高速微晶硅薄膜沉积功率利用效率的测量与优化

高电导率高晶化率p型微晶硅薄膜的制备赵尚丽;杨仕娥;张丽伟;陈永生;陈庆东;卢景霄【期刊名称】《材料导报》【年(卷),期】2008(022)004【摘要】利用射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)技术,以B2H6为掺杂剂,在玻璃衬底上制备了厚度为40nm左右的p型微晶硅薄膜.为获得高电导率高晶化率的薄膜,采用正交实验法对衬底温度、氢稀释比及硼烷掺杂比等主要沉积参数进行初步优化.Raman光谱和电导率测试结果表明:(1)在实验选取的参数范围内,衬底温度是影响薄膜暗电导率和晶化率的最主要因素,其次是氢稀释比,硼烷掺杂比的影响相对较小;(2)通过正交优化,获得了暗电导率为2.05S·cm-1、晶化率为86%的p型微晶硅薄膜.【总页数】4页(P116-118,134)【作者】赵尚丽;杨仕娥;张丽伟;陈永生;陈庆东;卢景霄【作者单位】郑州大学物理工程学院材料物理教育部重点实验室,郑州,450052;郑州大学物理工程学院材料物理教育部重点实验室,郑州,450052;新乡学院物理系,新乡,453000;郑州大学物理工程学院材料物理教育部重点实验室,郑州,450052;郑州大学物理工程学院材料物理教育部重点实验室,郑州,450052;郑州大学物理工程学院材料物理教育部重点实验室,郑州,450052【正文语种】中文【中图分类】O484【相关文献】1.高氢稀释制备微晶硅薄膜微结构的研究 [J], 郭晓旭;董宝中;等2.PLD法制备高介电调谐率的纳米晶BZT薄膜 [J], 唐新桂;梁建烈;农亮勤;熊惠芳;陈王丽华3.高氢稀释制备微晶硅薄膜微结构的研究 [J], 郭晓旭;朱美芳;刘金龙;韩一琴;许怀哲;董宝中;生文君;韩和相4.PECVD法低温制备微晶硅薄膜的晶化控制 [J], 李瑞;卢景霄;陈永生;杨仕娥;郜小勇;靳锐敏;王海燕;张宇翔;张丽伟5.采用高压RF-PECVD法制备高电导、高晶化率的p型微晶硅材料 [J], 侯国付;薛俊明;袁育杰;张德坤;孙建;张建军;赵颖;耿新华因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

