稳定；第三，材料的金属原子结构呈现出无序、非周期和高密度的特征。
针对非晶合金薄膜的生长，研究人员提出了“晶界限制”和“缺陷引导”两种生长机理。
简单来说，晶界限制是指晶界存在时，晶体原子与相邻非晶体原子形成结合并纳入非晶结构中，从而促进非晶合金的生长。
而缺陷引导则是指存在缺陷的基底表面可作为非晶合金薄膜的生长模板，促进非晶合金的形成。
三、非晶合金薄膜生长机理研究现状目前，非晶合金薄膜的生长机理研究主要集中在以下几个方面：制备条件对非晶合金薄膜生长的影响、非晶合金薄膜内部结构的研究、频谱特征和热力学稳定性分析等方面。
在制备条件对非晶合金薄膜生长的影响方面，一些研究人员通过调节基底表面温度、沉积速率、气压和气体成分等影响因素，探讨了这些因素对非晶合金薄膜生长的影响规律。
在非晶合金薄膜内部结构研究方面，一些研究人员通过有效的谱学方法（包括透射电镜、X射线衍射和原子力显微镜等），分析非晶合金膜的内部结构和成分，并探讨了不同原子结构和成分对非晶合金薄膜性能的影响。
2.2 非晶硅薄膜的生长机理
制备氢化硅薄膜是基于辉光放电的PECVD 技术，在外界电场的激励下使反应气体电离形成等离子体，在等离子体内部及薄膜表面，发生一系列非常复杂的物理-化学反应，在用辉光放电分解SiH 4制备a-SiH 4薄膜的过程中，可能发生以下的反应[19]：
①SiH 4和稀释SiH 4用的H 2分解，生成激活型的原子或分子团；
②这些激活型的原子或分子团向衬底或反应室器壁表面扩散；
③在衬底表面上发生吸附原子或分子团的反应，同时还伴随着其他气相分子团的产生和再放出。
在PECVD 中，以硅烷为工作气体，在几十帕的压强下进行放电，便可以生成电子密度≈1015m -3的等离子体。
在这种等离子体中，能量大约在10 eV 以上的高能电子与SiH 4碰撞，会产生以下的离解、电离反应，生成大量的中性基团(SiH 3、SiH 2、SiH 、Si )、H 2、H 以及它们的带电基团。
等离子体中可能存在如下反应[19][20]：
H H ev H +−−−→−6.42 （式2-1）
-++++−−−−→−-+e H H SiH ev e SiH 233.1024
（式2-2） -+-++−−→−+e H SiH e SiH
ev 22247.94 （式2-3） -+-++−−→−+e H SiH e SiH
ev 375.84 （式2-4） mH Si SiH m +−→← （式2-5）
同时等离子体中的电子经外电场加速后，其动能通常可达到10～20eV ，甚至更高，这些高能电子与气体分子发生碰撞，足以使气体分子键断裂并产生大量离子、活性原子、活性分子等基团，氢化硅薄膜的生长原子是来自等离子体中SiH 4分解的SiH m 反应先驱物[19]，由于离解产生SiH 3所需的能量最小，一般认为，SiH 3是硅基薄膜最主要的生长基元，。
Veprek 研究发现，等离子体中电子的碰撞有利于硅烷分解和成膜过程，而离子碰撞则有利于H 基刻蚀过程的进行。
当硅烷浓度较高时，mH Si SiH m +−→←正反应速率大于逆反应速率，使刻
蚀过程来不及进行，Si-Si 弱键及无规则网络结构都保留了下来，因而形成的是非晶硅，为亚稳态结构，具有特征性的Staebler-Wronski 效应。
原子氢在Si:H薄膜的沉积过程中的作用重要而复杂：
1.它可能夺走生长表面一个与Si成键的氢，形成一个稳定的氢分子，从
而在生长表面产生一个悬挂键，
2.也可能补偿一个悬挂键，形成一个Si-H键，
3.它还可能断开Si-Si键，产生一个悬挂键和一个Si-H键，从而使膜中
悬挂键和氢密度同时增加。
4.另外，当由等离子体中流向生长表面的原子氢密度大于含Si基团的流
密度时，表面的一个Si原子与相邻的Si原子之间结合较弱的Si-Si
键就有可能被原子氢刻蚀而脱离生长表面，这就是原子氢对薄膜的刻
蚀作用。
但正是因为活性氢原子对表面的轰击和刻蚀作用，使得原本
无序的非晶硅网络更加松弛，Si原子重新寻找更为稳定的位置排列生
长，并释放出氢，形成结晶硅颗粒，使网络更为有序，最后转变为微
晶硅或多晶硅[23]。
当反应物中的氢稀释比较高时，离解得到的H基可轰击正反应形成的硅膜，能有效的清除生长膜网络结构中的弱键及未键合的硅原子，使后来沉积的硅膜能找到能量较低的位置沉积，而保留下结合较强的Si-Si键，有利于成核及增强网络的完整性，形成微晶硅。
因此硅薄膜的沉积是一个生长和H基原位刻蚀共存的动态过程。
