论文摘要
传统能源的日益短缺导致了可再生能源特别是太阳电池产业和研究的迅速发展。在各类太阳电池中薄膜太阳电池以低成本和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。本论文主要研究柔性衬底材料上多晶硅薄膜的制备，并对生长过程和薄膜性质进行分析表征。与非晶硅薄膜相比，多晶硅薄膜具有可与晶体硅相比拟的高迁移率，结构和性能稳定，没有严重的光致衰减效应，可作为理想的光伏器件材料；另一方面薄膜太阳电池的衬底对光伏器件的性能和应用范围也有重要的影响，柔性衬底材料具有可卷曲、质量轻、便于运输、易于大面积卷轴生产以及用途广泛等优点，发展前景广阔。因此，在柔性衬底材料上制备多晶硅薄膜具有重要的科学意义和应用前景。本论文分别利用热丝化学沉积法、等离子体增强气相沉积法以及金属诱导法制备硅薄膜，应用场发射扫描电镜对薄膜形貌进行观察，应用激光拉曼谱仪和X射线衍射仪对薄膜结晶性进行分析，同时利用紫外可见光吸收谱分析薄膜的光吸收性质。本论文取得的主要成果如下：一、利用常规热丝化学气相沉积法制备硅薄膜，选用了玻璃和聚酰亚胺两种衬底材料。在玻璃衬底上易制得多晶硅薄膜，生长中气体流量比、衬底温度、气体压强等实验参数相互影响和制约，对薄膜的结晶度和择优生长方向有着不同的影响。但是，在聚酰亚胺衬底上制备的薄膜均为非晶相。实验证明一定温度条件下常规方法难以在聚酰亚胺衬底上生长多晶硅薄膜，这与衬底材料的性质有关。二、考察了薄膜制备前后氢处理对薄膜性质的影响。通入反应气体之前进行氢气预处理可以消除衬底表面杂质，具有清洁作用；而在薄膜制备结束后，再进行氢化处理，可以促进薄膜晶化，钝化晶界，提高薄膜的质量。随着时间的延长，薄膜的晶化率和厚度是逐渐增加的，但薄膜的生长速度逐渐减缓直至稳定。三、引入间隙供气法通过热丝化学气相沉积在柔性衬底聚酰亚胺材料上成功制备多晶硅薄膜．实验发现间隙周期比例影响薄膜的结晶性和晶粒大小。间隙供气周期比例小的条件制备的薄膜晶粒尺寸比较大，结晶性也较好，但是生长速度较低。此外，比较了在玻璃衬底和聚酰亚胺衬底上制备的薄膜的光吸收性质的差别。四、在间歇供气法基础上首次提出利用间歇供气-常规两步法通过热丝化学气相沉积在柔性衬底聚酰亚胺材料上制备多晶硅薄膜。实验发现间隙供气阶段间隙次数大于两次时才出现结晶相，间隙三次后结晶相比较明显。五、通过表面扩散模型和刻蚀模型的结合很好地解释间隙供气方法和常规方法的实验结果差别。间歇供气与常规方法相比主要是增加了氢气单独作用的时间。氢气的作用一方面破坏了薄膜的非晶相结构，另一方面促进了硅原子的表面扩散，从而帮助硅原子找到合适的位置形成晶核并生长。六、利用等离子体增强化学气相沉积法在柔性衬底聚酰亚胺材料和玻璃衬底上制备的硅薄膜均为非晶硅，对薄膜进行后续热处理也无法使薄膜晶化，这可能和我们进行热处理的温度、时间以及衬底材料等有关。七、利用金属诱导法制备硅薄膜，先在衬底上制备一层铝薄膜，再利用等离子体增强化学气相沉积法生长硅薄膜层，最后对薄膜进行后续热处理，分析对比了两种热处理方式：常规热处理和快速热处理。结果表明，常规热处理并不能使薄膜晶化，而利用快速热处理可以使薄膜得到晶化。