提高微晶硅薄膜太阳电池效率的研究3张晓丹　赵　颖　高艳涛　陈　飞　朱　锋　魏长春　孙　建　耿新华　熊绍珍(南开大学光电子薄膜器件与技术研究所,天津　300071)(南开大学光电子薄膜器件与技术天津市重点实验室,天津　300071)(2006年3月29日收到;2006年8月15日收到修改稿) 采用甚高频等离子体增强化学气相沉积技术制备了系列微晶硅薄膜太阳电池,指出了气体总流量和背反射电极的类型对电池性能参数的影响.电池的I 2V 测试结果表明:随反应气体总流量的增加,对应电池的短路电流密度、开路电压和填充因子都有很大程度的提高,结果使得电池的光电转换效率得以提高.另外,ZnO ΠAg ΠAl 背反射电极能明显提高电池的短路电流密度,进而也提高了电池的光电转换效率.对气体总流量和背反射电极类型影响电池效率的原因进行了分析.关键词:微晶硅薄膜太阳电池,气体流量,ZnO ΠAg ΠAl 背反射电极PACC :8630J ,8115H ,7360F3国家重点基础研究发展规划(批准号:G 2000028202,G 2000028203)、国家自然科学基金(批准号:60506003)、天津市自然科学基金(批准号:05Y F JM JC01600)、科学技术部国际合作计划(批准号:2005197)和教育部新世纪优秀人才支持计划资助的课题. E 2mail :xdzhang @11引言微晶硅薄膜太阳电池已成为硅基薄膜太阳电池的研究热点[1—3].这是由于微晶硅薄膜太阳电池与非晶硅薄膜太阳电池组成叠层电池可充分地利用太阳光谱,使得电池的光电转换效率提高.要获得更高效率的非晶硅Π微晶硅叠层电池[4],制备出高效率的单结微晶硅薄膜太阳电池是前提条件之一.在国外,单结微晶硅太阳电池的效率虽然已接近10%[5],但有许多问题尚未解决.在国内,经过近几年的研究,对微晶硅材料的认识已逐步深入[6—10],同时在微晶硅薄膜太阳电池的研究方面也取得了一定的成果[11,12].本文主要通过改变气体总流量和背反射电极的类型,研究制备微晶硅薄膜太阳电池性能参数的变化规律,为进一步提高微晶硅薄膜太阳电池的效率提供依据.21实　验实验中所有电池都是在辐射型多功能化学气相沉积系统(cluster C VD )中制备.实验的本底真空保持在5.0×10-6Pa 左右.其中电池中的p 层和i 层所用的激发频率为60MH z ,而n 层采用的是射频(13.56MH z )激励源.每个硅烷浓度系列电池中的p 层和n 层的条件都固定不变.电池有源i 层硅烷浓度的变化范围为4%—515%.B 系列电池有源i 层的气体总流量是A 系列电池的2.4倍,其他条件相同.电池的结构是p 2i 2n 型,电池的I 2V 特性测试所用光强为AM115(100mW Πcm 2).电池的厚度通过X p 22型台阶仪测试.31结果及讨论3111气体总流量对微晶硅薄膜太阳电池性能的影响 图1给出了两个不同硅烷浓度系列(4%—515%),在辉光功率和气体压力相同而流量不同的条件下制备微晶硅薄膜太阳电池各性能参数测试结果.电池的基本结构是玻璃Π氧化锌Π微晶硅p 层Π微晶硅i 层Π非晶硅n 层Π铝.A 系列电池的厚度小于第55卷第12期2006年12月100023290Π2006Π55(12)Π6697204物　理　学　报ACT A PHY SIC A SI NIC AV ol.55,N o.12,December ,2006ν2006Chin.Phys.S oc.110μm ,B 系列电池的厚度都在1.2μm 左右.从图1(a )可以看出:总的趋势是电池的开路电压V oc 随硅烷浓度的增加而逐渐增加,相同的硅烷浓度条件下,随气体总流量增大对应电池的开路电压V oc 提高.这样的结果来源于材料的结构变化,即材料的晶化程度随硅烷浓度或气体流量的增加而逐渐减小.从图1(b )短路电流密度J sc 的结果也可看出,流量增大对应电池的短路电流密度J sc 增大,原因是由于流量增大制备的电池质量得到了改善.实际上,电池的短路电流密度J sc 与电池厚度有一定关系[13].由于B 系列电池的厚度比A 系列电池的厚度大,因此,一定程度上也提高了电池的短路电流密度J sc .图1(c )表明,随气体流量的增加,对应电池的填充因子也得到了改善.由此可见,气体总流量增大后电池的各个性能参数都得到了明显改善,结果使得电池光电转换效率得到了很大提高.在没有使用ZnO ΠAg 背反射电极的情况下,电池的效率达到了7.1%. 实际上,气体流量增加后主要是减少了反应物图1　不同流量条件下电池开路电压(a )、短路电流密度(b )、填充因子(c )和转换效率(d )随硅烷浓度的变化在反应室里的滞留时间τres ,而滞留时间τres 与电极面积A 、电极间距离d el 、沉积气压p dep 和气体总流量f total 有关[14],τres =Ad el p depf total p 0,式中p 0为标准大气压.气体滞留时间的减少,降低了高硅烷产生概率,这样反应室中的气体就比较新鲜,结果提高了制备电池的质量,从而表现为各个性能参数都得到了提高.3121背反射电极对微晶硅薄膜太阳电池性能的影响作为微晶硅薄膜太阳电池的背反射电极,在很大程度上决定着器件的性能[15].常用的背反射电极是Ag ,Al 以及ZnO 与它们的组合.图2给出了采用两种不同的背反射电极制备电池的I 2V 特性曲线,其中ZnO ΠAl 背反射电极是采用溅射的方法制备ZnO 后再热蒸发Al.从图2可以看出,采用ZnO ΠAl背反射电极后,电池的短路电流密度得到了大幅度的提高,从1915mA Πcm 2增加到了23mA Πcm 2.这说明采用ZnO ΠAl 背反射电极后,增强了光在有源层中的吸收,使得电池的短路电流密度得以提高.从图2还可以看出,电池的背反射电极采用ZnO ΠAl 时,其填充因子降低.这是由于采用溅射技8966物 理 学 报55卷图2　采用ZnOΠAl和Al背反射电极制备电池的I2V曲线　曲线a为ZnOΠAl背反射电极,曲线b为Al背反射电极术制备ZnO薄膜过程中,离子轰击使电池的iΠn结特性变差所致.为此,采用金属有机物化学气相沉积方法制备了ZnO背反射电极,为进一步提高电池的短路电流密度,又热蒸发了Ag背反射电极.图3给出了Al背反射电极和ZnOΠAgΠAl背反射电极制备电池的I2V特性测试结果.从图3中可以看出, ZnOΠAgΠAl背反射电极的使用,明显地提高了电池的开路电压和短路电流密度,最终使电池的光电转换效率达到了817%.图3　采用ZnOΠAgΠAl和Al背反射电极制备电池的I2V曲线—□—为ZnOΠAgΠAl背反射电级,—●—为Al背反射电极图4　高效率微晶硅薄膜太阳电池的I2V曲线(背反射电极为ZnOΠAgΠAl)3131高效率微晶硅太阳电池的制备通过以上分析可知,气体流量和背反射电极对微晶硅薄膜太阳电池的性能有很大的影响.在上述参数综合优化的基础上,采用溅射腐蚀的ZnO薄膜作为前电极、在气体流量为240cm3Πmin、背反射电极为ZnOΠAgΠAl的情况下,获得了光电转换效率达912%的单结微晶硅薄膜太阳电池.从图4可以看出,电池的短路电流密度Jsc达到了2615mAΠcm2、开路电压Voc为0155V、填充因子为63%.41结　论采用甚高频等离子体增强化学气相沉积技术制备了系列微晶硅薄膜太阳电池.结果表明:反应气体总流量增加,即反应物在反应室中滞留时间的减小,有利于提高微晶硅薄膜太阳电池的各个性能参数,结果使得电池的光电转换效率得到了提高.