热丝化学气相沉积制备硅氢薄膜及其性质的研究

论文摘要

目前,硅薄膜太阳能电池的研究已成为国际光伏领域研究热点。硅薄膜太阳能电池相对于单晶硅和多晶硅太阳能电池而言,具有耗材少,成本低的特点。尤其是廉价衬底的引入,使硅薄膜太阳能电池在成本控制方面具有更强的市场竞争力。同时氢化硅薄膜由于在红外成像传感器、薄膜晶体管等微电子器件中有着广泛应用前景而备受关注。热丝化学气相沉积（HWCVD）是一种低温制备薄膜的技术,在众多硅薄膜制备技术中,以其低沉积温度、高沉积速率和低成本的特点而被广泛研究。本文采用HWCVD方法制备了微晶硅氢薄膜,取得了以下几个方面的主要结论：1.用HWCVD方法在廉价的玻璃衬底上制备了硅氢薄膜,并通过改变硅烷浓度来改变薄膜的结晶性。实验结果表明在一定的硅烷浓度范围内,硅烷浓度越小,薄膜结晶性越好。此外,我们还研究了热丝到衬底的距离与薄膜的结晶性的关系,在一定的距离范围内,距离衬底越近,薄膜的结晶性越好。我们认为这是由于热丝的热辐射对衬底温度影响。而衬底温度对薄膜的微结构和生长机理有很大影响,衬底温度直接影响着分子的扩散（分子的热运动）,衬底温度相对较高,表面迁移率较高,沉积到衬底上的硅的迁移率得到了大幅度的增强,从而就有可能形成结晶性比较好的晶体硅。2.氢基元概率分布模型的提出。通过前面的分析,我们可知衬底与热丝的距离不同主要是通过热丝的热辐射所引起的成膜表面温度的不同来影响薄膜的微结构。于是我们分别在热丝温度为1600℃和1650℃下,制备了硅氢薄膜。实验中采用一个阶梯状的衬底托,通过空间上的梯度差来实现生长温度的梯度差。当热丝温度由1600℃增加到1650℃时,有部分样品从非晶相变成结晶相并且样品的晶化率有明显的增大。之后我们对温度场进行了模拟,通过模拟的结果发现：这种结晶性的变化并不是来自于表面的温度升高。于是我们建立了H基元概率分布模型并用该模型很好的解释了我们的实验现象。3.衬底对薄膜生长及性质的影响。在不同的衬底温度（140℃-400℃）下,制备了纳米晶硅氢薄膜,研究了薄膜的各个性质。实验结果表明：晶化率Xc、微结构因子R和沉积速率都在250℃的时出现一个变化的拐点。当衬底温度从250℃继续升高时,薄膜由柱状生长开始向凝胶状生长转变。而光学带隙和暗电导在衬底温度250℃却没有出现类似的拐点,一直呈现随衬底温度的变化而单调变化。4.衬底对薄膜生长及性质的影响。采用热丝化学气相沉积在不同的气压下,分别在c-Si（100）和玻璃衬底上,制备了纳米晶硅氢薄膜。生长在c-Si（100）衬底上的硅氢薄膜的结晶情况要优于在玻璃衬底上的硅氢薄膜。所得到的硅薄膜都呈柱状结构生长,并且这种柱状生长结构随Pw的增加而变的更加显著。在相对较低的Pw（10 Pa和20 Pa）下,在c-Si衬底上的Si薄膜的生长速率要比在玻璃衬底上的Si薄膜的生长速率约低20 nm/min。但在Pw=40 Pa下,两种衬底上的硅薄膜的生长速率没有明显的区别。结合划痕测试,我们发现在c-Si衬底上制备的样品的结合力随Pw的增加而增加,而沉积在玻璃基板上的样品却没有明显的差异。我们根据刻蚀模型解释了实验结果的成因。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 光伏发电是一种可再生能源
• 1.2 光伏技术的发展
• 1.3 光伏技术与薄膜太阳能电池
• 1.3.1 光伏发电原理
• 1.3.2 光伏材料
• 1.3.3 硅太阳能电池
• 1.3.4 硅基薄膜太阳电池新进展
• 参考文献
• 第二章 热丝化学气相沉积技术极其在太阳能电池中的应用
• 2.1.热丝化学气相沉积的发展
• 2.2 热丝化学气相沉积原理
• 2.2.1 气体与热丝的反应
• 2.2.2 基元与硅烷的反应
• 2.2.3 基元之间的相互反应
• 2.2.4 生长薄膜表面反应
• 2.3 HWCVD在光伏工业上的优势
• 2.4 热丝的选择及其寿命
• 2.5 HWCVD的近期研究工作
• 2.6 HWCVD制备太阳能电池
• 2.7 本论文研究目的和研究内容
• 2.7.1 研究目的
• 2.7.2 研究内容和创新点
• 参考文献
• 第三章 实验仪器与测试方法
• 3.1 实验仪器HWCVD
• 3.2 热丝预处理
• 3.3.衬底的选择与处理
• 3.4 薄膜的表征方法
• 3.4.1 X射线衍射（XRD）
• 3.4.2 傅立叶变换红外（FT-IR）光谱
• 3.4.3 拉曼光谱（Raman）
• 3.4.4 紫外-可见（UV-VIS）分光光度计
• 3.4.5 场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）
• 3.4.6 纳米划痕仪（Nano Scratch Testing）
• 参考文献
• 第四章 硅烷浓度、衬底距离对薄膜生长的影响
• 4.1 薄膜的制备与测试条件
• 4.2 硅烷浓度对薄膜生长及结晶性的影响
• 4.3 研究热丝到衬底的距离对薄膜生长和结晶性的影响
• 4.4 结论
• 参考文献
• 第五章 氢基元概率分布模型
• 5.1 薄膜制备
• 5.2. 实验结果及分析
• 5.2.1 Raman散射光谱研究
• 5.2.2 XRD光谱研究
• 5.2.3 温度场的模拟
• 5.2.4.H基元的概率分布模型
• 5.2.5.总结
• 参考文献
• 第六章 衬底温度对薄膜生长及性质的影响
• 6.1 制备条件
• 6.2.实验结果及分析
• 6.2.1 Raman散射光谱研究
• 6.2.2 FTIR光谱研究
• 6.2.3 SEM
• 6.2.4 紫外-可见光谱的研究
• 6.2.5 电学性质
• 6.2.6 总结
• 参考文献
• 第七章 衬底对薄膜生长及性质的影响
• 7.1 实验细节
• 7.2 实验结果及分析
• 7.2.1 XRD
• 7.2.2 Raman
• 7.2.3 SEM
• 7.2.4 划痕实验
• 7.2.5 FTIR光谱研究
• 7.2.6 总结
• 参考文献
• 第八章 总结与展望
• 8.1 本论文的主要结论
• 8.2 下一步工作展望
• 致谢
• 在读期间的研究成果