非晶硅薄膜光学性质的研究及铝诱导晶化法制备多晶硅薄膜

论文摘要

太阳能电池在缓解能源危机和解决环境污染方面有重要的研究和应用价值。在各类太阳电池中薄膜太阳电池以低成本和较高转换效率的特点成为当前的研究和开发热点,特别是多晶硅薄膜太阳电池,具有原料来源丰富、成本低廉、能耗低、性能稳定高效和应用范围广泛的优点,有望成为替代晶体硅的第二代太阳电池。本论文首先采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）法制备非晶硅薄膜,并对非晶硅薄膜的光学性质进行了研究,利用自制的夹具改进分光光度计的装置,用来测量非晶硅薄膜的透射光谱,通过对透射光谱的拟合和计算,确定出它的光学性质。其次用金属铝诱导晶化法制备多晶硅薄膜,采用glass/a-Si:H/Al的结构,用拉曼（Raman）光谱、X射线衍射（XRD）光谱、原子力显微镜（AFM）等表征手段研究了铝诱导晶化过程中各种因素对多晶硅薄膜结构的影响,得出如下结论:1.所制备非晶硅薄膜折射率与入射光波长的关系为:n=1.6×105/λ2+2.88;吸收系数与入射光波长的关系为:lgα=6.48×105/λ2-4.8以及非晶硅薄膜的光学带隙为1.56 eV.2.在铝诱导晶化过程中,退火温度越高、退火时间越长,越有利于薄膜结晶及晶粒长大,并且发现退火温度与退火时间是相互关联的。高的退火温度需要短的时间完全晶化;低的退火温度需要较长时间才能完全晶化。3.首次提出两步退火,发现在两步退火过程中,存在晶化效果好的优化点,如先在300℃下退火2h,然后继续升温到500℃退火3h,制备出的多晶硅颗粒大,表面光滑,有一定的使用价值。4.硅膜厚度越厚越有利于薄膜晶化,但存在一个极值点,当硅膜厚度大于这个极值点时,薄膜的晶化率下降。5.Al与a-Si:H之间的氧化层形成阻挡层。氧化层越厚,Al和Si原子互扩散难,成核密度越少,形成的硅晶粒越大;反之,氧化层越薄,成核密度越大,形成硅晶粒越小。6.在铝诱导层交换过程（ALILE）中,最大驱动力是非晶硅晶化能的释放,由于硅晶化过程的局部性,这部分能量对层交换的发生并没有贡献,而发生层交换的驱动力是由铝相宏观应力和微观应变的松弛及铝颗粒的生长引起弹性能的释放。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 太阳能电池的意义
• 1.2 薄膜太阳能电池的发展
• 1.3 多晶硅薄膜太阳能电池的研究现状及前景
• 1.4 多晶硅薄膜的特点
• 1.5 多晶硅薄膜的制备方法
• 1.5.1 化学气相沉积（CVD）
• 1.5.2 液相外延法（LPE）
• 1.5.3 固相晶化法（SPC）
• 1.5.4 准分子激光晶化（ELA）
• 1.5.5 快速热退火（RTA）
• 1.5.6 金属诱导晶化法（MIC）
• 1.6 本论文研究的目的及内容
• 第2章 实验设计和材料表征手段
• 2.1 衬底清洗
• 2.2 非晶硅薄膜制备
• 2.2.1 PECVD沉积系统
• 2.2.2 制备非晶硅薄膜的操作步骤
• 2.2.3 制备非晶硅薄膜的沉积参数
• 2.3 热蒸发铝膜的制备
• 2.3.1 蒸发系统设备
• 2.3.2 蒸镀铝膜的实验步骤
• 2.4 多晶硅薄膜的制备
• 2.5 薄膜样品的表征
• 2.5.1 X射线衍射（XRD）谱
• 2.5.2 激光拉曼（Raman）谱
• 2.5.3 原子力显微镜（AFM）
• 2.5.4 紫外可见近红外（UV-VIS-NIR）谱
• 第3章 PECVD沉积非晶硅薄膜机理及生长机制
• 3.1 PECVD沉积非晶硅薄膜机理
• 3.1.1 PECVD沉积基本原理
• 3.1.2 PECVD沉积非晶硅薄膜的化学反应
• 3.2 非晶硅薄膜的生长机制
• 第4章 非晶硅薄膜光学性质研究
• 4.1 用分光光度法测量薄膜透射谱
• 4.1.1 分光光度计原理
• 4.1.2 分光光度计改进
• 4.2 包络法研究a-si:H薄膜光学常数
• 4.2.1 包络法理论模型
• 4.2.2 a-si:H薄膜的光学常数
• 第5章 金属铝诱导制备多晶硅薄膜研究
• 5.1 金属在诱导晶化中的作用
• 5.2 影响铝诱导晶化的主要因素
• 5.2.1 退火温度对铝诱导晶化的影响
• 5.2.2 退火时间对铝诱导晶化的影响
• 5.2.3 分步退火对铝诱导晶化的影响
• 5.2.4 硅膜厚度对薄膜晶化的影响
• 5.2.5 氧化层对薄膜晶化的影响
• 5.2.6 衬底材料对薄膜晶化的影响
• 第6章 铝诱导层交换的晶化机理
• 6.1 铝诱导层交换的驱动力
• 6.2 铝诱导层交换过程的晶化机理
• 总结
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间科研成果
• 致谢