另外,与Al电极和ZnOΠAl电极相比,ZnOΠAgΠAl背反射电极很大程度地提高了电池短路电流密度,与此同时,还能使其他的性能参数保持不变或有所提高,从而明显地提高了电池的光电转换效率.通过对各个参数的综合优化,获得了光电转换效率达912%的单结微晶硅薄膜太阳电池.996612期张晓丹等:提高微晶硅薄膜太阳电池效率的研究[1]Shah A,M eier J,Vallat2Sauvain E et al2002Thin Solid Films403—404179[2]Saitoh K,Ishiguro N,Y anagawa N et al1996J.Non2cryst.Solids198—2001093[3]Rech B,R oschek T,Muller J et al2001Solar Energy Mater.SolarCells66267[4]M eier J,Dubail S,G olay S et al2002Solar Energy Mater.SolarCells74457[5]M ai Y,K lein S,Carius R et al2005J.Appl.Phys.97114913[6]Zhang X D,Zhao Y,Zhu F et al2005Appl.Sur f.Sci.2451[7]Zhang X D,Zhao Y,Zhu F et al2005Acta Phys.Sin.54445(inChinese)[张晓丹、赵　颖、朱　锋等2005物理学报54445] [8]Zhu F,Zhang X D,Zhao Y et al2004Chin.J.Semicond.251700(in Chinese)[朱　锋、张晓丹、赵　颖等2004半导体学报251700][9]G ao X Y,Li R,Chen Y S et al2006Acta Phys.Sin.5598(inChinese)[郜小勇、李　瑞、陈永生等2006物理学报5598] [10]Zhou B Q,Liu F Z,Zhu M F et al2005Acta Phys.Sin.542173(in Chinese)[周丙卿、刘丰珍、朱美芳等2005物理学报542173][11]Zhang X D,Zhao Y,G ao Y T et al2005Acta Phys.Sin.541899(in Chinese)[张晓丹、赵　颖、高艳涛等2005物理学报541899][12]Zhang X D,Zhao Y,Zhu F et al2005Chin.J.Semicond.2652(in Chinese)[张晓丹、赵　颖、朱　锋等2005半导体学报2652[13]Vetterl O,Lambertz A,Dasgupta A et al2001Solar Energy Mater.Solar Cells66345[14]R oschek T,Rech B,Muller T et al2004Thin Solid Films451—452466[15]K eppner H,M eier J,T orres P et al1999Appl.Phys.A69169Inve stigation of improved conversion efficiency of microcrystallinesilicon thin film solar cells3Zhang X iao2Dan Zhao Y ing　G ao Y an2T ao　Chen Fei　Zhu Feng　W ei Chang2ChunSun Jian　G eng X in2Hua　X iong Shao2Zhen(Institute o f Photo2electronic Thin Film Devices and Technology,Nankai Univer sity,Tianjin　300071,China)(K ey Laboratory o f Photo2electronic Thin Film Devices and Technology o f Tianjin,Nankai Univer sity,Tianjin　300071,China)(Received29M arch2006;revised manuscript received15August2006)AbstractA series of m icrocrystalline silicon thin films solar cells were fabricated by very high frequency plasma enhanced chem ical vapor deposition at different total gas flow rates and on different back reflectors.The results of I2V measurements of solar cells showed that the characteristic parameters of solar cells were all im proved w ith the increase of total flow rate,so conversion efficiency of solar cells were increased.In addition,short circuit current(J sc)of solar cells was greatly reduced,as a result, conversion efficiency of solar cells were im proved when ZnOΠAgΠAl back reflector were incorporated into solar cells.The details can be seen in the paper.K eyw ords:m icrocrystalline silicon thin film solar cells,total gas flow rate,ZnOΠAgΠAl back reflectorPACC:8630J,8115H,7360F3Project supported by the S tate K ey Development Program for Basic Research of China(G rant N os.G2000028202,G2000028203),the National Natural Science F oundation of China(G rant N o.60506003),the Natural Science F oundation of T ianjin,China(G rant N o.05Y F JM JC01600),the InternationalC ooperation Program of M inistry of Science and T echnology,China(G rant N o.2005197)and the Program for the New Century Excellent T alents inUniversity of M inistry of Education,China.E2mail:xdzhang@0076物 理 学 报55卷。