氢原子对生长表面的刻蚀与含Si产物在生长表面的扩散和吸附构成了两个相互竞争的过程，薄膜的沉积速率决定于这两个表面反应的相对速率。
还有研究认为来自等离子体的足够大的原子H流量密度使得生长表面几乎完全被氢覆盖，而且在薄膜生长表面发生的H原子复合反应，在薄膜表面散发热量，增大反应前驱物SiH3在薄膜表面的扩散长度，使其能够找到能量较低(更为稳定)的位置，产生晶核，并使晶体得以生长。
因此，可以通过提高H稀释度和适当提高衬底温度能够达到提高薄膜晶化率和增大晶粒尺寸的效果。
但是当衬底温度过高时，表面H脱附加剧，表面悬挂键得不到补偿，使得SiH3的扩散受阻，因此薄膜的晶化率反而降低[24]。
当然，也有研究认为在H等离子体处理过程中，许多H原子渗透进入亚表面区域的非晶网络中，但不发生任何Si原子的刻蚀过程，而是在亚表面形成具有足够数量H原子的网络结构。
等离子体中的一个H原子和具有应力Si-Si键中的一个Si原子进行键合，然后H原子插入这样的Si-Si键，最后H原子跳到邻近的Si原子，在这个反应过程中，H原子通过在插入位置附近键的断开、形成和弛豫方式使得所有的原子重新排列，许多这种插入反应和随后原子重新排列的共同作用，最终使得薄膜中的具有应力的Si-Si键退火，并使系统的能量降低，从而形成能量上更加有利的微晶硅结构[25]。
总之，在薄膜的沉积过程中，SiH3（反应前驱物）和H在薄膜的沉积过程中起着非常重要的作用，进一步研究它们对沉积薄膜的结构和性能的影响，能够指导在生产过程中对PECVD的工艺参数（温度、功率、气压、流量、稀释比、掺杂率等）的优化。
2.3 非晶硅薄膜的微观结构、化学键及缺陷态
物质的各种物理性能与它们的微观结构密切相关。
我们比较熟悉的是晶态半导体，它的最基本的特征是组成物质的原子或分子具有周期性排列。
这种周期性排列，称为长程有序性。
非晶态半导体与晶态半导体的根本区别在于它不具有长程有序性，只具有短程有序性，即每一原子周围最近邻原子数与晶体中一样是确定的，而且这些最近邻原子的空间排列仍大体上保留了晶体的特征。
a-Si:H中每一硅原子周围具有四个最近邻硅原子，而且它们大体上仍保持单晶硅中的四面体结构配位形式，只是键角和键长发生了一些变化。
我们制备的非晶硅薄膜都是由非晶、晶态、非晶和晶态界面构成的，只是比例的不同。
非晶态的短程有序性决定了薄膜材料的能带结构、电导、热导、光学性质等性质[1]。
图2-1 Si-H的网络结构
图2-2 非晶硅薄膜的缺陷
非晶态半导体除了具有上述的短程有序而长程无序的基本特征外，另一个基
本特征是它的亚稳性。
非晶态半导体并不是处在平衡态，而是处于非平衡态，其自由能要比晶体的高，也就是说非晶态半导体在热力学上是处于亚稳状态。
非晶态固体如果受到热激活或其它外来因素作用，它的结构可能发生局部的变化，同时伴有自由能的降低。
这也是退火能使非晶态固体性质发生变化的原因。
对于大多数菲晶态半导体，其组成原子都是由共价键结合在一起的，形成一种连续的共价键无规则网络，并且结构本身适应这样的方式，以使所有的价电子都束缚在键内而满足最大成键数的（8-N）规则，称此为键的饱和性。
因此，非晶态半导体中的不少问题如结构缺陷等，都可以从化学键的角度来理解。
大量的实验结果表面，非晶硅网络中存在缺陷要大大多于晶态半导体。
非晶半导体中的缺陷包括：悬挂键和退杂化缺陷态、弱键、空位和微孔，掺杂的薄膜还有杂质引起的缺陷态。
如图所示2-2。
而对应于这些缺陷的能态就是非晶半导体的隙态。
隙态是非晶半导体与晶态半导体最大的区别。
正是隙态的存在，导致掺杂的杂质原子行为与晶态半导体又很大的不同。
如果非晶硅隙态密度较低，适当的掺杂原子就可以改变电子的填充水平，提高费米能级。
如果隙态密度很高，那么即使对非晶硅进行重掺杂仍然无法改变电子对隙态的填充水平，不能升高费米能级，形成“费米能级的钉扎”，这时掺杂就难以对电导率产生明显的改善。
在
非晶氢化硅薄膜中，最简单的缺陷态就是中性的悬挂键0
T（sp3），正的电子相关
3
能决定了a-Si:H在正常的情况下中有中性悬挂键存在。
且0
T悬挂键在能带结构
3
中产生两种状态，一种为能量较低且填满了电子的状态，另一种为能量较高没有填充电子的空状态。
仅有悬挂键缺陷态存在时，费米能级E F之下的0
T带被电子
3
所填充，E F被缺陷态钉扎而难以移动，未成对的自旋密度很小。
薄膜中也存在结合较弱的Si-Si键，引起键长或键角的变化，使网络的有序性降低[19]。