微晶硅晶化率和光学带隙的关系
微晶硅的晶化率和光学带隙之间存在一定的关系。

一般来说，随着晶化率的提高，光学带隙会降低，并逐渐趋于稳定值。

在PECVD法制备微晶硅薄膜的过程中，通过拉曼谱可以发现，随着功率的增大，N型材料的非晶肩逐渐减小，材料的晶化率增大。

这是因为在晶化过程中，原子的排列更加有序，导致材料的能带结构发生变化，从而影响光学带隙。

此外，沉积时间也会影响微晶硅的晶化率。

在沉积过程中，随着沉积时间的增加，晶化率会进一步提高，并进入XRD的测量范围。

在实际应用中，可以通过控制沉积条件和调整晶化时间等方法，来调节微晶硅的晶化率和光学带隙，以满足不同的应用需求。

VHF-PECVD沉积本征微晶硅薄膜激活能特性研究
陈庆东;王俊平;李洁;张宇翔;卢景霄
【期刊名称】《人工晶体学报》
【年(卷),期】2009(38)6
【摘要】采用激活能测试装置测量VHF-PECVD高速沉积的本征微晶硅薄膜,并对不同晶化率的样品和不同沉积功率、不同沉积压强条件下沉积制备的样品的激活能进行了分析研究。

结果表明:在非晶-微晶相变域附近,激活能随着晶化率的升高而降低;随着沉积功率的增大和沉积气压的增大,沉积速率提高,样品的激活能升高,通过提高沉积功率和沉积气压可以有效的抑制氧污染。

【总页数】6页(P1424-1428)
【关键词】VHF-PECVD;微晶硅;激活能
【作者】陈庆东;王俊平;李洁;张宇翔;卢景霄
【作者单位】滨州学院物理与电子科学系;郑州大学材料物理教育部重点实验室【正文语种】中文
【中图分类】TN304.12
【相关文献】
1.本征微晶硅薄膜的激活能特性研究 [J], 陈庆东;王俊平;马国利
2.椭圆偏振技术研究VHF-PECVD高速沉积微晶硅薄膜的异常标度行为 [J], 谷锦华;丁艳丽;杨仕娥;郜小勇;陈永生;卢景霄
3.磷掺杂微晶硅薄膜激活能特性研究 [J], 陈庆东;王俊平;张宇翔;卢景霄
4.本征微晶硅薄膜和微晶硅电池的制备及其特性研究 [J], 张晓丹;高艳涛;赵颖;朱锋;魏长春;孙建;耿新华;熊绍珍
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氢化微晶硅薄膜的两因素优化及高速沉积
申陈海;卢景霄;陈永生;郭学军
【期刊名称】《真空科学与技术学报》
【年(卷),期】2009()5
【摘要】采用甚高频等离子体辅助化学气相沉积技术(VHF-PECVD)分别对薄膜沉积参数进行了功率密度—沉积气压和硅烷浓度—气体总流量两因素优化。

主要研究沉积参数对薄膜沉积速率和结晶状况的影响,结果表明:高沉积压强下,功率密度的提高对微晶硅薄膜(μc-Si∶H)沉积速率的影响减弱,硅烷浓度和气体总流量影响作用相对增强,高硅烷浓度有利于材料的利用,最终在高压强(600Pa)条件下,使微晶硅薄膜的沉积速率提升到2.1nm.s-1。

同时,利用分步沉积法对薄膜的纵向结构均匀性进行了初步研究。

【总页数】5页(P494-498)
【关键词】μc-Si∶H;VHF-PECVD;生长速率;晶化率;孵化层;分步沉积
【作者】申陈海;卢景霄;陈永生;郭学军
【作者单位】郑州大学物理工程学院,材料物理教育部重点实验室,郑州450052【正文语种】中文
【中图分类】O484;TB43
【相关文献】
1.热丝辅助MW ECR CVD法高速沉积优质氢化非晶硅薄膜 [J], 吴越颖;胡跃辉;阴生毅;荣延栋;王青;高卓;李瀛;宋雪梅;陈光华
2.MWECR-CVD法高速沉积氢化非晶硅薄膜 [J], 刘国汉;丁毅;何斌;朱秀红;陈光华;贺德衍
3.氢稀释比对磁控溅射低温(100 ℃)沉积氢化微晶硅薄膜微结构特性的影响 [J], 王林青; 周永涛; 王军军; 刘雪芹
4.热丝辅助MW ECR CVD技术高速沉积高质量氢化非晶硅薄膜(英文) [J], 周怀恩;陈光华;朱秀红;阴生毅;胡跃辉
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HWCVD技术高速沉积优质微晶硅薄膜及其生长机制研究的开题报告开题报告题目：HWCVD技术高速沉积优质微晶硅薄膜及其生长机制研究研究背景：微晶硅薄膜由于具有良好的光电学性能，以及低成本、易加工、可大面积制备等优势，近年来广泛应用于太阳能电池、薄膜晶体管、显示屏等领域。

其中，高速沉积HWCVD技术是制备微晶硅薄膜的主要方法之一，但是在生长过程中存在不确定的因素，如气体流量、放电功率等因素都会影响薄膜的质量和结构，因此需要深入研究微晶硅薄膜的生长机制，以便在实际生产中更好地控制其制备过程。

研究内容与目的：本研究旨在通过HWCVD技术制备高质量的微晶硅薄膜，并探究其生长机制。

具体研究内容包括：1.利用HWCVD技术沉积纯硅和掺杂硅薄膜样品，并通过扫描电镜、X射线衍射和拉曼光谱等手段对其进行形貌、结构和光电学性能的表征和分析；2.通过改变沉积条件，如气体流量、放电功率等参数，研究其对微晶硅薄膜成分和结构的影响；3.通过对比实验和理论计算，探讨微晶硅薄膜在不同条件下的生长机制，为优化微晶硅薄膜的制备提供理论基础。

预期成果：通过本研究，我们期望能够深入了解HWCVD技术制备微晶硅薄膜的过程和机理，以及不同因素对薄膜成分和结构的影响，进一步掌握微晶硅薄膜的生长规律，并在实际生产中提高其质量和效率。

计划进度：第一年：搜集相关文献，建立微晶硅薄膜制备平台，进行样品制备和表征。

第二年：通过改变沉积条件研究其对微晶硅薄膜成分和结构的影响，并提取生长机制的一阶动力学方程建立模型。

第三年：通过对比实验和理论计算，探究微晶硅薄膜在不同条件下的生长机制，进一步提高其制备效率及质量。

参考文献：1. Lee HW, et al. High-quality microcrystalline silicon films deposited at a high growth rate by plasma-enhanced chemical vapor deposition. J Appl Phys 2003;94:2234-8.2. Geng Z, et al. Amorphous-to-microcrystalline transition in thin silicon films deposited by hot-wire chemical vapor deposition. J Appl Phys 2018;123:183301.3. Ding L, et al. Hot-wire chemical vapor deposition of large-grain microcrystalline silicon. Appl Phys Lett 2004;84:1902-4.。

高速沉积微晶硅太阳电池的研究的开题报告一、研究背景随着能源需求的不断增加，以及环境污染问题的日益突出，太阳能作为一种清洁、可再生的能源逐渐得到了广泛应用。

而太阳电池是太阳能利用的最主要方式之一，其性能的提高直接影响着太阳能技术的应用效果。

当前，高效、低成本的太阳电池一直是太阳能产业发展的热点和难点。

微晶硅材料因具有较高的光吸收率和较低的费用，在太阳电池领域中备受关注。

高速沉积技术是一种快速制备微晶硅薄膜的方法，其具有生产效率高、成本低等优点，可以降低太阳电池的制造成本。

因此，研究高速沉积微晶硅太阳电池具有十分重要的实际应用价值。

二、研究目的本研究旨在探究高速沉积技术制备微晶硅太阳电池的关键制备技术、性能及其优化方法，以及探讨增强其性能的途径。

三、研究内容（1）高速沉积技术制备微晶硅太阳电池的原理和制备方法。

（2）制备微晶硅太阳电池的结构及其与性能的关系。

（3）研究微晶硅太阳电池的光电转换效率和填充因子等性能指标。

（4）探究微晶硅太阳电池中电荷传输和复合机制，并通过实验进行验证。

（5）研究微晶硅太阳电池的优化方法，探究如何提高其性能。

四、研究方法本研究将通过文献调查、理论分析和实验研究相结合的方式，开展如下研究方法：（1）查阅相关文献，了解高速沉积技术等相关知识。

（2）采用高速沉积技术制备微晶硅太阳电池样品，并记录结构及其性能参数。

（3）使用光电转换效率测试系统测量微晶硅太阳电池的各项参数，并分析其性能优化的途径。

（4）通过电子显微镜等设备观察微晶硅太阳电池的微观结构，对电荷传输和复合机制进行分析。

（5）总结实验结果，并提出微晶硅太阳电池的优化方案。

五、研究意义本研究的成果可以为微晶硅太阳电池的实际应用提供技术支持，具有很强的实际应用价值。

此外，本研究还可以为高速沉积技术、微晶硅材料及太阳电池等相关领域的基础研究提供新的思路和方法。